Olhe ao redor e você verá isso em todos os lugares: a maneira como as árvores formam galhos, a maneira como as cidades se dividem em bairros, a maneira como o cérebro se organiza em regiões. A natureza ama a modularidade — um número limitado de unidades autocontidas que se combinam de diferentes maneiras para desempenhar muitas funções. Mas como essa organização surge? Ela segue um projeto genético detalhado ou essas estruturas podem surgir por conta própria?

Um novo estudo do professor Ila Fiete do MIT sugere uma resposta surpreendente.

Em descobertas publicadas em 18 de fevereiro na Nature , Fiete, uma pesquisadora associada no McGovern Institute for Brain Research e diretora do K. Lisa Yang Integrative Computational Neuroscience (ICoN) Center no MIT, relata que um modelo matemático chamado seleção de pico pode explicar como os módulos emergem sem instruções genéticas estritas. As descobertas de sua equipe, que se aplicam a sistemas cerebrais e ecossistemas, ajudam a explicar como a modularidade ocorre na natureza, não importa a escala.

“Cientistas têm debatido como as estruturas modulares se formam. Uma hipótese sugere que vários genes são ativados em diferentes locais para começar ou terminar uma estrutura. Isso explica como os embriões de insetos desenvolvem segmentos corporais, com genes sendo ativados ou desativados em concentrações específicas de um gradiente químico suave no ovo do inseto”, diz Fiete, que é o autor sênior do artigo. Mikail Khona PhD '25, um ex-aluno de pós-graduação e bolsista de pós-graduação do K. Lisa Yang ICoN Center, e o pós-doutorado Sarthak Chandra também lideraram o estudo.

Outra ideia, inspirada pelo matemático Alan Turing, sugere que uma estrutura poderia emergir da competição — interações em pequena escala podem criar padrões repetitivos, como as manchas em uma chita ou as ondulações nas dunas de areia.

Ambas as ideias funcionam bem em alguns casos, mas falham em outros. A nova pesquisa sugere que a natureza não precisa escolher uma abordagem em detrimento da outra. Os autores propõem um princípio matemático simples chamado seleção de pico, mostrando que quando um gradiente suave é pareado com interações locais que são competitivas, estruturas modulares emergem naturalmente. “Dessa forma, os sistemas biológicos podem se organizar em módulos nítidos sem instruções detalhadas de cima para baixo”, diz Chandra.

Os pesquisadores testaram sua ideia em células de grade, que desempenham um papel crítico na navegação espacial, bem como no armazenamento de memórias episódicas . As células de grade disparam em um padrão triangular repetitivo conforme os animais se movem pelo espaço, mas elas não funcionam todas na mesma escala — elas são organizadas em módulos distintos, cada um responsável por mapear o espaço em resoluções ligeiramente diferentes.

Ninguém sabe como esses módulos se formam, mas o modelo de Fiete mostra que variações graduais nas propriedades celulares ao longo de uma dimensão no cérebro, combinadas com interações neurais locais, poderiam explicar toda a estrutura. As células da grade naturalmente se classificam em grupos distintos com limites claros, sem mapas externos ou programas genéticos dizendo a elas para onde ir. “Nosso trabalho explica como os módulos de células da grade podem surgir. A explicação inclina a balança para a possibilidade de auto-organização. Ela prevê que pode não haver gene ou propriedade intrínseca da célula que salte quando a escala da célula da grade salta para outro módulo”, observa Khona.

O mesmo princípio se aplica além da neurociência. Imagine uma paisagem onde as temperaturas e a precipitação variam gradualmente em um espaço. Você pode esperar que as espécies se espalhem, e também variem, suavemente sobre essa região. Mas, na realidade, os ecossistemas frequentemente formam aglomerados de espécies com limites nítidos — “vizinhanças” ecológicas distintas que não se sobrepõem.

O estudo de Fiete sugere o porquê: competição local, cooperação e predação entre espécies interagem com os gradientes ambientais globais para criar separações naturais, mesmo quando as condições subjacentes mudam gradualmente. Esse fenômeno pode ser explicado usando a seleção de pico — e sugere que o mesmo princípio que molda os circuitos cerebrais também pode estar em jogo em florestas e oceanos.

Uma das descobertas mais impressionantes dos pesquisadores é que a modularidade nesses sistemas é notavelmente robusta. Altere o tamanho do sistema, e o número de módulos permanece o mesmo — eles apenas aumentam ou diminuem. Isso significa que um cérebro de rato e um cérebro humano poderiam usar as mesmas regras fundamentais para formar seus circuitos de navegação, apenas em tamanhos diferentes.

O modelo também faz previsões testáveis. Se estiver correto, os módulos de células da grade devem seguir proporções de espaçamento simples. Em ecossistemas, as distribuições de espécies devem formar grupos distintos, mesmo sem mudanças ambientais bruscas.

Fiete observa que seu trabalho acrescenta outra estrutura conceitual à biologia. “A seleção de pico pode informar experimentos futuros, não apenas na pesquisa de células de grade, mas em toda a biologia do desenvolvimento.”