Química Prebiótica: a química da origem da vida

Fonte: Site Reação Química

Quem nunca se pegou pensando naquelas velhas questões existenciais: quem somos? de onde viemos? pra onde vamos? E por aí vai. Bem, não seria diferente que isso ocorresse entre químicos, vez ou outra. De fato, do ponto de vista científico, a química hoje em dia encara esse problema de frente, buscando respostas às mais intrigantes perguntas nesse eterno dilema.

Viemos de Marte, de uma outra galaxia? Ou somos todos daqui mesmo, do planeta azul? Não sabemos. Mas temos algumas evidências e hipóteses de como isso pode ter ocorrido. Vamos simplificar nossas discussões, a vida surgiu aqui mesmo, na Terra. Admitir a panspermia (hipótese segundo a qual a vida foi trazida de outro planeta e se disseminou na Terra) só leva o problema pra outro lugar, mas as perguntas continuam as mesmas.  Naquele período de formação da Terra, cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, nosso planeta era totalmente inóspito à vida como conhecemos, devido à intensa quantidade de radiação UV que entrava na atmosfera (não havia camada de ozônio e o oxigênio molecular ainda demoraria no mínimo uns dois bilhões de anos para aparecer por aqui), ao contínuo bombardeio de sua superfície por meteoros e meteoritos, às tempestades colossais que varriam o planeta, etc. Entretanto, alguns fósseis de estromatólitos mostram que a vida na Terra deve ter aparecido apenas ~800 milhões de anos após a formação de nosso planeta, ainda durante o processo de intensa atividade. Assim, a Terra primitiva não era tão esterilizante como pensamos, mas ainda sim a pergunta vem: como a vida surgiu nesse cenário nada agradável?

Basicamente, duas teorias tentam explicar como o processo de evolução molecular que conduziu ao aparecimento da vida em nosso planeta teria ocorrido: a sopa primordial de Oparin e Haldane e o mundo de ferro e enxofre de Wachtershauser. A primeira, muito famosa pelos experimentos de Stanley Miller, na década de 50 (duas décadas depois de lançada a sopa primordial), diz que biomoléculas essenciais à vida teriam se formado pela ação dos raios na primitiva atmosfera Terrestre. Essas moléculas seriam levadas ao oceano e então se acumulariam, formando finalmente, os chamados coacervados, as protocélulas que conduziriam ao surgimento da vida. Miller bombardeou eletricamente (reproduzindo raios) durante dias uma mistura inorgânica de gases (CH4, H2 e NH3) que simulavam a forte composição redutora da Terra primitiva, como apontavam os dados da época, na presença de água (oceano), e obteve uma mistura escura, contendo aminoácidos, encontrados nos seres vivos atuais. Apesar de hoje contestado devido a dados geológicos que mostram que a composição da atmosfera terrestre não seria tão redutora, mas levemente oxidante, o experimento de Miller deu o ponta pé inicial ao que hoje conhecemos como química prebiótica, o estudo das reações químicas que conduziram ou poderiam ter conduzido ao surgimento da vida em nosso planeta. Miller mostrou, sobretudo, que a ciência poderia sim abordar o problema do surgimento da vida na Terra, que até aquela época era assunto exclusivo do clero e no máximo, dos filósofos. A partir daí, a síntese prebiótica das mais diversas moléculas necessárias ao aparecimento da vida (aminoácidos, bases nitrogenadas, açucares, etc) foi obtida simulando as possíveis condições encontradas na Terra primitiva.

Em geral, alguns sistemas deveriam ter precedido as células atuais para que a vida surgisse por aqui: um sistema genético, capaz de armazenar informação e passá-la adiante para sua prole; um sistema metabólico, obtendo energia do meio e transformando em energia útil ao sistema para a síntese de novos blocos de construção celular, de forma a manter sua integridade; e um compartimento, cuja função principal é proteger a unidade celular de suas vizinhanças, quase sempre hostis.

Novamente, a evolução mostra que é mais esperta que nós

O chamado mundo do RNA, nome cunhado por Gilbert em 1986, foi proposto na década de 60 por Orgel, Crick e Woese, independentemente (baseado na sopa primordial). Ela aponta que o RNA deve ter precedido o DNA como molécula portadora de informação. A hipótese veio a partir da constatação de que o RNA além de portar informação química que pode ser guardada no tempo, tem propriedades auto-catalíticas, i.e. poderia catalisar sua própria reprodução. Essa hipótese permaneceu durante algum tempo em banho Maria, mas vêm produzindo grandes resultados. No mês de maio desse ano, a revista Nature publicou um estudo de um grupo britânico, encabeçado por John D. Sutherland, mostrando a síntese prebiótica de RNA, resultado há muito perseguido. O grupo britânico fugiu dos preceitos vigentes de que os blocos que formam o RNA, os nucleotídeos, teriam se formado separadamente, e só depois se combinariam formando o ácido nucléico. Os autores prepararam um “caldo primordial” e encontraram um precursor, o amido-oxazol, que porta C, N e O, que então reage com outros hidrocarbonetos mais simples que aparecem improdutivamente na mistura. Como se não bastasse, o grupo descobriu que se a mesma reação fosse conduzida na presença de radiação UV (cuja energia degrada continuamente biomoléculas) somente os ribonucleotideos contendo piridina sobreviviam ao processo. A radiação UV atua como um agente de seleção molecular, sobrevivendo apenas às moléculas mais aptas, existentes nos seres vivos atuais. Novamente, a evolução mostra que é mais esperta que nós, como diria Orgel, rebatendo o eterno “blábláblá” criacionista.

Em 1977, o submarino Alvin vasculhou o fundo oceânico nas ilhas Galapagos e encontrou uma região com ventos hidrotermais, ricos em sulfetos metálicos e ácido sulfídrico, com gradientes de pH e temperatura. Nesse ambiente (um verdadeiro berço de podridão), criaturas desconhecidas foram encontradas em um ambiente muito longe dos raios solares. Qual não foi a surpresa ao se descobrir que essas criaturas tinham um sistema metabólico baseado exclusivamente em ferro e enxofre? Para Gunter Wachtershauser (um advogado alemão com doutorado em química orgânica; isso sim é multidisciplinaridade!) foi só o motor propulsor para uma nova visão de origem da vida. Ele propôs teoricamente, em 1988, que a superfície de alguns minerais poderia fornecer a energia necessária para que a evolução molecular ocorresse, um metabolismo quimioautotrófico primitivo de superfície, sugerindo a superfície da pirita (FeS2) como um provável candidato. Assim, sulfetos de Fe seriam capazes de fixar CO2, favorecendo reações de oxi-redução na presença de ácido sul fídrico, conduzindo a formação de pirita e moléculas orgânicas. À partir daí, os monômeros orgânicos ancorados na superfície mineral poderiam evoluir quimicamente, imitando o ciclo da acetil-CoA, totalmente baseado em enxofre. Passado o tempo, esse organismo bi-dimensional formado, seria liberado da superfície e evoluiria independente. A hipótese do mundo de Fe-S, autotrófica, destaca-se por ser uma alternativa a hipótese da sopa primordial, heterotrófica (alvo de críticas pela comunidade científica devida à abundância de biomoléculas, que nunca teria ocorrido). Apenas dois anos após sua publicação teórica, diversos resultados experimentais começaram a aparecer e continuam aparecendo até hoje, mostrando que Wachtershauser estava no caminho correto.

Qualquer sistema químico formado no oceano primitivo deveria ser protegido das vizinhanças hostis. Os sistemas genéticos e metabólicos para serem totalmente operacionais exigem a condição de encapsulamento. Alguns cientistas, dado o fato experimental de que algumas moléculas formam aglomerados e vesículas espontaneamente, alegam que a celularização poderia ter ocorrido logo nas etapas iniciais da evolução molecular. Entretanto a visão contrária também é aceita por muitos, dados os empecilhos que uma encapsulação precoce poderia ter conduzido. Obviamente, as vantagens e desvantagens desse processo devem ser colocadas na balança, mas a constatação de que nas células atuais impera a encapsulação nos leva a uma única dúvida: que momento esse processo “vantajoso” ocorreu? Não sabemos. Entre as diversas funções do encapsulamento, podemos destacar a construção das defesas externas, onde a mureína (uma molécula de açúcar de peptídeos curtos) desempenha um papel de destaque; entrada e saída de substâncias, captando alimentos do exterior e excretando os resíduos, cujo mecanismo mais simples parece ter sido por meio de poros, e cuja evolução foi dos simples furos na superfície lipídica (mantidos abertos pela ação de proteínas), passando pelas roletas moleculares (que realizavam a admissão específica de certos componentes), até o moderno transporte ativo (capaz de realizar o fluxo de duplo-sentido de substâncias, ligado a uma fonte de energia, a quebra do ATP por exemplo); a divisão celular, afim transmitir as mutações vantajosas e evitar o aumento excessivo do tamanho celular. Fato é que as membranas acabaram se tornando verdadeiras máquinas, sendo responsáveis pela motilidade, digestão e até pelo sexo, que através do desenvolvimento dos chamados pili (pêlos em latim) se tornou uma das mais poderosas forças de diversificação. O sexo funcionava assim: as células que possuíam pili sexuais (machos) usavam tais filamentos como uma espécie de pênis molecular para copular com aquelas células que não possuíam (fêmeas) e assim trocavam material genético. Essa foi a última aquisição das superfícies celulares.

... acima de tudo há um problema químico a ser resolvido...

Depois dessa análise superficial dos diversos sistemas necessários à vida (tal qual a conhecemos), vemos que o suporte experimental para as diversas teorias está se completando, mas isso não significa que estamos próximos da explicação da origem da vida. Mas não tenhamos dúvidas, estamos caminhando ao encontro dela. E a química vem fazendo sua parte dentro desse cenário. Seja por uma síntese aqui ou uma hipótese alí, estamos encontrando respostas que lentamente estreitam o rol de possibilidades e trazem o problema para mais perto de nós. Ainda que quase sempre deixada aos biólogos pela imensa maioria dos químicos, a origem da vida é um problema multidisciplinar, como mostra esta pequena lista de laureados com prêmio Nobel: S. Arrhenius, M. Calvin, F. H. Crick, C. de Duve, M. Eigen, W. Gilbert, J. Monod, E. Schroedinger, H. Urey, e G. Wald, entre outros. Portanto, sempre que ouvir falar em origem da vida lembre que acima de tudo há um problema químico a ser resolvido, e se um dia será resolvido, provavelmente será por um químico ou terá um por perto.

Descobertas revolucionam conhecimento do cérebro

Fonte: Diário da Saúde

Plasticidade do conhecimento

Nosso cérebro não é mais aquele.

Pelo menos não é mais aquele que pensávamos que fosse.

Uma sequência de descobertas científicas, divulgadas ao longo das últimas semanas, está mudando a forma como o cérebro humano é visto e compreendido.

E, por decorrência, como devemos lidar com ele.

Você acha que o cérebro é dividido em áreas especializadas para processar cada um dos sentidos físicos? Você acredita que a dopamina seja o neurotransmissor do bem-estar? Você aprendeu que os neurônios comunicam-se em um sentido único? Então é melhor se atualizar.

 

Neurônios e axônios

Tudo começou quando Costas Anastassiou e seus colegas do Caltech (EUA) descobriram que os neurônios podem se comunicar diretamente à distância, usando campos elétricos e dispensando as sinapses.

Contudo, mesmo nas sinapses, a coisa é mais complicada do que se acreditava.

Os neurônios são complicados, é certo, mas seu conceito básico é o de que as sinapses transmitem sinais elétricos para os dendritos e o corpo celular (entrada), e os axônios passam os sinais adiante (saída).

Pelo menos isto é o que está nos livros-texto. Mas é melhor parar as máquinas e começar a reescrever os livros-texto.

Em um achado surpreendente, Nelson Spruston e seus colegas da Universidade Northwestern (EUA) descobriram agora que os axônios podem operar no sentido inverso: eles também podem enviar sinais para o corpo celular.

Ou seja, os axônios também conversam entre si.

E não apenas isso: antes de enviar os sinais na contra-mão, os axônios podem realizar suas próprias computações neurais, sem qualquer envolvimento do corpo celular ou dos dendritos.

Isto contraria frontalmente o modelo da comunicação neuronal adotado hoje, onde o axônio de um neurônio está em contato com o dendrito ou com o corpo celular de outro neurônio, e não com o axônio desse outro neurônio.

Ao contrário dos cálculos realizados nos dendritos, os cálculos que ocorrem nos axônios são milhares de vezes mais lentos - provavelmente um mecanismo para que os neurônios calculem coisas mais urgentes nos dendritos e usem os axônios para as coisas mais lentas.

O impacto da descoberta é direto e contundente: os cientistas precisam saber em detalhes como um neurônio normal funciona para descobrir o que está dando errado quando surgem doenças como epilepsia, autismo, Alzheimer ou condições como a esquizofrenia.

 

Áreas do cérebro

Amir Amedi e seus colegas da Universidade de Jerusalém estavam mais interessados em uma parte específica do cérebro, a parte responsável pela visão.

E suas descobertas questionam a atual paradigma das neurociências, que estabelece que o cérebro é dividido em zonas, cada uma responsável pelo processamento de sinais específicos.

Os cientistas descobriram que a parte do cérebro que se acredita ser responsável pela leitura visual - a parte do seu cérebro que está sendo acionada enquanto você lê este texto - nem mesmo precisa da visão.

Ao monitorar o cérebro de pessoas cegas enquanto elas liam textos em Braille, os cientistas verificaram que as imagens de ressonância revelam atividade exatamente na mesma parte do cérebro que é acionada quando leitores não-deficientes leem usando os olhos.

Mais uma alteração à vista para os livros-texto, uma vez que hoje é largamente aceita a noção de que o cérebro é dividido em regiões, cada uma especializada no processamento de informações vindas através de um determinado sentido - visão, tato, paladar etc.

"O cérebro não é uma máquina sensorial, embora muitas vezes ele se pareça com uma; ele é uma máquina de tarefas," propõe o Dr. Amedi, ainda sem se desvencilhar mecanicismo.

Segundo a proposta do pesquisador, cada área cérebro faria uma tarefa determinada, sem vinculação a um sentido específico. Assim, a área da leitura visual seria ativada esteja você lendo um livro com os olhos, um texto em Braille com os dedos ou mesmo relembrando o parágrafo de um texto que você está tentando decorar.

O Dr. Amedi aproveitou para dar uma espetada nas visões mais estreitas da evolução. Ao contrário de outras tarefas que o cérebro executa, a leitura é uma invenção recente, com pouco mais de 5.000 anos de idade. O Braille tem sido usado há menos de 200 anos.

"Isso não é tempo suficiente para que a evolução tenha moldado um módulo do cérebro dedicado à leitura," disse ele.

 

Centro de recompensas e dopamina

O trabalho de um grupo de cientistas da Universidade da Geórgia (EUA) e da Universidade Normal da China Oriental se concentrou em outra área do cérebro, o chamado centro de recompensas.

O centro de recompensas, juntamente com o neurotransmissor dopamina, tem sido usado pela neurociência e pela psiquiatria para explicar inúmeras condições em que o indivíduo se guia pela busca do prazer - entre eles vícios, dependência química e inúmeros comportamentos.

Mas parece que o centro de recompensas vai precisar de um outro nome.

Joe Tsien e seus colegas demonstraram que essa área do cérebro responde também às experiências ruins.

Esteja você comendo chocolate ou caindo de um prédio - ou mesmo pensando em uma dessas coisas - a dopamina será produzida do mesmo jeito.

Os cientistas estudaram os neurônios de dopamina na área tegmental ventral do cérebro de camundongos, amplamente pesquisada por seu papel na chamada motivação relacionada à recompensa - mais conhecida como dependência química.

Eles descobriram que essencialmente todas as células apresentaram alguma resposta tanto a experiências boas como a experiências ruins - na verdade, um evento que induz o medo disparou 25% dos neurônios, produzindo uma enxurrada de dopamina.

"Nós acreditávamos que a dopamina estivesse sempre envolvida na recompensa e no processamento de sensações de bem-estar," disse Tsien. "O que descobrimos é que os neurônios de dopamina também são estimulados e respondem a eventos negativos."

Cérebro que se constrói

Descobertas como estas podem impulsionar a compreensão do cérebro porque, munidos de descrições mais fiéis da realidade, os cientistas podem iniciar experimentos com resultados mais promissores.

O exemplo clássico é o da descoberta da plasticidade do cérebro. Por muito tempo se acreditou que o cérebro possuía um número fixo de neurônios, que só faziam morrer ao longo da vida, sem reposição.

A descoberta de que o cérebro é altamente adaptável levou a descobertas como a de que as mudanças no cérebro podem ser induzidas voluntariamente, dando sustentação a novas pesquisas na área de psicoterapia e meditação, entre outras, abrindo caminho para terapias não-medicamentosas de alta eficácia.

Mas há muito a se fazer. Apesar de continuar avançando no entendimento da "troca de dados" entre os neurônios, os cientistas ainda sabem pouco sobre a linguagem que o cérebro usa nesses dados - é como se conseguíssemos detectar os 0s e 1s dos computadores mas não soubéssemos como transformá-los em letras e números.

Matemáticos criam Tabela Periódica dos átomos geométricos

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Átomos geométricos

Matemáticos estão criando sua própria Tabela Periódica, uma coleção de formatos geométricos fundamentais, que não podem ser reduzidos a nada mais simples.

Os átomos geométricos são "formatos suaves", sem bordas ou cantos, lembrando mais esferas deformadas, podendo ser descritos em termos do seu "fluxo" - se um formato tem um padrão único de fluxo, então ele é um átomo; se não ele é uma molécula e pode ser decomposto em formatos mais simples.

Esses formatos simples, ou átomos geométricos, são conhecidos pelos matemáticos como variedades de Fano, em referência a Gino Fano, que descobriu nove formatos atômicos bidimensionais nos anos 1930. Na década de 1980 foram descobertos 102 formatos em três dimensões.

Mas ninguém antes havia organizado esses formatos fundamentais em grupos e nem avançado rumo a múltiplas dimensões. Um novo programa de computador criado pelos pesquisadores certamente facilitará esse trabalho daqui para frente.

Tabela Periódica de formatos

Esses átomos geométricos, à primeira vista, deverão produzir um número muito maior de "elementos matemáticos" do que a Tabela Periódica tradicional tem de elementos químicos.

Isso porque o objetivo dos cientistas é ambicioso: isolar todos os "possíveis formatos do universo" em três, quatro e cinco dimensões, interligando os formatos da mesma forma que os elementos químicos são reunidos em famílias.

"A Tabela Periódica é uma das ferramentas mais importantes na química. Ela lista os átomos com os quais tudo o mais é feito, e explica suas propriedades químicas," explica o professor Alessio Corti, que está trabalhando juntamente com matemáticos da Austrália, Japão e Rússia.

"Nosso trabalho pretende fazer o mesmo - criar um diretório que liste todos os blocos geométricos fundamentais e isole as propriedades de cada um usando equações relativamente simples," prossegue ele.

Eles ainda não sabem exatamente quantos átomos geométricos existem, embora calculem que provavelmente haverá uma quantidade deles grande demais para colocar em uma tabela ou mesmo em uma parede inteira.

Estima-se que haja algo em torno de 500 milhões de formatos que podem ser definidos algebricamente em quatro dimensões, que exigiriam alguns milhares de blocos fundamentais para serem construídos.

Novas dimensões da matemática

As equações são essenciais, uma vez que a maioria dos átomos geométricos não poderão ser "visualizados" no sentido comum, porque envolvem outras dimensões.

O universo descrito pela Teoria da Relatividade de Einsten, por exemplo, possui quatro dimensões - as três dimensões espaciais mais o tempo. A Teoria das Cordas, em sua versão conhecida como Teoria-M, propõe um universo com onze dimensões.

A Teoria das Cordas, aliás, desempenhou um papel fundamental neste trabalho, tendo permitido que os cientistas criassem o programa de computador capaz de decompor os formatos em átomos.

Como não podem ser visualizados diretamente, os cientistas fazem suas ilustrações fatiando os átomos geométricos - o processo inverso que os cientistas usam para montar as imagens do cérebro usando fatias capturadas pelos exames de tomografia.

Robótica e Teoria das Cordas

As implicações da pesquisa deverão ter impacto em inúmeras áreas.

Na robótica, por exemplo, é usada uma equação de cinco dimensões para instruir um robô a visualizar um objeto e então estender seu braço para pegá-lo.

No cálculo dos movimentos, quanto mais graus de liberdade o robô tiver - a quantidade de juntas em um braço robótico, por exemplo - maiores serão as dimensões necessárias para programar seu movimento.

Os físicos, por sua vez, precisam dessas equações para analisar os formatos das dimensões acima de quinta ordem para estudar como as partículas subatômicas interagem nesses multiversos.

Teoria química das formas

"Em nosso projeto, nós estamos procurando os blocos básicos das formas. Você pode pensar nesses blocos fundamentais como átomos, e pensar nos formatos compostos como moléculas," complementa o Dr. Tom Coates, membro da equipe.

"O próximo desafio é entender como as propriedades dos objetos maiores dependem dos átomos de que eles são formados. Em outras palavras, nós queremos construir uma teoria da química para as formas," conclui ele.

Qual é o futuro da Teoria das Supercordas?

Fonte: Site inovacao tecnologica

Revoluções teóricas

Desde sua origem no fim da década de 1960, a teoria das supercordas passou por inúmeras reviravoltas.

Em vários momentos ganhou novas interpretações, até se tornar a mais bem-sucedida resposta, até hoje, para um dos maiores desafios da física contemporânea: unificar a teoria da relatividade geral e a mecânica quântica.

Mas essa movimentada trajetória histórica está longe de chegar ao fim, segundo o físico norte-americano Edward Witten, do Instituto de Estudos Avançados da Universidade de Princeton.

Witten recebeu, em São Paulo, o título de doutor honoris causa da Universidade Estadual Paulista (Unesp).

Para Witten, que é considerado um dos mais importantes físicos teóricos da atualidade, a teoria das supercordas deverá ganhar novas interpretações no futuro, adquirindo dimensões - e consequências teóricas - que ainda são completamente imprevisíveis.

"A teoria das supercordas alcançou um nível de desenvolvimento que, em cada um de seus estágios anteriores, ninguém jamais poderia conceber. Mas o processo de compreender o que realmente significa a teoria das supercordas ainda tem um longo caminho pela frente. Acredito que não estamos nada próximos de ver o fim desse caminho", disse.

Teoria das supercordas e Teoria-M

Desenvolvida a partir do fim da década de 1960, a teoria das supercordas é um modelo físico no qual os componentes fundamentais da matéria não são os pontos sem dimensão que caracterizam as partículas subatômicas na física tradicional, mas objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda.

Dependendo do "tom" da vibração dessas cordas, elas corresponderiam a cada partícula subatômica.

Witten é o criador da Teoria-M, que unifica as cinco diferentes teorias das supercordas existentes anteriormente.

O termo foi cunhado pelo cientista em 1995 e desencadeou a chamada "segunda revolução das supercordas".

A Teoria-M determina que a matéria é formada por membranas e que o universo flui através de 11 dimensões: o tempo, a altura, a largura, o comprimento e mais sete dimensões "recurvadas", com outras propriedades - veja Descoberta solução matemática para outras dimensões.

Interações subatômicas

De acordo com Witten, o processo de mudanças de interpretação que deu novos significados à teoria das supercordas, aumentando sua importância ao longo do tempo, está longe de terminar. "Ainda não podemos nem conceber o fim dessa jornada", disse.

Os físicos consideram que a origem da teoria das supercordas remonta à formulação da Amplitude de Veneziano. A descoberta, realizada em 1968 pelo italiano Gabriele Veneziano, sugeria que a amplitude de espalhamento explicava propriedades físicas, como a simetria e a dualidade, da interação forte entre as partículas subatômicas denominadas mésons.

"Só me envolvi com a teoria das supercordas no fim da década de 1970, por isso não sei o que teria pensado sobre essa descoberta na época. Mas, olhando retroativamente, acho surpreendente que essa pequena fórmula tenha-se tornado o ponto inicial de algo tão significativo", afirmou Witten.

Segundo ele, a proliferação de ressonâncias das partículas subatômicas, ou hádrons, levavam os físicos ao desespero quando tentavam descrever as interações fortes entre elas. "A descoberta de Veneziano sugeria que, se havia tantas ressonâncias de partículas, o espalhamento ressonante poderia ter um papel importante na interação dos hádrons", explicou.

A partir daí, segundo ele, desenvolveu-se a ideia de que um méson é uma pequena corda com cargas em suas extremidades. "As ressonâncias dos mésons, que correspondem aos pólos da amplitude de Veneziano, seriam estados vibratórios dessas cordas", disse Witten.

Diferentes níveis de visualização da matéria: 1) cristal; 2) estrutura molecular (átomos); 3) Átomo (prótons, nêutrons e elétrons); 4) Elétron; 5) Quarks; 6) Cordas. [Imagem: MissMJ/Wikimedia]

Gravitação quântica

No entanto, a amplitude de Veneziano gerou descrições das interações fortes entre partículas que são corretas apenas do ponto de vista quantitativo. Outras descrições melhores surgiram e, por alguns anos, a teoria das supercordas ficou no ostracismo.

"Desenvolvimentos posteriores mostraram que o aparente fracasso da teoria das supercordas para explicar as interações fortes não era definitivo. As outras descrições melhores aparentemente eram equivalentes a uma parte ainda não descoberta da teoria das supercordas", afirmou Witten.

O principal motivo para a sobrevivência da teoria, no entanto, é que, se ela era insuficiente para explicar as interações fortes, havia um outro problema da física para o qual ela estava correta: a gravitação quântica.

"A mecânica quântica e a gravidade existem no mundo real e, por isso, precisamos de uma teoria da gravitação quântica. Mas ela não pode ser compreendida com os algoritmos convencionais. A teoria das supercordas tinha as características para isso", disse.

Depois da formulação da Amplitude de Veneziano, segundo Witten, descobriu-se que a teoria era incompatível com a massa que se atribuía às partículas.

Alguns físicos, então, foram ousados o suficiente para propor que a teoria das supercordas havia sido mal interpretada: as cordas eram muito menores do que se havia imaginado e descreviam a gravitação quântica.

"Com isso, a teoria foi conduzida novamente para uma nova direção que não poderia ter sido prevista antes", disse.

Supersimetria e supergravidade e membranas

Esse processo de transformação continuou ao longo dos anos e uma das consequências desse desenvolvimento foi perturbadora: a teoria estabelecia que o Universo deveria ter dez dimensões espaciais, além do tempo.

"Isso deve ter parecido uma piada, na época. Mas, quando a teoria foi reinterpretada como uma candidata para unificar todas as teorias de partículas e forças elementares, as dimensões extras deram abertura para que se derivasse toda a complexidade do mundo real a partir de um ponto inicial", disse Witten.

Os físicos descobriram então a supersimetria, descoberta que o norte-americano considera como a principal contribuição que a teoria das supercordas trouxe para prever tudo de novo que pode ser descoberto na física de partículas.

"A supersimetria levou ao tema extraordinariamente rico da supergravidade - que é a consequência da supersimetria ao descrever a gravidade. A supersimetria e a supergravidade são na verdade o topo de um iceberg muito maior: a teoria das supercordas se baseia em um novo tipo de geometria que nós ainda não entendemos", afirmou.

De alguma maneira, segundo Witten, existe um novo tipo de geometria que não permite que se fale de "pontos" ou "linhas" no espaço-tempo, mas na qual se pode falar de superfícies mínimas quânticas.

"Depois disso, alguns físicos começaram a se perguntar: por que parar nas cordas? Por que não membranas? Havia uma boa resposta para isso: as cordas funcionam melhor que as membranas por causa das propriedades únicas dos números complexos. Mas, agora, sabemos que as membranas e os objetos de maior dimensão não são parte de uma teoria alternativa. São, de fato, parte da teoria das supercordas", afirmou.

Dualidade eletromagnética

Enquanto isso, outra ideia era desenvolvida para desafiar os paradigmas então estabelecidos pela teoria das supercordas: a dualidade eletromagnética. Em meados da década de 1990, várias pistas sugeriam que a simetria entre os campos elétricos e magnéticos tinha importância estrutural para a teoria das supercordas.

"A implicação mais direta era o fato de que a dualidade eletromagnética é importante na supergravidade. As várias vertentes - como as membranas e a dualidade eletromagnética - foram integradas na metade da década de 1990, gerando um novo paradigma", ressaltou.

A partir daí, a teoria só pode ser compreendida em termos de mecânica quântica. "Mas ela não podia ter apenas uma 'roupagem quântica'. Para entendê-la, seria preciso, de certa forma, que ela desse uma nova interpretação do que significa a mecânica quântica", disse.

Sendo assim, de acordo com Witten, chegou-se a um novo paradigma: só havia uma teoria das supercordas e ela se tornara a única candidata à superunificação das leis da natureza.

"Na década de 1990, a visão predominante sobre o que significa a teoria das supercordas e sobre como se pode tentar entendê-la foi, mais uma vez, imensamente amplificada. Podemos perguntar: o que vem agora? Qual a próxima grande mudança de perspectiva? Difícil saber. Talvez já tenha havido, na última década, mais uma mudança de interpretação na teoria, mas é difícil identificá-la sem o devido distanciamento", disse.

Cientistas da USP produzem biodiesel da borra de café

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Reciclagem do café

Cientistas da USP demonstraram que é possível usar a borra de café - o que resta do café em pó depois que ele é coado - para a produção de biodiesel.

O processo consiste em extrair um óleo essencial da borra de café. Este óleo mostrou ser uma matéria-prima viável para a produção do biodiesel.

A produção do biocombustível a partir do resíduo foi testada pela química Denise Moreira dos Santos, em escala laboratorial.

O estudo concluiu que a técnica é adequada para a produção do biodiesel em pequenas comunidades, para o abastecimento de tratores e máquinas agrícolas, por exemplo.

"No Brasil, há um grande consumo de café, calculado em 2 a 3 xícaras diárias por habitante, por isso a produção de resíduo é intensa em bares, restaurantes, casas comerciais e residências

Óleo essencial

"O óleo essencial, responsável pelo aroma do café, já é utilizado em química fina, mas sua extração diretamente de grãos de alta qualidade é muito cara", conta a professora.

A borra do café também contém óleos essenciais, que podem contaminar o solo quando o resíduo é descartado no meio ambiente.

O processo de obtenção do biodiesel é o mesmo adotado com outras matérias-primas.

"O óleo essencial é extraído da borra de café por meio da utilização de etanol como solvente," conta Denise. "Após a extração, o óleo é posto em contato com um catalisador alcalino, que realiza uma reação de tranesterificação com a qual se obtém o biodiesel."

As características dos ácidos graxos do óleo essencial do café são semelhantes aos da soja, embora estejam presentes em menor quantidade.

A partir de um quilo de borra de café é possível extrair até 100 mililitros de óleo, o que geraria cerca de 12 mililitros de biodiesel.

"No Brasil são consumidas aproximadamente 18 milhões de sacas de 60 quilos de café, num total de 1,08 milhões de toneladas, o que irá gerar uma quantidade considerável de resíduos," aponta a professora.

Pesquisa e educação

"Todo o experimento para obtenção de biodiesel foi realizado em escala laboratorial", explica Denise, que é professora do curso técnico de Química do Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza (CEETPS), em São Paulo. "O objetivo da pesquisa é mostrar aos alunos que é possível aproveitar um resíduo que é descartado no ambiente para a produção de energia".

Segundo a professora, a implantação do processo de produção do biocombustível em escala industrial dependeria de um trabalho de conscientização da população para não jogar fora a borra de café, que seria recolhida para extração do óleo.

"Sua utilização é indicada para pequenas comunidades agrícolas, que produziriam seu próprio biodiesel para movimentar máquinas", sugere.

Denise lembra que em algumas fazendas de café, a borra é armazenada no refrigerador para ser usada como fertilizante. "Entretanto, seu uso frequente pode fazer com que os óleos essenciais contaminem o solo", alerta. "O aproveitamento desse resíduo para gerar energia pode não ser uma solução mundial, mas está ao alcance de pequenas localidades".

Dados armazenados no mundo somam 295 exabytes

Fonte: IPNews

Pesquisa divulgada na última edição da Science calculou a quantidade de informação guardada em todo o globo.

A capacidade armazenada de informações já produzidas pela humanidade foi calculada por cientistas e o número é astronômico: 295 exabites. Um exabyte equivale a um bilhão de gigabytes. O estudo, publicado na edição de hoje (11) do Science Journal, calculou a quantidade de dados armazenados em todo o mundo até o ano de 2007.
“Se pegássemos toda essa informação e a colocássemos em livros, poderíamos cobrir todo o território americano com três camadas”, diz o Dr. Martin Hilbert, da Universidade do Sul da Califórnia. O mesmo volume de informações guardado em CDs criaria uma pilha capaz de alcançar a lua, dizem os pesquisadores.
O cálculo foi baseado na capacidade de 60 tipos de tecnologia, entre analógicas e digitais, produzidas no período entre 1986 e 2007. Eles consideraram tudo, de discos rígidos aos obsoletos disquetes, de chapas de raio-x até microchips e cartões de crédito.
A pesquisa cobre duas décadas intituladas como “revolução da informação”, na qual a sociedade humana passou à era digital. No ano 2000, 75% da informação estava em meios analógicos, como vídeo cassetes. Sete anos depois, 94% correspondiam a meios digitais.
“Antes houve outras revoluções”, diz Hilbert. “O carro mudou a sociedade completamente, assim como a eletricidade. A cada 40, 50 ou 60 anos alguma tecnologia evolui mais rápido que as demais. Agora é a vez da informação”.
Outros resultados da pesquisa global mostram que no mesmo período foram transmitidos por radiodifusão cerca de dois zettabytes de dados (um zettabyte equivale a mil exabytes). É o equivalente a 175 jornais impressos por pessoa no mundo, por dia.
Estes números podem parecer exagerados, mas não são anda perto da capacidade de processamento de informação e armazenamento da natureza. “O DNA humano em um único indivíduo pode conter 300 vezes mais informação que todos os nossos dispositivos tecnológicos”, diz o Hilbert.

Descoberto novo estado quântico da água

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Água e vida

Água e vida sempre combinaram, desde as mais antigas mitologias até as mais recentes descobertas científicas.

E essas qualidades capazes de sustentar a vida parecem estar fundamentadas em um conjunto de propriedades que tornam a água uma substância única.

São nada menos do que 66 "anomalias" conhecidas, propriedades únicas da água, não vistas em nenhum outro líquido.

Por exemplo, o fato de que a água em estado sólido é menos densa do que em estado líquido e que sua densidade máxima ocorre aos 4 °C significa que os lagos congelam de cima para baixo, algo que foi vital para sustentação da vida durante as eras do gelo na Terra.

Ligação de hidrogênio

Agora, George Reiter e seus colegas da Universidade de Houston, nos Estados Unidos, afirmam que essas qualidades estranhas, mas cruciais para a vida, podem ser explicadas em certa medida pela mecânica quântica.

O grupo concentrou sua atenção em uma das esquisitices da água - a sua ligação de hidrogênio. A ligação de hidrogênio é a ligação entre as moléculas de água, que conectam um átomo de oxigênio de uma molécula ao átomo de hidrogênio de outra molécula.

A teoria mais aceita é a de que a ligação de hidrogênio da água seja um fenômeno eletrostático, ou seja, a água consistiria de moléculas individuais que se ligam por meio de cargas positivas (no hidrogênio) e negativas (no oxigênio).

Este modelo explica algumas características da água, como a sua estrutura.

Novo estado quântico da água

O que Reiter e seus colegas descobriram é que o modelo eletrostático não consegue prever as energias dos prótons individuais dentro das moléculas de água.

Eles fizeram medições extremamente sensíveis dos prótons em amostras muito pequenas de água - acondicionadas dentro de nanotubos de carbono de 1,6 nanômetro de diâmetro - e descobriram que esses prótons se comportam de forma muito diferente do que o fazem em amostras muito maiores.

A distribuição do momento dos prótons é fortemente dependente da temperatura, apresentando uma energia cinética 50% maior do que o previsto pelo modelo eletrostático em temperaturas baixas, e 20% maior a temperatura ambiente.

O modelo eletrostático dá previsões razoavelmente precisas apenas para a água em grande volume a temperatura ambiente.

Segundo os cientistas, isto é um indicativo de que os prótons existem em um estado quântico nunca antes observado - um estado que não é descrito pelo modelo eletrostático, com as ligações de hidrogênio formando o que é conhecido como "rede eletrônica conectada".

Células vivas e células a combustível

Segundo Reiter, esse novo estado quântico pode ser importante para a vida porque o comprimento dos nanotubos usados para confinar a água nos experimentos - cerca de 2 nanômetros - é mais ou menos semelhante às distâncias entre as estruturas no interior das células biológicas.

"Eu acho que a mecânica quântica dos prótons na água sempre exerceu um papel no desenvolvimento da vida celular, mas nós nunca havíamos notado isso antes," disse ele.

A descoberta também pode ter impactos tecnológicos, principalmente nas células a combustível. Nessas células, os fluidos têm de trafegar através de membranas ultrafinas, com poros nas dimensões estudadas neste experimento.

Um dos principais modelos de células a combustível em desenvolvimento é conhecida como PEM (Proton Exchange Membrane). Ou seja, a diferença de energia apresentada pelos prótons quando altamente confinados pode fazer a diferença no desempenho dessas células.

Bibliografia:
Evidence of a new quantum state of nano-confined water
G. F. Reiter, A.I. Kolesnikov, S. J. Paddison, P. M. Platzman, A.P. Moravsky, M. A. Adams, J. Mayers
arXiv
26 Jan 2011
http://arxiv.org/abs/1101.4994

Cientistas descobrem um novo nível de informação no DNA

Fonte: Diário da Saúde

Múltiplas informações no DNA

Em algumas raras ocasiões - cerca de 1% do tempo - o famoso formato helicoidal do DNA contorce-se até assumir um desenho diferente, sem perder a função.

"Nós descobrimos que a dupla hélice do DNA existe em uma forma alternativa durante um por cento do tempo e que esta forma alternativa é funcional," afirma Hashim Al-Hashemi, professor de química e biofísica da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

E isto pode ser mais importante do que parece à primeira vista: "Juntos, estes dados sugerem que há várias camadas de informação armazenadas no código genético," propõe o cientista.

As descobertas foram publicadas na revista Nature.

Formato do DNA

Já se sabe há algum tempo que a molécula de DNA pode dobrar e flexionar, de forma parecida com uma escada de corda, mantendo seus blocos fundamentais, chamados pares de base, perfeitamente emparelhados, como no modelo originalmente descrito por James Watson e Francis Crick, em 1953.

Agora, adaptando a tecnologia de ressonância magnética nuclear (RMN), o grupo de Al-Hashimi conseguiu observar formas alternativas transitórias.

Nessas metamorfoses, alguns degraus da escada se separam e remontam em estruturas estáveis diferentes da estrutura de pares de base proposta pelo modelo de Watson-Crick.

"Usando a RMN, fomos capazes de acessar os deslocamentos químicos desta forma alternativa," diz Evgenia Nikolova, que fez os experimentos. "Estas mudanças químicas são como impressões digitais que nos dizem algo sobre a estrutura."

Pares de base Hoogsteen

Por meio de uma análise cuidadosa, Nikolova percebeu que as "impressões digitais" eram típicas de uma orientação na qual certas bases são giradas em 180 graus.

"É como pegar metade do degrau e virá-lo de cabeça para baixo, de forma que a outra face agora aponta para cima," complementa Al-Hashimi. "Se você fizer isso, você ainda pode recolocar as duas metades do degrau juntas novamente, mas agora o que você tem não é mais um par de bases de Watson-Crick, é algo chamado um par de base Hoogsteen".

Pares de bases Hoogsteen já foram observados em DNA de fita dupla, mas somente quando a molécula se liga a proteínas ou drogas, ou quando o DNA está danificado.

DNA excitado

O novo estudo mostra que, mesmo em circunstâncias normais, sem nenhuma influência externa, determinadas seções do DNA tendem a se transformar brevemente na estrutura alternativa, chamada de "estado excitado".

Estudos anteriores da estrutura do DNA usavam essencialmente técnicas como raios X e ressonância convencional, que não conseguem detectar essas mudanças estruturais raras e fugazes.

Segundo Al-Hashimi, como se acredita que as interações críticas entre o DNA e as proteínas são dirigidas tanto pela sequência de bases, como pela flexão da molécula, esses estados excitados representam um novo nível de informações contidas no código genético.

Cientistas criam uma mola-écula

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Este pode ser o primeiro caso de criação de um objeto molecular, uma estrutura funcional formada por uma única molécula, com possibilidade de aplicação em computadores moleculares.[Imagem: iStockphoto/Kronick]

Objetos moleculares

Cientistas japoneses criaram moléculas em espiral que funcionam como uma mola, alternando entre a posição de "comprimida" e "liberada" quando submetidas a um sinal eletroquímico.

Este pode ser o primeiro caso de criação de um objeto molecular, uma estrutura funcional formada por uma única molécula.

Recentemente, pesquisadores suíços criaram a maior molécula sintética já fabricada, mas que ainda não constituía uma unidade funcional por si só - portanto, não é um objeto molecular.

A descoberta do grupo japonês demonstra diretamente a possibilidade da criação de chaves eletroquímicas formadas por moléculas individuais.

E, indiretamente, é um dos primeiros exemplos de uma das maiores promessas da nanotecnologia, a criação de objetos de baixo para cima, usando átomos e moléculas individuais.

Mola molecular

O grau de torção das estruturas helicoidais naturais, como a dupla hélice do DNA, desempenha um papel essencial em muitas funções biológicas importantes.

Devido à sua arquitetura torcida, as estruturas helicoidais artificiais podem facilitar a separação e a síntese de compostos quirais - moléculas assimétricas que não podem ser sobrepostas com sua imagem espelhada. Estas chamadas moléculas canhotas têm grande importância na área bioquímica, sobretudo no desenvolvimento de fármacos.

Eisuke Ohta e seus colegas do Instituto Riken criaram oligômeros, pequenas cadeias de polímero em formato de mola, a partir de compostos orgânicos chamados o-fenilenos.

Esses oligômeros são formados por anéis de benzeno que se conectam uns aos outros em um ângulo agudo, o que dá origem à sua estrutura helicoidal, em formato de mola.

Os cientistas afirmam que suas "mola-éculas" poderão em breve servir como máquinas moleculares, para aplicação em computadores moleculares.

Computadores moleculares

Muitos pesquisadores têm estudado moléculas que alteram suas características - tais como cor, luminescência e modo de agregação - quando expostas a estímulos externos.

Mas as alterações na rigidez demonstradas pela "mola-écula" é algo inédito e pode abrir as portas para novos tipos de chaves e mecanismos moleculares.

Os estados de longa duração se assemelham aos 0s e 1s do código binário, tornando-os adequados para o armazenamento de dados moleculares. [Imagem: Eisuke et al./Nature Chemistry]

Ao purificar o material, os cientistas descobriram que as moléculas passavam por um "processo de quebra de simetria quiral", produzindo cristais que continham hélices para a esquerda e para a direita. Além disso, as molas mudam de lateralidade rapidamente quando em solução.

No entanto, a oxidação dessas estruturas retarda o processo de comutação entre os dois estados quirais, aumentando sua vida útil.

Esses estados de longa duração se assemelham aos 0s e 1s do código binário, tornando-os adequados para o armazenamento de dados moleculares, cuja gravação pode ser feita opticamente.

É tudo muito novo, e os cientistas afirmam que o próximo passo é descobrir as propriedades físicas e químicas desses oligômeros. "Agora, nós queremos desvendar essas propriedades," disse Ohta.

Só então será possível começar a explorar suas aplicações práticas.

Bibliografia:
Redox-responsive molecular helices with highly condensed ?-clouds.
Ohta, Eisuke, Sato, H., Ando, S., Kosaka, A., Fukushima, Takanori, Hashizume, D., Yamasaki, M., Hasegawa, K., Muraoka, A., Ushiyama, H., Yamashita, K., Aida, Takuzo
Nature Chemistry
Vol.: 3, 68-73 (2011)
DOI: 10.1038/nchem.900

Molibdenita supera silício e grafeno na eletrônica

Fonte: Site Inovação Tecnológica

Sucessor do silício?

Seu nome é molibdenita e pouca gente na indústria eletrônica já havia prestado atenção nesse mineral barato e bastante abundante.

Agora, cientistas da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, descobriram que a molibdenita não apenas é um material semicondutor como também supera o silício por um estonteante fator de 100.000.

E, segundo eles, talvez seja melhor rever as apostas no grafeno como sucessor do silício: a molibdenita supera também a sensação da nanotecnologia no momento.

Molibdenita

Quimicamente, a molibdenita é um dissulfeto de molibdênio, criada pela união de dois átomos de enxofre e um de molibdênio - seu símbolo químico é MoS₂.

Abundante na natureza, este mineral tem sido usado em ligas de aço e como aditivo em lubrificantes. Isso porque suas características físicas e seu comportamento é muito similar ao do grafite, formado por folhas sobrepostas que se soltam facilmente.

Tanto que a "técnica" usada pelos cientistas para coletar sua folha monocamada de molibdenita foi a mesma que os ganhadores do Prêmio Nobel de Física usaram para coletar o grafeno: um pedaço de fita adesiva é pressionada sobre o cristal bruto do mineral e pronto - lá está o seu novo material revolucionário.

O grafeno tem sido estudado para inúmeras aplicações desde a sua descoberta, e os transistores de grafeno estão entre os mais rápidos do mundo - veja, por exemplo, Transístor de grafeno bate recorde mundial de velocidade.

Mas a molibdenita nunca havia sido estudada em detalhes com vistas a aplicações em eletrônica.

100.000 vezes melhor do que o silício

"[A molibdenita] é um material bidimensional, muito fino e fácil de usar em nanotecnologia. Ele tem potencial real para a fabricação de transistores muito pequenos, diodos emissores de luz (LEDs) e células solares," afirmou Andras Kis, um dos autores da descoberta.

O grupo comparou as vantagens desse "material redescoberto" com o silício, o material padrão da eletrônica, e com o promissor grafeno.

Uma das vantagens da molibdenita é que ela é menos volumosa do que o silício: "Em uma folha com 0,65 nanômetro de espessura de MoS2, os elétrons podem se mover tão facilmente quanto em uma folha de silício de 2 nanômetros de espessura," explica Kis.

Segundo ele, atualmente não é possível fabricar uma folha de silício tão fina quanto uma monocamada de MoS2.

Outra vantagem da molibdenita é que ela pode ser usada para fabricar transistores que consomem 100.000 vezes menos energia do que os transistores atuais de silício - um cálculo feito quando os dois estão energizados, mas em estado de espera.

Este é um cristal de molibdenita, onde se pode observar sua estrutura em forma de camadas sobrepostas e facilmente destacáveis. [Imagem: Karelj/Wikipedia]

Melhor do que o grafeno

Finalmente, a chamada bandgap - a diferença de energia entre os elétrons da camada de condução e da camada de valência - da molibdenita é de meros 1,8 elétron-volt, o que a torna ideal para uso em transistores.

Esse hiato entre as camadas, ou bandas, é uma forma que os físicos usam para representar a energia dos elétrons em um determinado material. Os semicondutores possuem espaços "vazios", sem elétrons, entre essas bandas - estes são os chamados hiatos de banda, ou bandgaps.

A largura desse hiato é crítica para o desempenho de um material semicondutor porque, se ela não for nem muito estreita e nem muito larga, alguns elétrons podem saltar sobre ela.

Isso dá um grande nível de controle sobre o comportamento elétrico do material, que pode ser ligado e desligado mais fácil e mais rapidamente. Esse ligar e desligar resulta na chamada velocidade de chaveamento do transístor - quanto mais veloz, mais rápidos serão os chips construídos com eles.

E é aí que a molibdenita supera o grafeno.

Apesar de ter propriedades suficientes para ser considerado pela maioria dos cientistas como o material eletrônico do futuro, o grafeno não possui uma "bandgap", sendo necessário usar alguns truques para fazê-lo operar em níveis interessantes para a eletrônica - veja Semicondutor ajustável abre novas fronteiras na eletrônica.

Transístor de molibdenita

O transístor de molibdenita construído pelos pesquisadores nasceu quando a fita adesiva que coletou o novo material foi pressionada sobre uma pastilha de silício dopada com uma camada de 270 nanômetros de SiO2.

O nanotransístor também utiliza uma camada de 30 nanômetros de óxido de háfnio, um material de elevada constante dielétrica (high-k) que tem-se tornado o "ingrediente milagroso" dos transistores mais modernos.

Bibliografia:
Single-layer MoS2 transistors
B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis
Nature Nanotechnology
30 January 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nnano.2010.279