Turbulência Ativa e Autocontrole em Sistemas Biológicos

Processos ativos impulsionam atividades biológicas em diferentes níveis. Isso vai desde pequenas partes das células mudando de forma até como os tecidos se desenvolvem em embriões e como colônias de bactérias crescem juntas. Em todas essas situações, é crucial que esses sistemas mantenham sua estrutura enquanto também permitem movimento. Até agora, ninguém realmente entendia como esses movimentos ativos conseguem conter suas próprias ações para manter sua estrutura.

Ao olhar como materiais chamados filmes nemáticos ativos fluem e o comportamento dos defeitos dentro deles, encontramos uma relação surpreendente. Essa relação mostra que os movimentos causados pela atividade podem se restringir naturalmente em um processo bidirecional que se relaciona com as bordas fluídas do material e as estruturas dentro dele.

Descobrimos que defeitos autopropelidos, que são pontos únicos no material, ficam bem conectados a certas bordas de fluxo. Essa conexão traz resultados interessantes. Os defeitos perdem sua simetria esperada quando se movem ao longo de uma dessas bordas de fluxo específicas, o que não é o que geralmente esperaríamos. Podemos explicar esse comportamento inesperado pela relação entre as bordas de fluxo e as características estreitas chamadas "paredes de dobra" que aparecem no campo de direção do material.

Embora nosso foco esteja em um tipo específico de fluxo nemático ativo, nossos achados numéricos indicam que essa restrição se aplica a outras situações onde defeitos de meia carga autopropelidos existem. Essa nova compreensão oferece uma nova perspectiva sobre como lidar com a turbulência ativa tridimensional complicada, tornando possível o controle dinâmico em materiais inspirados na biologia e observando como os sistemas vivos usam estresse ativo para auto-organização.

#Fluxo Turbulento Desordenado em Vários Fluidos

Fluxo turbulento desordenado é uma característica comum em muitos tipos de fluidos, mas estudá-lo continua sendo uma tarefa difícil devido ao comportamento caótico em diferentes tamanhos e tempos. Isso é ainda mais complicado em fluidos complexos, já que seus diferentes aspectos interagem, adicionando mais complicações.

Em muitos tipos de turbulência - incluindo turbulência elástica, granular, magnetohidrodinâmica, quântica e líquida cristalina - a velocidade de fluxo está intimamente ligada a outros campos, alguns dos quais têm seus próprios padrões especiais. Pesquisadores notaram que sistemas biológicos frequentemente mostram fluxo turbulento que parece desordenado, o que também está relacionado à orientação local.

Nesses casos, turbulência ativa significa que defeitos topologicamente protegidos no campo de orientação aparecem e desaparecem continuamente, como defeitos autopropelidos em duas dimensões e linhas de desclinação em três dimensões. Para simplificar os desafios impostos pelos fluxos nemáticos ativos, os estudos frequentemente analisam apenas um aspecto.

Os pesquisadores tendem a focar em defeitos autopropelidos, pois eles são cruciais para a turbulência ativa. Esses defeitos são frequentemente vistos como controlando seus próprios movimentos, onde apenas mudanças locais ou defeitos próximos podem causar alterações em seus caminhos. Nesse ponto de vista, os fluxos seguem diretamente o arranjo dos defeitos.

Alternativamente, os pesquisadores podem incluir diretamente a dinâmica do campo de orientação no modelo de fluido sem defeitos. Essa abordagem se concentra em estruturas duradouras e amplamente espalhadas no fluxo e tenta encontrar padrões na energia e na enstrofia.

Juntas, essas duas metodologias fizeram avanços significativos na compreensão da turbulência ativa, mas ainda há uma conexão crítica entre os dois lados que precisa de mais desenvolvimento.

#A Conexão de Auto-restrição

Em nosso estudo, revelamos que a interação não linear entre os campos de fluxo e orientação em nemáticos ativos resulta em uma forte auto-restrição bidirecional. De um lado, nossos achados mostram que defeitos topológicos autopropelidos estão intimamente ligados a bordas de fluxo específicas, enquanto, por outro lado, essas bordas são influenciadas pelas mudanças no campo de orientação em uma escala mesoscópica.

Especificamente, descobrimos que defeitos autopropelidos estão posicionados apenas em contornos específicos de bordas de fluxo conhecidos como superfícies viscométricas, que são linhas onde a torção e o alongamento do fluxo se equilibram. Essas superfícies direcionam o comportamento dos defeitos autopropelidos, fazendo com que eles se alinhem e movam ao longo dessas linhas, já que não experimentam deformação em seus caminhos.

Esse alinhamento leva os defeitos a se afastarem do movimento simétrico esperado, classificando-os pela sua "mão". Importante, essa auto-restrição é recíproca; as superfícies viscométricas também respondem às mudanças no campo de orientação.

Embora nos concentremos na turbulência nemática ativa extensiva bidimensional, nossos resultados são válidos sempre que defeitos topológicos de meia carga autopropelidos existam, como em várias formações de vórtice, cristais líquidos e estruturas tridimensionais.

Esses insights podem proporcionar uma compreensão mais profunda dos sistemas de fluidos que experimentam interações complexas e sugerir uma maneira de formas biológicas se protegerem dinamicamente.

#Abordagens Experimentais e de Simulação

Para entender a relação de auto-restrição entre desclinações e estruturas de fluxo em nemáticos ativos, usamos métodos experimentais e numéricos.

Em experimentos, criamos um filme nemático ativo montando feixes de microtúbulos filamentares rotulados na interface de óleo e água, usando grupos de motores de quinesina como entrelaçadores. Esses motores utilizam ATP, que ajuda a criar movimentos impulsionados por atividade dentro do filme de microtúbulos.

Usamos microscopia de fluorescência confocal para observar os feixes de microtúbulos, permitindo analisar a orientação e o fluxo através de técnicas de imagem avançadas.

Para nossas simulações, usamos uma abordagem híbrida de Boltzmann em rede para modelar hidrodinâmica nemática ativa. Estudamos especificamente nemáticos extensivos bidimensionais em um estado estacionário de turbulência ativa, levando a perfis de fluxo desordenados e à criação e desaparecimento contínuos de defeitos.

Para examinar a relação entre topologia e fluxo, calculamos várias estruturas dentro de cada campo, onde os defeitos estavam facilmente visíveis, e descrevemos suas posições e orientações a partir dos dados do campo nemático.

Os campos de fluxo ativo também mostraram padrões estruturados que pudemos visualizar usando critérios específicos. Identificamos regiões de torção e alongamento em nossos dados experimentais e simulados.

#A Relação entre Defeitos e Bordas de Fluxo

Observamos que defeitos topológicos de meio mais um estão sempre localizados em linhas onde uma condição específica chamada critério Q se aplica. Em nossos escaneamentos, pudemos ver que esses defeitos estavam consistentemente encontrados ao longo dessas linhas de limite, que foram mostradas sob várias condições em diferentes configurações.

Embora estudos anteriores indicassem que defeitos típicos costumam ficar perto das bordas de vórtice, nossos achados destacam que a localização dos defeitos é mais sutil do que isso - eles existem especificamente nessas superfícies viscométricas.

Tanto em nossos experimentos quanto em simulações, notamos que defeitos autopropelidos consistentemente estão nessas superfícies, demonstrando a importância dessa conexão.

No entanto, defeitos de meio menos um nem sempre tinham as mesmas restrições. Eles poderiam ser encontrados em diferentes regiões sem aderir a contornos de fluxo específicos, resultando em uma distribuição mais ampla.

Nossos achados mostram que, em vez de serem exclusivamente ligados a onde o fluxo é torcido ou esticado, os defeitos estão intrinsecamente ligados às estruturas geométricas do fluxo que experimentam.

#A Interdependência das Paredes de Dobra e Estruturas de Fluxo

Em seguida, exploramos como as paredes de dobra e as superfícies viscométricas estão vinculadas.

Paredes de dobra são linhas estreitas formadas por altos níveis de dobra no campo de orientação. Essas paredes criam forças ativas fortes, e enquanto parecem individualizar os defeitos, também criam uma conexão cruzada com a estrutura de fluxo.

A natureza contínua da dobra dessas paredes enfatiza ainda mais a relação. À medida que as dobras ocorrem, elas guiam a dinâmica das orientações no material, destacando a natureza interativa entre as orientações e o fluxo.

Ao considerar modelos práticos, demonstramos que diferentes formas de paredes podem causar tanto uma série de estruturas quanto influenciar a dinâmica dos defeitos. Se focarmos em paredes retas ou curvas, ambas as configurações oferecem insights valiosos sobre como a dinâmica do fluxo opera em sistemas nemáticos ativos.

#Aplicações Mais Amplas dos Resultados

Olhando além do nosso foco principal em fluxos extensivos, nossos achados podem ter relevância potencial para várias configurações. A relação de auto-restrição espontânea que identificamos mantém sua integridade em diversas situações, seja em sistemas biológicos mais complexos ou em materiais feitos pelo homem.

Em termos simples, isso mostra que as interações dinâmicas que observamos também se aplicam a outros sistemas com fluxos ativos, ampliando nossa compreensão além dos nemáticos ativos bidimensionais.

Além disso, os resultados podem ser significativos na criação de novos materiais funcionais, permitindo que os engenheiros criem sistemas que respondam ativamente ao seu ambiente enquanto mantêm a integridade estrutural importante.

Sistemas biológicos frequentemente precisam de um equilíbrio entre movimento coletivo e estrutura estável para suas funções. Nossos achados sobre restrições espontâneas podem fornecer uma visão de como sistemas vivos usam forças ativas para alcançar esse equilíbrio enquanto permitem mudanças contínuas.

#Conclusão

Identificamos com sucesso uma auto-restrição natural entre as dinâmicas de defeitos autopropelidos e suas bordas de fluxo. Este trabalho incentiva uma mudança em como percebemos as interações dos campos de defeitos e fluxo.

Em vez de ver os defeitos como controladores exclusivos de seus caminhos, é claro que tanto os defeitos quanto as condições hidrodinâmicas ao redor deles influenciam o comportamento geral do sistema.

Através de nossas observações, é evidente que os defeitos normalmente se movem ao longo de superfícies viscométricas onde não há mudanças no alongamento ou estiramento do fluido, uma condição aplicável a uma ampla gama de situações, não apenas a fluxos bidimensionais.

Agora, essa visão nos permite classificar os defeitos com base em sua "mão" local, o que pode abrir novas linhas de pesquisa sobre a variação e o comportamento de materiais ativos.

Os achados destacam a importância das paredes de dobra e seu papel contínuo de organizar fluxos e defeitos em condições de estado estacionário, aumentando nosso conhecimento sobre dinâmicas coletivas. Tal compreensão pode ajudar a decifrar ainda mais as estruturas complexas encontradas na turbulência ativa tridimensional, o que pode ter profundas implicações em sistemas biológicos e engenheirados.