Por CASUS Communications, Press and Public Relations Office
Tradução Kalianny Bezerra (Jornalista – ICTP-SAIFR)

 A estrada de Kouré a Baboussay, no Níger, atravessa uma área de vegetação de arbusto-tigre. Esse tipo de vegetação recebe esse nome devido ao padrão semelhante ao de um tigre, com faixas alternadas de vegetação densa (árvores, arbustos) e solo nu ou estéril. Próximo ao horizonte, há uma fronteira nítida entre a área de arbusto-tigre e a planície saheliana, com sua vegetação esparsa. Fonte: Vincent van Zeijst/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Em ecossistemas de terras secas, o aumento do estresse ambiental frequentemente desencadeia uma mudança de uma cobertura vegetal uniforme para padrões de vegetação fragmentados. Alguns estudos teóricos sugerem que essa auto-organização espacial da vegetação ajuda os ecossistemas a retardar a desertificação ou até mesmo evitá-la completamente. Utilizando um novo arcabouço teórico que leva em conta parâmetros anteriormente negligenciados, mas altamente relevantes para captar a realidade, o Dr. David Pinto-Ramos e o pesquisador associado ao ICTP-SAIFR Dr. Ricardo Martinez-Garcia, ambos do Centro para Compreensão de Sistemas Avançados (Center for Advanced Systems Understanding – CASUS), no Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), demonstram que esse não é o caso em geral. Eles argumentam que tais padrões de vegetação podem, ao contrário, ser um sinal de resiliência reduzida e favorecer o colapso do ecossistema. Seu trabalho, publicado no periódico PNAS (DOI: 10.1073/pnas.2511994123), concentra-se na transição de terras áridas para desertos, mas a estrutura geral proporciona uma melhor compreensão dos processos de inflexão em outros ecossistemas também.

Ecossistemas, desde recifes de coral até florestas tropicais e zonas áridas, podem sofrer mudanças abruptas e, por vezes, irreversíveis quando limiares ambientais críticos são ultrapassados. Essas mudanças de regime geralmente têm consequências ecológicas, sociais e econômicas profundas. O aquecimento global e outras pressões humanas estão aumentando a probabilidade dessas mudanças de regime, tornando cada vez mais urgente compreender como e quando essas transições ocorrem.

A dinâmica espacial é fundamental para essa compreensão. Muitos ecossistemas se organizam em padrões espaciais característicos, e os avanços nas observações por satélite e aéreas permitem que os pesquisadores monitorem essas estruturas melhor do que nunca. No entanto, interpretar o que esses padrões revelam sobre a estabilidade do ecossistema continua sendo difícil quando se baseia apenas em observações, afirma o Dr. Martinez-Garcia: “As mudanças nos padrões espaciais ocorrem ao longo de várias décadas e, frequentemente, em centenas de quilômetros. Portanto, apesar do acúmulo de dados observacionais, os modelos teóricos são cruciais para entender como a dinâmica espacial influencia a estabilidade ecológica”. Martinez-Garcia lidera o grupo Dinâmica de Sistemas Vivos Complexos no CASUS, que combina ferramentas matemáticas, computacionais e de análise de dados para compreender o surgimento de padrões e dinâmicas ecológicas em diferentes escalas.

A caminho de se tornar um deserto – ou talvez não?

A desertificação é um dos exemplos mais amplamente estudados de ponto de inflexão ecológico. Em ambientes áridos, caracterizados por pouca ou nenhuma precipitação e, em geral, quase nenhuma disponibilidade de água, a vegetação frequentemente se reorganiza em padrões semelhantes a listras ou manchas à medida que o estresse ambiental aumenta. Essa relação entre o estresse ambiental e a estrutura dos padrões sugere que esses padrões emergem à medida que as plantas otimizam o uso da água. Por muito tempo, esses padrões foram vistos como uma resposta ao aumento da aridez que ou se reverte em condições menos áridas ou, após a ultrapassagem do ponto de inflexão ecológico, desaparece completamente, resultando em um deserto. No entanto, estudos recentes indicaram que, em certos cenários, esses padrões também poderiam fornecer um caminho para que terras secas permaneçam funcionais mesmo em níveis de aridez que ultrapassam o ponto de inflexão. O resultado desses estudos teóricos: ecossistemas que apresentam padrões regulares de vegetação poderiam suportar condições mais severas e retardar ou até evitar o colapso.

“Os estudos que abordam o conceito de prevenção de colapsos baseiam-se em modelos muito simplificados que não levam em consideração as restrições espaciais e as heterogeneidades ambientais características dos ecossistemas reais”, afirma o Dr. Pinto-Ramos, principal autor do estudo e pós-doutorando no grupo de Martinez-Garcia. “Por isso, decidimos preencher essa lacuna”.

Não assumindo simetria espacial perfeita

O novo arcabouço teórico apresentado pela equipe do CASUS na PNAS incorpora características espaciais fundamentais dos ecossistemas reais. Modelos anteriores geralmente pressupunham que os ecossistemas eram infinitamente grandes e ambientalmente uniformes. Em contraste, o novo modelo considera a extensão espacial finita das áreas vegetadas, incluindo suas interfaces com o deserto circundante, bem como as heterogeneidades ambientais que podem criar interações direcionais entre os fragmentos de vegetação. “As interfaces entre regiões vegetadas e desertos são fundamentais porque podem desencadear o colapso do ecossistema por meio da propagação espacial de ondas de desertificação”, explica Pinto-Ramos. “Ao mesmo tempo, características da paisagem, como colinas e depressões, influenciam a forma como a água é distribuída após a chuva. Ao romper com a suposição de simetria espacial perfeita, nosso modelo captura processos essenciais da dinâmica real das terras áridas”.

O modelo aprimorado revela que os padrões de vegetação não possuem um significado ecológico universal. Em vez disso, suas implicações para a estabilidade do ecossistema dependem de como os processos espaciais operam sob condições ambientais específicas. “Descobrimos que o contexto espacial altera fundamentalmente a forma como os padrões devem ser interpretados”, afirma Martinez-Garcia. “Por exemplo, quando os gradientes ambientais, como declives, são suaves, a vegetação padronizada pode aumentar a resistência do ecossistema à seca. Mas quando esses gradientes são acentuados, o mesmo padrão pode, em vez disso, sinalizar um risco maior de colapso”. Para todos os interessados ​​em processos de desertificação, isso é extremamente relevante: se, de acordo com o trabalho teórico, fortes gradientes ambientais, como declives acentuados ou ventos constantes vindos sempre da mesma direção, podem ser observados em uma área seca com padrão irreguçar, mesmo um pequeno aumento na aridez levará rapidamente a um colapso em um deserto.

Capturar a realidade completa é o objetivo de longo prazo

Uma tarefa em aberto para o futuro é quantificar a relevância desse mecanismo de desertificação na natureza. “Esperamos que nossos resultados motivem os especialistas a analisar seus dados. Estamos confiantes de que eventos de desertificação rápida, até então difíceis de explicar, podem ser relacionados a um ou mais fortes gradientes ambientais”, afirma Martinez-Garcia. Contudo, ele e Pinto-Ramos estão cientes de que seu novo modelo ainda não captura toda a realidade. Por isso, estão trabalhando na integração de dados topográficos, hídricos e eólicos mais relevantes em seus modelos. Martinez-Garcia: “As áreas áridas são sistemas extremamente complexos. Mesmo ao estudá-las em pequenas escalas regionais, há uma infinidade de variáveis ​​que devem ser levadas em consideração. Diante das mudanças globais que enfrentamos, não há desculpas: precisamos de modelos mais sofisticados que possam interagir com diferentes tipos de dados para combater a desertificação de forma eficaz”.

Sobre o Centro para Compreensão de Sistemas Avançados

Fundado em 2019 em Görlitz, Alemanha, o CASUS dedica-se à pesquisa interdisciplinar de sistemas com uso intensivo de dados em diversas áreas, como pesquisa de sistemas terrestres, biologia de sistemas e pesquisa de materiais. O objetivo do CASUS é criar imagens digitais de sistemas complexos com fidelidade sem precedentes à realidade, utilizando métodos inovadores da matemática, pesquisa teórica de sistemas, simulações, ciência de dados e ciência da computação, para responder a questões sociais urgentes. Os parceiros fundadores do CASUS são o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), o Centro Helmholtz de Pesquisa Ambiental em Leipzig (UFZ), o Instituto Max Planck de Biologia Celular Molecular e Genética em Dresden (MPI-CBG), a Universidade Técnica de Dresden (TUD) e a Universidade de Wrocław (UWr). O CASUS, gerido como um instituto do HZDR, é financiado pelo Ministério Federal Alemão da Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR) e pelo Ministério Estadual da Saxônia para Ciência, Cultura e Turismo (SMWK).

Sobre o ICTP-SAIFR

O Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR) é um centro internacional na cidade de São Paulo criado por meio de uma colaboração entre o Centro Internacional de Física Teórica (ICTP), o Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp e a Fapesp. Suas atividades incluem pesqu2sisa em Física Teórica e suas aplicações, bem como escolas e workshops para alunos de pós-graduação e pesquisadores. O ICTP-SAIFR também promove divulgação científica e ações de extensão junto a professores e estudantes de Ensino Médio e público geral. Mais informações estão disponíveis no site ictp-saifr.org.

Publicação

Pinto-Ramos, R. Martinez-Garcia: Como padrões espaciais podem levar a ecossistemas menos resilientes, em Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América (PNAS), 2026 (DOI: 10.1073/pnas.2511994123).

A versão original do texto está disponível em: casus.science/news-vegetation-patterns-and-resilience-relationship-status-complicated

William Bialek, professor da Universidade de Princeton, discute as transformações dessa área

O que têm em comum a maneira como proteínas assumem formas específicas dentro das células, o desenvolvimento de um embrião e o comportamento coletivo de pássaros? De acordo com o físico teórico William Bialek, professor da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos, esses temas podem ser investigados a partir de um mesmo esforço científico: aplicar as ferramentas da física à compreensão de sistemas vivos. Em entrevista, o pesquisador explicou o campo da física biológica, suas aplicações e novos desafios enfrentados pela área.

Bialek esteve recentemente no Brasil como um dos palestrantes da “Escola de Física Biológica em escalas: transições de fase”, realizada entre 12 e 23 de janeiro de 2026 pelo Centro Internacional de Física Teórica/Instituto Sul-americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR), do qual ele integra o Conselho Científico. O centro é vinculado ao Instituto de Física Teórica (IFT) da Unesp. 

Segundo o pesquisador, predominava durante a sua formação a ideia de que procurar uma física teórica da vida era perda de tempo, posicionamento que refletia barreiras científicas e culturais. “Em parte, era uma afirmação científica real, de que não parecia ser o momento certo para fazer isso, e em parte era uma afirmação sociológica: as pessoas tinham culturas diferentes e tinham dificuldade em encontrar uma forma de conversar entre si”, afirmou.

Esse cenário começou a mudar com o avanço no estudo de sistemas complexos e quando novas tecnologias experimentais permitiram observar processos biológicos em níveis de detalhe inéditos. Para ele, o progresso não veio como resultado de um único marco histórico, mas de um processo gradual, que combinou ousadia intelectual, melhorias técnicas e transformações dentro da própria comunidade científica. “Acho interessante porque parte disso é a coragem de tentar coisas novas. Olhava-se para um sistema que era muito complexo e pensava-se: ‘não, eu não quero fazer isso, é difícil demais’. Então algumas pessoas simplesmente foram mais corajosas e tentaram mesmo assim”, disse.

Um dos focos de pesquisa do professor está em entender como embriões se organizam com extrema precisão em poucas horas. Ele usa como modelo larvas de moscas, que passam de uma única célula a um organismo funcional em apenas um dia. “Quando uma mosca põe um ovo, de forma surpreendente, a pequena larva consegue se mover sozinha apenas 24 horas depois”, explicou. Segundo o físico, o processo começa ainda mais cedo: “se você observar três horas depois de o ovo ser colocado, se souber como olhar, você já consegue ver uma espécie de plano básico da estrutura do corpo sendo escrito”.

O objetivo de Bialek e seus companheiros de pesquisa é medir quanta informação está envolvida nas decisões celulares e por que a evolução favoreceu sistemas que reproduzem estruturas sempre com a mesma precisão. Esse grau de organização extrema, observa, é o que mais desafia a física. “Porque muitas vezes pensamos que a biologia é meio bagunçada e complicada. Mas então vemos esses comportamentos extremamente definidos e ‘limpos’”, ressaltou, concluindo que: “Não seria surpreendente se fosse bagunçado. O surpreendente é que seja tão preciso”. 

Novas tecnologias e limites

Embora parte da pesquisa em física biológica pareça abstrata, William Bialek destacou que seus efeitos são vistos cotidianamente. Um exemplo é a evolução dos exames médicos por imagem. “Dentro dessa caixa há um dispositivo que os físicos desenvolveram para fazer experimentos com raios-X uma geração atrás”, explicou, ao comentar a substituição dos antigos filmes fotográficos por detectores digitais usados hoje em hospitais. 

No campo da inteligência artificial, mencionou o AlphaFold, sistema capaz de prever a estrutura de proteínas a partir da composição química que ela possui. “Agora, você pode simplesmente perguntar ao AlphaFold qual será a estrutura dessa proteína, e provavelmente estará correto”, destacou. Para o físico, essa capacidade de treinar redes neurais ou usar sistemas de IA pré-treinados para analisar dados também muda o tipo de pergunta que os cientistas podem fazer. 

Apesar disso e mesmo com as vantagens, fez um alerta: automatizar tarefas não equivale a produzir compreensão científica. “O fato de eu conseguir fazer um sistema de inteligência artificial fazer algo por mim significa que eu entendo o que está acontecendo? E acho que a resposta curta é: não”, declarou. 

Horizontes

Com entusiasmo evidente, Bialek acredita que a física biológica deve ganhar ainda mais espaço nas próximas décadas, não como substituta de outras áreas, mas como uma ponte entre diferentes tradições científicas. Ele observa que sua própria trajetória acompanha essa transformação ao pontuar que sua “vida científica acompanhou a transição do campo, que passou de algo meio indefinido, na fronteira entre física e biologia, para algo que hoje, pelo menos em parte, realmente parece fazer parte da física”.

A empolgação do pesquisador também aparece ao falar sobre as novas gerações. Segundo ele, o futuro da área depende não apenas de avanços tecnológicos, mas da formação de cientistas dispostos a enfrentar a complexidade e dialogar entre campos distintos. “Eu me sinto privilegiado porque nós continuamos a receber estudantes brilhantes, e eles acham isso empolgante”, disse. Esse interesse renovado, acredita, indica que a física biológica ainda tem um longo caminho de descobertas pela frente.

Escola em Física Biológica em Escalas

Com duas semanas de duração, a escola contou, além das aulas de William Bialek sobre a física estatística de redes biológicas, com aulas do professor Mauro Copelli (UFPE) sobre criticidade cerebral; de Patricia Bassereau (Instituto Curie, França) sobre biomembranas; de Christoph Weber (Universidade de Augsburg, Alemanha) sobre gotículas ativas na biologia celular; e de Juan Carlos Rocha (Centro de Resiliência de Estocolmo, Suécia) sobre transições críticas em ecossistemas. O evento reuniu 51 participantes entre estudantes de graduação, pós-graduação e pesquisadores de sete países dos continentes americano, asiático e europeu interessados em compreender transições de fase em sistemas vivos, de moléculas e organelas até organismos e ecossistemas. 

Sobre o ICTP-SAIFR

O Instituto Sul-Americano para Pesquisa Fundamental (ICTP-SAIFR) é um centro internacional na cidade de São Paulo criado por meio de uma colaboração entre o Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) na Itália, o IFT-Unesp e a Fapesp. Suas atividades incluem pesquisa em Física Teórica e suas aplicações, bem como escolas e workshops para alunos de pós-graduação e pesquisadores. O ICTP-SAIFR também promove divulgação científica e ações de extensão junto a professores e estudantes de Ensino Médio e público geral. Mais informações sobre os projetos desenvolvidos estão disponíveis no site ictp-saifr.org.