As pessoas frequentemente veem formas familiares em lugares aleatórios. Talvez você já tenha olhado para as nuvens e imaginado um veleiro, um cavalo-marinho ou até mesmo sua tia-avó Rosemary olhando de volta para você. Os cientistas chamam essa tendência de encontrar padrões significativos na aleatoriedade de "apofenia". Mas em alguns casos, esses padrões são muito reais. Saket Navlakha, professor associado do Cold Spring Harbor Laboratory, estuda as estruturas ocultas que aparecem em toda a natureza.
Um dos exemplos mais conhecidos de padrão organizado é o diagrama de Voronoi, um sistema geométrico que divide o espaço em regiões separadas em torno de pontos centrais. Um exemplo simples seriam os distritos escolares. Cada distrito (região) é organizado de modo que os alunos estejam sempre mais próximos da escola (ponto central) designada para eles.
"Diagramas de Voronoi têm sido usados por séculos em uma variedade de aplicações, desde planejamento urbano até design de redes", diz Navlakha.
Padrões semelhantes a diagramas de Voronoi podem ser vistos frequentemente na natureza, incluindo as manchas nas girafas. No entanto, essas versões naturais geralmente não contêm os pontos centrais óbvios encontrados em exemplos de livros didáticos. Navlakha e a ex-aluna de pós-graduação Cici Zheng identificaram recentemente uma exceção rara na Pilea peperomioides, mais conhecida como planta do dinheiro chinesa.
A planta do dinheiro chinesa é uma espécie perene nativa das províncias chinesas de Yunnan e Sichuan. Também é uma planta doméstica popular frequentemente dada como presente. Suas folhas circulares contêm poros perceptíveis chamados hidatódios, que são cercados por redes de veias em loop que movem água e nutrientes através da folha.
Após mapear cuidadosamente os poros e veias, Navlakha e Zheng descobriram que a estrutura da folha forma naturalmente um padrão de Voronoi.
Para entender melhor como o padrão se desenvolve, os pesquisadores fizeram parceria com Przemysław Prusinkiewicz, um cientista internacionalmente reconhecido por seu trabalho na formação de veias de plantas. Juntos, eles identificaram o "algoritmo natural" responsável por criar as veias em loop ao redor dos poros nas folhas.
"Assim como os humanos precisam resolver problemas para sobreviver, o mesmo vale para outros organismos", diz Zheng, agora pós-doutoranda no Allen Institute. "Mas ao contrário dos humanos, as plantas não podem medir distâncias explicitamente! Em vez disso, elas dependem de interações biológicas locais para alcançar a mesma solução de Voronoi."
A descoberta destaca como organismos vivos podem criar sistemas altamente organizados sem planejamento ou medição conscientes.
"Pensamos nesses algoritmos na natureza como uma explicação de como os organismos se comportarão e como uma forma de tentar entender o mundo", diz Navlakha. "Este exemplo é uma bela fusão de geometria clássica, biologia vegetal moderna e ciência da computação."
Prusinkiewicz diz que as descobertas podem finalmente responder a um mistério científico de longa data envolvendo a formação de veias foliares.
"É notável como mais um aspecto da forma e padronização das plantas acaba sendo matemático", acrescenta Prusinkiewicz. "Por décadas, a questão de como as veias reticulares se formam permaneceu em aberto, e finalmente temos uma resposta plausível" nos padrões de Voronoi das plantas do dinheiro chinesas.
Navlakha e Zheng esperam que futuros estudos desses padrões revelem mais sobre como as plantas resolvem desafios biológicos complicados. Eles acreditam que o trabalho pode eventualmente ajudar os cientistas a entender melhor os princípios matemáticos que moldam a evolução, o desenvolvimento e a própria vida.