sexta-feira, 19 de janeiro de 2007

Admirável pequeno mundo

Coluna Física sem mistério
Publicada no Ciência Hoje On-line
19/01/2007


Nosso cotidiano está cercado de objetos e materiais obtidos das mais diversas formas. Com o passar do tempo descobriu-se como modificar os encontrados na natureza e produzir novos. Os materiais metálicos, cerâmicos, poliméricos, entre outros, facilitam muito a nossa vida. Imagine, por exemplo, como seria o mundo sem os plásticos (que são materiais poliméricos) ou o aço, utilizados em uma infinidade de aplicações.

A capacidade de produzir novos materiais remonta a tempos muito distantes. Na Idade do Bronze, há 5.300 anos, iniciou-se a produção dessa liga metálica, constituída de cobre e estanho. A partir da descoberta desse novo material, foi possível desenvolver ferramentas, armas, estátuas etc. Dois elementos de características distintas quando isolados adquirem novas propriedades quando são misturados. Na grande maioria dos materiais é isso que acontece. A mistura vai além das partes individuais.

Atualmente existe uma infinidade de ligas metálicas com as mais diversas aplicações. O aço, por exemplo, é uma liga de ferro que chega a ter mais de uma dezena de outros elementos, empregada nos mais diferentes ramos, principalmente por causa da sua resistência mecânica e da sua facilidade de ser fabricado. Outras ligas, baseadas em titânio, são utilizadas na fabricação de próteses para diversas partes do corpo, como por exemplo o joelho ou o fêmur.

Os polímeros formam outra classe interessante de materiais. Esses compostos orgânicos são formados a partir da ligação de várias unidades menores – pequenas estruturas moleculares à base de carbono chamadas de monômeros. Esse tipo de estrutura molecular confere grande maleabilidade a esses compostos e permite transformá-los facilmente por meio da utilização de calor e pressão.

Compostos onipresentes
Os polímeros têm aplicações ilimitadas e estão presentes em praticamente tudo que utilizamos, como recipientes e embalagens plásticas, painéis de automóveis, teclados de computadores etc. Como esses compostos têm pequena densidade (a razão entre a massa e o volume) comparada com a dos metais, eles permitem a obtenção de produtos leves.

Uma classe específica desses materiais tem propriedades inusitadas. Os chamados polímeros condutores são capazes de conduzir corrente elétrica, emitir luz e até apresentar propriedades magnéticas. Esse tipo de composto é empregado em muitos dos nossos aparelhos, como nas telas de alta resolução de câmeras e telefones celulares e até como desembaçador do espelho retrovisor de alguns automóveis.

As propriedades de qualquer material dependem da estrutura, ou seja, da forma como estão arranjados os átomos que o compõem. Vejamos o exemplo do carbono, presente em todas as células do nosso corpo e nos materiais poliméricos. Quando puro, ele assume diferentes características em função da sua disposição estrutural: ele pode se apresentar na forma de diamantes, duros e brilhantes, ou como a grafita, mole e escura, utilizada para fabricar a grafite do lápis.

Em um arranjo mais complexo, com 60 átomos de carbono, se obtém uma estrutura de carbono conhecida como buckyball , que apresenta propriedades absolutamente distintas das de outras formas de carbono. Em particular, essa estrutura permite produzir nanotubos que já são aplicados em diversas áreas, como na óptica e na eletrônica.

Um dos grandes desafios da ciência atual é compreender completamente os processos que atuam na combinação e no arranjo dos átomos para se obter novos fenômenos e materiais. Em particular, há um grande empenho na pesquisa e no desenvolvimento de materiais na escala de até 100 nanômetros (1 nanômetro é um bilionésimo de um metro). Esse é o terreno da nanociência e da nanotecnologia.

Realidade e ficção
Há 40 anos, a idéia de produzir um material átomo por átomo pareceria ficção científica. Em dezembro de 1959, um dos mais importantes físicos do século 20, o americano Richard Feynman (1918-1988), sugeriu que seria possível ter toda a informação contida na Encyclopaedia Britannica na cabeça de um alfinete com cerca de 1,5 milímetro de diâmetro. Dessa forma, se fosse possível reduzir 25 mil vezes o tamanho das páginas, poderíamos guardar todo esse conhecimento na área ocupada pela cabeça de um alfinete. Para tanto, seria necessário que cada caractere fosse escrito por 10 átomos. Embora essa seja uma escala muito pequena, ela ainda é factível de ser medida e, portanto, não há qualquer impedimento físico que exclua essa possibilidade.

A nanociência e a nanotecnologia são campos que ainda vão ser muito explorados, pois envolvem muitas áreas do conhecimento, como física, química, biologia etc. A manipulação de átomos permite tanto construir bilhões de dispositivos eletrônicos em um processador de computador quanto modificar a estrutura genética de uma célula. Talvez em um futuro não muito distante seja possível até construir máquinas nanométricas, compostas por apenas alguns átomos, que possam ser inseridas em nosso organismo para atacar vírus ou bactérias em nível molecular ou até para regenerar células danificadas. Previsões como essa, que soavam como ficção algum tempo atrás, talvez algum dia se realizem.

A cada dia, avança nossa compreensão sobre a produção de novos materiais. Da descoberta do bronze à invenção do chip de computador, passaram-se milhares de anos. Entretanto, os progressos nessa área são cada vez mais rápidos e os resultados mais imediatos. Esse pequeno e admirável mundo dos átomos ainda nos trará muitas surpresas. Talvez aí esteja um dos grandes atributos da humanidade: inventar o que ainda sequer foi imaginado.
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A coluna Física sem Mistério é publicada na terceira sexta-feira do mês pelo físico Adilson J. A. de Oliveira, professor da UFSCar

sábado, 13 de janeiro de 2007

Está no ar o novo número da Click Ciência


Estamos lançando o novo número da Click Ciência. A edição desse mês é sobre a origem da vida.
Vejam o Editorial desse mês.



A origem da vida é uma das questões que a ciência ainda não conseguiu desvendar. Esse tema tem ganhado uma singular importância nos últimos tempos por causa da polêmica que existe entre os defensores das idéias evolucionistas e criacionistas (que propõe que todas as formas de vida que existem na Terra foram criadas na forma atual e na evoluíram com o tempo), principalmente porque é uma questão que esbarra não somente na pesquisa científica, mas também nas crenças religiosas dos indivíduos, pois esse tema era tratado como domínio das religiões até o século 19. Nessa edição da Click Ciência não entramos nesta polêmica, entretanto discutimos alguns modelos que têm aceitação científica.

Na reportagem de abertura, Origem incerta, falamos um pouco sobre a formação da Terra e sobre o conceito de vida. Nela você descobrirá curiosidades como: porque é tão complicado estudar a origem da vida e quem são os seres mais antigos descobertos até hoje. Também conhecerá a teoria da Sopa Primordial, colocada em teste em 1953 e estudada até hoje.

Diversificação das espécies: uma receita complexa para entender é o título da reportagem onde descrevemos a complexidade existente na formação da vida desde a primeira molécula até o homem. A teoria mais abordada neste texto é a da evolução. Nele, citamos alguns dos processos que geraram as diversificações, como o de mutação. Mais tarde, percebe-se que a diversidade aumenta com o surgimento do homem. Descrevemos algumas curiosidades sobre determinadas espécies que foram desenvolvidas pelo processo de seleção artificial.

Na reportagem Cooperadores desde o início explicamos uma teoria que está entre os temas de estudo de um professor do Instituto de Física de São Carlos. Essa teoria defende a cooperação, e não apenas competição, como ingrediente fundamental para o surgimento da vida em seus estágios iniciais. O mesmo pesquisador nos explica, na reportagem Hiperciclos – uma cooperação entre moléculas, o funcionamento dos hiperciclos, um esquema ainda em estudo que tenta explicar o surgimento das primeiras moléculas da vida e sua diversificação. Nessa reportagem, infográficos são utilizados para melhor compreensão do que são os hiperciclos.

O biólogo Jerry Carvalho Borges, em Idéias sobre a origem, é o entrevistado deste mês. Ele nos fala sobre algumas teorias que existem a respeito da origem da vida, como as teorias da “panspermia” e da “hipótese da raridade na Terra”. Também nos fala sobre a possibilidade da existência de vidas em outros planetas e da importância, para a compreensão de nossa origem, de se explorar o espaço.

Nesta edição a seção Artigos conta com a participação de dois colaboradores. Carlos Alexandre Wuensche, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), e André Luiz Soares Varella, integrante do Grupo de Supercondutividade e Magnetismo (GSM).

Wuensche fala, em A Terra é um oásis cósmico?, sobre a origem das moléculas essenciais à vida e o surgimento desses elementos. Ele explica os motivos que fazem com que a simples existência desses elementos, que ele chama de os tijolos da vida, não impliquem no aparecimento da vida. Também nos fala sobre a vida em outros planetas e sobre os extremófilos, organismos que seriam capazes de sobreviver a grandes jornadas interestrelares. No artigo Vida no Sistema solar, Varella descreve o surgimento das estrelas, dos planetas e do Sistema Solar. Após relembrar a formação desse sistema, o autor faz uma reflexão quanto a vida na Terra.

A seção Colunistas conta com uma nova colaboração: Márcia Tait, jornalista e pesquisadora do Laboratório Aberto de Interatividade para Divulgação do Conhecimento Científico e Tecnológico (LabI), da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar). Em sua primeira coluna para a revista Click Ciência, intitulada Tecnociência: Espada do Peter Pan ou Vassoura de Bruxa?, ela descreve duas visões distintas em relação a ciência e a tecnologia (tecnociência). Uma vê a tecnociência como uma arma que pode ser usada para o bem ou para o mal. A outra entende a tecnociência como produto possível de ser utilizado apenas pelo seu “dono”; como uma “vassoura de bruxa”. O texto desperta nossa atenção para diferentes visões da ciência e tecnologia.

Adilson de Oliveira, colunista e editor desta revista, escreve esse mês sobre a como pode a vida pode se manter em um universo que tende a desorganização. Na sua coluna A complexidade da vida ele descreve como os organismos vivos vencem o seu embate constante contra a entropia.

Contato é o filme que recebe destaque na seção Resenhas. Nele a jornalista Samira Manfrinato descreve os temas centrais do filme, que tem relação com o tema desta edição: origem da vida. Ernesto Chaves Pereira, professor associado I, coordenador do NANOFAEL, do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos, é autor da resenha do livro A parte e o todo. A obra, do físico alemão Werner Heisenberg, revela momentos sociais e políticos da sua vida. Pereira também descreve alguns acontecimentos que ocorreram na vida de Heisenberg que lhe chamou a atenção.

A equipe Click Ciência espera, neste novo número, dar continuidade a sua proposta de divulgação científica. Esperamos sempre os seus comentários, críticas e sugestões. É com grande prazer que fazemos a nossa tarefa. Boa leitura!

A complexa ordem da vida



Coluna publicada na Click Ciência em 12/01/2007


A diversidade de formas de vida que o nosso planeta apresenta é algo impressionante. Formas de vida simples, como bactérias, são muito mais complexas do que qualquer outro dispositivo que o homem já criou. A quantidade de informações que existe no código genético das espécies mais primitivas é muito superior a de qualquer dispositivo que possamos imaginar. Equipamentos, máquinas, computadores, são frutos da inteligência humana. Os seres vivos, segundo as evidências científicas que temos até o momento, são resultados de inúmeras experiências feitas pela própria natureza ao longo de bilhões de anos.

Como puderam surgir estruturas organizadas e complexas como os seres vivos?

Para que se consiga organizar algo é necessário que se disponha de energia para tal. Não se produz nenhum equipamento ou estrutura mais complexa sem que se gaste energia. Entretanto, não se trata de qualquer tipo de energia. É necessário que ela tenha certa qualidade ou capacidade para realizar um trabalho útil. Quando qualquer processo químico ou físico acontece, a qualidade ou capacidade de realizar trabalho dessa energia é irremediavelmente perdida. Quanto mais complexo é o processo, mais energia ele demanda e mais qualidade ela deve ter. Toda transformação de energia tem um preço a pagar. Invariavelmente parte da energia é transformada em energia com baixa qualidade, como o calor, por exemplo.

Os seres vivos são o que chamamos de sistemas termodinâmicos abertos, ou seja, recebem energia do meio externo. Um organismo permanece vivo no seu estado altamente organizado ao importar energia de alta qualidade de fora de si mesmo. Por exemplo, as plantas se desenvolvem a partir da energia que elas captam da luz solar, realizando o processo de fotossíntese para transformar o gás carbônico em carboidratos. O subproduto desse processo é o oxigênio. Os animais, por sua vez, utilizam as plantas como fonte de energia, extraindo-a das ligações químicas, durante o processo de digestão.

Qualquer organismo quando privado das suas fontes de energia morre e rapidamente se degrada. Isso acontece porque na natureza há uma tendência de todos os sistemas, com o passar do tempo, se desorganizar. No nosso cotidiano percebemos que há uma tendência de tudo se deteriorar e se desarrumar espontaneamente.

A existência da ordem/desordem está relacionada com uma característica fundamental da natureza que denominamos entropia. A entropia está relacionada com a quantidade de informação necessária para caracterizar um sistema. Dessa forma, quanto maior a entropia, mais informações são necessárias para descrevermos o sistema.

A manutenção da vida é um embate constante contra a entropia. A luta contra a desorganização é travada a cada momento por nós. Desde o momento da nossa concepção, a partir da fecundação do óvulo pelo espermatozóide, o nosso organismo vai se desenvolvendo, ficando mais complexo. Partimos de uma única célula e chegamos à fase adulta tendo trilhões delas especializadas para determinadas funções. A vida é, de fato, um evento muito especial e, até o momento, sabemos que ela ocorreu em apenas um único lugar do Universo: o nosso planeta.

Entretanto, com o passar do tempo o nosso organismo não consegue mais vencer essa batalha. Começamos a sentir os efeitos do tempo e envelhecer. O nosso corpo já não consegue manter a pele com a mesma elasticidade, os cabelos caem e os nossos órgãos não funcionam mais adequadamente. Em um determinado momento, ocorre uma falha fatal e morremos. Como a manutenção da vida é uma luta pela organização, quando esta cessa, imediatamente o corpo começa a se deteriorar e rapidamente perde todas as características que levaram muitos anos para se estabelecer. As informações acumuladas ao longo de anos, registradas em nosso cérebro a partir de configurações específicas dos neurônios, serão perdidas e não poderão ser novamente recuperadas com a completa deterioração do nosso cérebro.

A vida para surgir, entretanto, necessita de certo grau de ordem. Não basta simplesmente misturarmos os elementos básicos (proteínas, aminoácidos, etc.) e esperarmos que apareça uma forma de vida. São necessárias as instruções para que cada parte se ordene de maneira adequada. Quem cumpre essa tarefa é a molécula de ácido desoxirribonucléico, ou DNA. A sua estrutura e a sua composição são como um alfabeto genético. Todas as formas de vida que conhecemos, como a bactéria, a formiga, a abelha, o tubarão, o milho, a rosa e o homem, utilizam o mesmo tipo de código. Essa é uma das evidências importantes da evolução. Todos os seres vivos, de alguma maneira, são parentes próximos, pois partilham da mesma química fundamental.

Para que ocorra a manutenção da vida é necessário importarmos energia do meio ambiente. Para perpetuarmos a vida é necessária a informação genética. Para evoluirmos é preciso que ocorra a diversidade, pois a partir dela é que as espécies se adaptam às transformações do ambiente. O fascínio que esse tema tende a provocar talvez venha da sua complexidade. Muitos desafios deverão ser superados para que possamos ter a completa compreensão desse incrível fenômeno.



Autor: Adilson J. A. de Oliveira é professor associado I do Departamento de Física (DF) da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), membro do Grupo de Supercondutividade e Magnetismo (GSM) do DF e do Núcleo de Excelência em Materiais Nanoestruturados Eletroquimicamente (Nanofael) e editor da revista digital Click Ciência