Como as células constroem um corpo sem terem um plano

28 de Maio – 17:30

Conferencista: Professor Jorge Carneiro

Laboratório Associado de Oeiras / Instituto Gulbenkian de Ciência

Comentador: Professor Joaquim Sampaio Cabral, IST, Instituto de Biotecnologia e Bioengenharia

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Abaixo das fotos da sessão: enquadramento desta conferência na temática do Ciclo e resumo alargado da conferência preparado pelo conferencista

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Jorge Carneiro proferindo a sua conferência





Jorge Carneiro no decurso da sua conferência





Joaquim Sampaio Cabral no exercício de comentador





Aspecto da assistência

 


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Enquadramento da conferência na temática do Ciclo

 

O ciclo de conferências “Das Sociedades Humanas às Sociedades Artificiais” foi concebido como iniciativa de apoio aos projectos de Robótica Colectiva em desenvolvimento no Instituto de Sistemas e Robótica (pólo do Instituto Superior Técnico). A robótica colectiva investiga as formas de estruturar múltiplos robots num mesmo cenário e de os controlar em vista à concretização de uma dada tarefa. Desse modo, além de participar num tipo de investigação que aceita o lugar do corpo na inteligência, contribui para ultrapassar o paradigma da inteligência como fenómeno puramente individual e para começar a pensar a inteligência como inteligência da relação em colectivos de alguma complexidade.

Dois tipos de inspiração têm concorrido para iluminar os modelos de fenómenos colectivos empregues pela robótica: a inspiração biológica e a inspiração nas ciências da sociedade. Contributos anteriores neste Ciclo de Conferências ajudaram a colocar em perspectiva certas transferências conceptuais que vão das ciências da sociedade dos humanos para a investigação com “sociedades artificiais”. A presente conferência ilustrará uma das linhas de inspiração que mais força têm tido na robótica colectiva: como é que fenómenos biológicos podem ser encarados como exemplos bem sucedidos de um grande número de entidades cuja acção coordenada resulta na consecução de alguma tarefa complexa que não estaria ao alcance dessas mesmas entidades se elas agissem isoladamente ou de forma não conjugada. Para aí aponta o título da quarta conferência do Ciclo: “como as células constroem um corpo sem terem um plano”. Este ponto de vista, pela sua riqueza, abre para várias outras linhas de interrogação, nomeadamente: até que ponto serão os “colectivos biológicos” comparáveis a sociedades de indivíduos “sofisticados” como os humanos? O que os torna comparáveis e o que os torna distinguíveis quando se trata de os explicar ou quando de trata de os considerar como modelos para colectivos artificiais?

 

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Resumo alargado da conferência

 

“We are standing and walking with parts of our body which could have been  used for thinking had they developed in another part of the embryo”
— Hans Speaman 1943

 

Esta palestra é a resposta ao desafio de expor e discutir o que os sistemas biológicos nos podem ensinar sobre interacções, emergência e complexidade em sistemas multiagente. Cooperação entre células ou indivíduos para produzir comportamentos colectivos  são uma constante em biologia. O tema é obviamente muito vasto pelo que decidi concentrar-me  na capacidade das células construírem e manterem um corpo multicelular, mediante a coordenação das suas actividades no espaço e no tempo. Sistemas multicelulares apareceram recorrentemente e sob muitas formas desde que há vida na terra, desde os estromatolitos primitivos, aos biofilmes bacterianos. Para facilitar a minha tarefa, irei concentrar-me no desenvolvimento e manutenção de apenas alguns corpos multicelulares. O meu objectivo será expor alguns aspectos recorrentes destas manifestações de comportamentos colectivos das células e tentar estabelecer pontes para os colectivos de robots ou sistemas multiagente artificiais.

 

Os organismos que encontramos hoje em dia são histórias de sucesso que sobreviveram incontáveis gerações de selecção natural. Todos os casos que não foram capazes de multiplicar-se e dar origem a descendentes com propriedades semelhantes — hereditariedade — perderam-se inevitavelmente. Em organismos multicelulares, hereditariedade implica que o processo de desenvolver o corpo a partir de uma célula única, o ovo, tem que ser extremamente robusto e fiável. O corpo de um animal requer sucessivas divisões celulares, o crescimento geométrico do número de células e  a sua diferenciação em várias linhagens celulares. Todas as células têm que ocupar posições relativas no espaço bem precisas. Como o crescimento do número de células é geométrico, se algo correr mal em qualquer instante, a propagação do erro pode dar origem a corpos aberrantes ou não funcionais. Por outras palavras a formação do corpo é potencialmente caótica. Formulado desta maneira parece quase improvável que um qualquer embrião consiga ser sucedido, quanto mais imaginar a repetição deste processo vezes e vezes sem conta, ao longo de milhares de milhões de anos. E no entanto, a diversidade de formas multicelulares está aí para mostrar que não só é possível como até parece fácil, graças aos mecanismos de regulação e controlo do desenvolvimento embrionário. Por outro lado, uma vez um corpo construído é necessário mantê-lo, assegurar a constância bioquímica do meio interior (homeostasia), evitar que células individuais deixem de cumprir a sua função (cancro), compensar e reparar lesões resultantes das interacções com o meio e outros organismos. Isto tem que ser feito dinamicamente, com uma substituição permanente de células mortas por novas células, e na permanente interacção com agentes infecciosos, potencialmente perturbadores, para os quais o corpo é um oásis.

 

O nosso primeiro objectivo, portanto, é considerar alguns mecanismos utilizados na construção e manutenção de corpos multicelulares e compreender porque são tão robustos e fiáveis, apesar de serem inteiramente distribuídos pelo colectivo de células. O primeiro factor a ter em conta nesta análise  é o conjunto de propriedades das células individuais. Cada  célula é uma máquina molecular com uma organização muito particular. Ela é capaz de se manter homeostaticamente, crescer, diferenciar-se, mover-se, polarizar-se, coordenar sinais moleculares com outras células, dividir-se fazendo cópias fiáveis de si própria e por último, mas certamente não menos importante, morrer por vezes por apoptose (ou suícidio celular). Fazer cópias de uma célula implica fazer cópias do seu material genético e também do seu estado de diferenciação, i.e. herança  genética e epigenética. Mas a riqueza de comportamentos destes agentes é uma lâmina de dois gumes: por exemplo, a divisão celular, que é absolutamente necessária ao desenvolvimento e à reposição de células mortas, pode dar origem ao cancro e comprometer o organismo quando não é controlada.

 

Na nossa tentativa de compreender os mecanismos de formação de corpos multicelulares, começaremos por um primeiro exemplo em que um corpo, capaz de percepção e locomoção, é feito por agregação de muitas células e não por desenvolvimento a partir de uma única célula. O Dictyostelium discoideum é uma amiba protista que alterna entre uma forma de vida unicelular e uma forma multicelular. As amibas unicelulares vivem na manta morta do solo onde se movem, multiplicam e se alimentam de bactérias. Quando a fonte de alimento se esgota as amibas agregam-se para formar um corpo locomotor multicelular, que migra em direcção à luz e a superfície do solo, onde forma um corpo de frutificação.  No corpo de frutificação a maioria das células sacrifica-se para que apenas algumas formem esporos que se propagam para locais eventualmente mais ricos em alimento, perpetuando o ciclo de vida. As amibas por si só não têm fotoreceptores e não são capazes de se orientar para a luz. O fototropismo do corpo locomotor explica-se porque a exposição da luz afecta indirectamente a propagação das ondas de mensagens célula-a-célula que as amibas trocam entre si neste corpo multicelular, resultando numa coordenação do movimento colectivo em direcção a luz. O Dictyostelium, graças à formação desse corpo multicelular com capacidades para medir e integrar pistas ambientais, imperceptíveis às células individuais, permite a estas últimas uma maior capacidade reprodutiva, mesmo descontando que muitas se sacrificam para que apenas algumas tenham descendência.

Estas considerações sobre as vantagens selectivas da multicelularidade e das propriedades emergentes do colectivo de agentes justificam evolutivamente a robustez na formação do corpo mas não a explicam. A agregação do pseudoplasmódio é robusta porque a proliferação das células aumenta a densidade até que as suas interacções sejam tão frequentes que se iniciam e propagam as ondas de mensagens célula-a-célula. Uma vez estas ondas estabelecidas a formação do corpo é inexorável, visto que as células que servem de pacemakers são empurradas para a extremidade pelas outras células que servem de transmissores da mensagem. Estas considerações dão-nos alguns ingredientes necessários para considerar o desenvolvimento de um organismo superior a partir do ovo (por exemplo, a adesão intercelular, a propagação de sinais célula-a-célula) mas estão longe de nos explicar como a natureza caótica do processo é controlada, visto que a formação do pseudoplasmódio se faz sem qualquer divisão celular. Portanto, se durante a divisão das amibas a partir de um único esporo se formar uma linha de amibas mutantes que não coopere, esta linha perde-se enquanto as cooperantes formarão os corpos locomotor e de frutificação. Pelo contrário, durante o desenvolvimento embrionário, o aparecimento de linhas celulares mutantes incapazes de se coordenar com as restantes células irá comprometer a viabilidade do organismo ou dar origem a corpos aberrantes.

 

Vários ingredientes asseguram a robustez do desenvolvimento de organismos superiores a partir do ovo.  Um desses ingredientes é a separação da linha germinal, capaz de formar gâmetas e reproduzir o organismo, das restantes linhas células que vão construir e manter o corpo. Isto é uma forma de perpetuar a informação genética de geração em geração o mais fielmente possível, livre de eventuais mutações somáticas que ocorram durante o desenvolvimento do corpo. Mas o desenvolvimento robusto de um corpo semelhante ao paterno/materno também é, como vimos, necessário à perpetuação da espécie, e o resultado do colectivo das células somáticas com a mesma informação genética. Nesse processo de desenvolvimento os primeiro passos são a formação dos eixos principais do corpo, a sua simetria essencial. A formação dos eixos acontece tirando partido da polaridade e quebra de simetria do próprio ovo, que pode acontecer espontaneamente por mecanismos do tipo Turing-Meinhard que a tornam inevitável, utilizando o ponto de inserção do espermatozoide no óvulo para criar uma onda de mensageiros moleculares (como ovo de rã), ou por deposição assimétrica de material genético da mãe (como no ova da mosca do vinagre). Esta assimetria inicial do ovo em termos da distribuição de moléculas no espaço, à medida que este se divide em células cada vez mais pequenas, implica que cada célula vai ter uma composição molecular inicial diferente e tambem uma vizinhança diferente. Estas diferenças implicam que diferentes programas genéticos são activados de acordo com a posição espacial, tanto em termo de preferências de adesão e interacção com outras células, produção de mensageiros moleculares e resposta a esses mensageiros. Cada uma destas células tem um contexto, uma vizinhança diferente no embrião e vai responder diferentemente em termos de proliferação, alteração do programa genético e diferenciação. Estas respostas vão mudar o contexto das células vizinhas e as respectivas respostas. Este processo repete-se recursivamente até o corpo estar completo.

Tipicamente um processo morfogenético multicelular (a formação ou deformação de um tecido, a formação de um padrão de expressão de expressão genética num tecido, a extensão de um tecido por divisão celular, etc. ) é disparado por uma configuração inicial específica, desenrola-se mecanicamente e dá origem a uma nova configuração multicelular, que cria as condições e desencadeia um novo processo morfogenético no mesmo conjunto de células ou nas células vizinhas. Os mecanismos de regulação molecular e genética, altamente fiáveis, são muitas vezes reutilizados para controlar processos morfogenéticos diferentes em instantes e locais diferentes do embrião. Os mecanismos moleculares e genéticos que controlam  as células são tão robustos que este processo se repete mais fielmente que um relógio.

 

Uma vez o corpo do organismo desenvolvido a sua manutenção é assegurada por vários mecanismos. Talvez o primeiro mecanismo seja a absoluta dependência das células do meio interior, que resulta da actividade colectiva do corpo. Qualquer célula isolada desse meio interior e das interacções com outras células morre. A vasta maioria das células anómalas, mutantes somáticos, que perdem a capacidade de interagir com outras células, são assim rapidamente eliminadas. A segunda classe de mecanismos de manutenção são os mecanismos homeostáticos de regulação do número de células, por controlo da divisão celular. Cada tecido celular é controlado pelo tecido ou tecidos celulares com que interage, que lhe serve de recurso e suporte. O crescimento excessivo é assim evitado por inibição por contacto célula-célula e por competição das células de um tecido por factores produzidos pelos tecidos que o suportam. Os tumores surgem sempre que algumas células escapam a estes sistemas de controlo da divisão celular. Finalmente, existem mecanismos de imunidade assegurados por linhas de células especiais, que circulam por todo o corpo e que reciclam células mortas, eliminam microorganismos patogénios e em algumas situações conseguem mesmo eliminar células tumorais, antes que estas pervertam o funcionamento do corpo.

 

Vimos então como os corpos se desenvolvem de uma maneira robusta e como se mantêm, com base em simples interacções célula-a-célula, que se coordenam no espaço e no tempo. Estamos agora preparados para tentar o segundo objectivo:  tentar perceber como estes mecanismos biológicos podem ser eventualmente reutilizados em sistemas artificiais.

 

Que lições para o design e construção de colectivos robóticos e sistemas multiagente podemos tirar, tendo em conta que estamos longe de criar agentes artificiais capazes de fazerem cópias de si próprios? A visão de colectivos de robots em cenários de ‘search & rescue’ durante catástrofes de larga escala pode ser análoga ao desenvolvimento de um corpo a partir de interacções célula a célula. Não é improvável que esses robots tenham comunicação limitada sendo capazes de comunicar e interagir apenas com robots na sua vizinhança. A rede de robots em interacção deverá crescer de uma forma coordenada e ser robusta a incontornáveis avarias ou acidentes das máquinas individuais. É muito difícil conceber e desenhar mecanismos distribuídos  seguros e inevitavelmente os designers procuram incluir no colectivo robótico câmaras em aparelhos voadores que sobrevoariam e supervisionariam as restantes máquinas. Os mecanismos multicelulares de desenvolvimento e manutenção poderão dar pistas como fazer esse crescimento no espaço e reparar falhas no colectivo e eventualmente propagar e utilizar informação de uma forma distribuída, sem recorrer a supervisores. Nos exemplos biológicos que vimos os componentes  essenciais serão a riqueza sensório-motora e comportamental dos robots (cada célula apresenta uma coordenação sensório-motora muito rica) e a sua subordinação à interacção com outros agentes (a célula que não interage morre). Pelos menos estas condições são necessárias para possibilitar ao colectivo celular adquirir uma percepção do espaço e das pistas espaciais, que são imperceptíveis aos agentes individuais.

 

Outra visão de sistemas multiagentes são as redes de sensores (“sensor networks”) — redes de pequeníssimos dispositivos com capacidade mínima de processamento, memória e comunicação wireless a curta distância — que poderão vir a substituir os computadores individuais e o processamento centralizado, caso se consigam resolver algumas dificuldades. As questões que se põe são muito semelhantes às questões de manutenção de um corpo. Para ter qualquer aplicação comercial, este colectivo de dispositivos deverá ser capaz de crescer e distribuir-se no espaço, ser capaz de se perpetuar e ser robusto a eventuais avarias de alguns dispostivos individuais que deixem de funcionar ou  que passem a funcionar e comunicar anormalmente. O colectivo de dispositivos deverá ser capaz de se reparar por substituição de dispositivos disfuncionais. Aqui tambem os mecanismos robustos de desenvolvimento e manutenção dos corpo multicelulares poderão dar pistas. Os mecanismos homeostáticos que mantém a constância bioquímica e o ‘turnover’ das células do corpo, os mecanismos de reparação de feridas, utilizam mecanismos de controlo molecular e celular que poderão inspirar o desenho mecanismos de autoreparação e manutenção em colectivos de dispositivos artificiais. A imunidade que impede a invasão do corpo dos animais por microorganismos, a eliminação de alguns cancros, ou a fusão de organismos multicelulares simples pode tambem servir de inspiração a mecanismos de resposta do colectivo de “sensores em rede” às tentativa de quebra de segurança por “hackers”, à subversão por “vírus informáticos” ou à manutenção da independência das  “redes”.

 

Apesar do optimismo dos parágrafos atrás, não é de todo claro que os mecanismos de colectivos celulares possam ser redesenhados para funcionar e controlar colectivos de robots ou sistemas multiagente. A evolução dos sistemas biológicos indica que os mesmos mecanismos moleculares aparecem recorrentemente sendo “reutilizados” evolutivamente para resolver novos problemas, para construir novas formas de corpo ou orgãos. Caso esse “reutilização” pudesse ser feita em sistemas colectivos artificiais poderíamos estar na presença de novos mecanismos de controlo verdadeiramente distribuídos,  adaptativos  e tão robustos como os seus análogos biológicos. A investigação desta hipótese iria requerer obviamente uma colaboração estreita entre engenheiros e biólogos para identificar os componentes biológicos essenciais e deles abstrair mecanismos de controlo genéricos. O que nos traz ainda à inovação em colectivos mas agora de agentes de um outro tipo.