PRESIDENTE DA REPÚBLICALuiz Inácio Lula da Silva

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Vitae não compartilha necessariamente dos conceitos e opiniões expressos nes-te trabalho, que são da exclusiva responsabilidade dos autores. BRYSON, B. Uma breve historia de quase tudo

(Companhia das Letras, , , , , São Paulo, 2005)EL-HANI, C. N. e VIDEIRA, A. A. P. (org.)O que é vida? – Para entender a biologia do séculoXXI (Relume Dumará, Rio de Janeiro, 2000)HUNTER, G. K. Vital forces – The discoveryof the molecular basis of life(Academic Press, Nova York, 2000)

Sug

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ura PALHETA, F. C. e BRITO, L. P. Biofísica do corpo humano.

Disponível em www.ufpa.br/ccen/fisica/biofisica/index.htmlSCHRÖDINGER. E. O que é vida? (Editora Unesp,São Paulo, 1997)SILVA, S. C. da e GONZÁLEZ, F. H. D. Aulas virtuaisde bioquímica e biologia molecular (UFRGS).Disponível em www6.ufrgs.br/bioquimica/VOLKENSHTEIN, M. V. Biofísica (Mir, Moscou, 1985)

Sum

árioQ

uem nunca se perguntou a razão de existirmos? Afinal, se a tendência é

sempre aumentar a entropia ou a desordem no universo, como justificar o

aparecimento de sistemas ordenados e altamente complexos, que levaram à

criação de formas de vida tão diversas? Para muitos, isso só pode ser explicado pela

existência de uma força divina, acima da natureza e que tudo teria criado. Não cabe à

ciência discutir essa questão, mas tentar entender a natureza, os mecanismos e os

processos envolvidos na evolução do universo, que, partindo de um amontoado de

partículas elementares há cerca de 14 bilhões de anos, levaram à formação de estrelas,

planetas e, finalmente, ao surgimento de formas de vida altamente organizadas e com-

plexas que conhecemos hoje.

Nos últimos 50 anos, um grande progresso foi realizado no estudo dos seres vivos,

graças a técnicas que permitiram examinar os sistemas biológicos na escala atômica e

molecular, possibilitando entender os processos químicos e físicos que governam as

trocas dos sistemas biológicos com o mundo exterior. Desse cenário, surgiu uma nova

ciência, a biofísica, que atua na fronteira entre a biologia e a física.

É disso que vamos falar neste folder, fazendo uma reflexão sobre esse fascinante tema

que é a vida e os processos que a caracterizam.

João dos AnjosCOORDENADOR DO PROJETO DESAFIOS DA FÍSICA

A BIOLOGIA E A FÍSICAÉlan vital

Domínio da física

Dois enfoques

ENTROPIA E VIDATrocas com o meio

Ainda sem definição

Conceito revolucionário

Desordem máxima

Preto no branco

Flecha do tempo

EVOLUÇÃOPORSELEÇÃO NATURALSemelhante, mas não igual

ESCALAS DA BIOFÍSICADo molecular ao cosmológico

Micro, meso e macro

Instrumentos e equipamentos

COMPLEXIDADEQuatro átomos de ferro

Ferramentas paramacromoléculas

Canais de passagem

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BiofísicaDuas visões da vida

○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

O DNA E OCÓDIGO GENÉTICOMolécula da vida

Quatro bases

Pontes de hidrogênio

Hélices idênticas

Sutilezas desconhecidas

DETECTORES BIOLÓGICOSMigrar é preciso

Perguntas sem resposta

Otimizados pela natureza

NEURÔNIOSEspalhados pelo corpo

Substâncias liberadas

Computador biológico

APLICAÇÕESTécnicas, drogas e terapias

VIDA EXTRATERRESTREAlém da imaginação

Vida fora da Terra?

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

2006

A BIOLOGIA E A FÍSICAÉLAN VITAL • Uma das mais importantes desco-bertas da ciência moderna tem um aparente sa-bor de negação que, no entanto, introduziu umnovo desafio diante da perplexidade que a natu-reza oferece: não há substância vital ou elementoprimário que sejam particulares à vida. A procuradesse élan vital, que mobilizou muitos alquimis-tas, mostrou-se infrutífera. A vida é uma manifes-tação de uma forma sutil de organização de ele-mentos encontrados no mundo inorgânico.

DOMÍNIO DA FÍSICA • A vida é, portanto, organi-zação que possibilita processos de transforma-ção (metabólicos) e de reprodução. E, nesse sen-tido, ela é um assunto a ser tratado na escala mi-croscópica. Esse é, porém, o domínio da física, poisos fenômenos que acontecem nesse âmbito sãodominados por interações que fogem à nossa expe-riência cotidiana. Aí entra em cena a mecânicaquântica, teoria que descreve a natureza nas di-mensões moleculares, atômicas e subatômicas.No entanto, o fenômeno conhecido como vida con-tinua sem explicação.

DOIS ENFOQUES • Ao analisar um organismo, obiólogo estará interessado em descrever sua es-trutura, fisiologia e suas partes, bem como quala função de cada uma delas. Já o físico tentaráentender como é a interação das forças em cadauma dessas partes, para que o organismo consi-ga realizar suas funções. E, num nível mais pro-fundo, quais forças motivam o funcionamentofisiológico e anatômico do organismo.

ENTROPIA E VIDA

TROCAS COM O MEIO • A vida é um fenômenoque ocorre em sistemas abertos. Portanto, todosos seres vivos mantêm uma intensa atividade detroca de energia, matéria e informação com o meioexterno, o que torna difícil definir uma fronteiraclara. Uma das mais interessantes característicasdos seres vivos é sua complexidade. Desde asbactérias, com apenas alguns micrômetros de diâ-metro (cerca de um milésimo de milímetro), atéseres complexos, como o Homo sapiens, todos osseres vivos são compostos por moléculas de altograu de complexidade. Forma e função caminhamjuntas, e parece que essa estreita relação é umaexigência que garante a manutenção da vida.

AINDA SEM DEFINIÇÃO • Os seres vivos se carac-terizam pela capacidade de manter suas funções,apesar de estarem em constante troca com o meioem volta deles. Átomos são trocados permanen-

ESCALAS DA BIOFÍSICADO MOLECULAR AO COSMOLÓGICO • Os siste-mas que a biologia estuda têm diferentes níveis(ou escalas):

i) na escala molecular (da ordem de 10-10 m,ou seja, algo menor que um milionésimo demilímetro), a biofísica estuda como as mo-léculas se organizam e como a composiçãodelas permite o funcionamento de estruturasou dos seres vivos;

ii) nas escalas de 10-8 m a 10-6 m (objetos menoresque um milésimo do milímetro), a biofísica estu-da o comportamento de aglomerados orga-nizados, formados por diferentes molé-culas, apresentando o que se pode cha-mar de vida, como no caso dos vírus oudas bactérias e dos protozoários;

iii) aumentando a escala, na ordem de10-4 m a 10-2 m (de décimos de milímetro acentímetros), são estudadas as estruturasformadas por células com igualfuncionamento (órgãos) ouaglomerados de micror-ganismos, num nível deorganização ainda nãocompreendido;

iv) na escala acima de10-1 m (10 cm), diferentesformas de vida são estu-dadas, suas inter-relações

com o meio e as interações com outras formas devida. Mesmo nas escalas cosmológicas (maioresque 106 m ou mil km), a biofísica tenta entendercomo seria a vida se ela existisse fora da Terra,

bem como a influência de fatores planetáriosno desenvolvimento e na adaptação da vida

terrestre.

MICRO, MESO E MACRO • Para cada es-cala, há modelos que permitem analisar a

interação entre as estruturas e os sistemas.Diferentes modelos podem ser usados para

entender o que acontece nas diferentes escalas:nas escalas microscópicas, sabemos que estamosna região da mecânica quântica; nas escalas

intermediárias, é preciso empregar uma teo-ria que contenha tanto elementos da me-cânica quântica quanto da física dos fe-nômenos macroscópicos (a mecânica clás-sica ou newtoniana); nas escalas ma-croscópicas, estamos nos domínios da

mecânica clássica.

INSTRUMENTOS E EQUIPAMENTOS • Osdiferentes equipamentos desenvolvidos para es-

tudar sistemas físicos têm sido aplicados ao estudodaqueles na biologia. Exemplos desses equipa-mentos: os microscópios eletrônicos, que nos pos-sibilitam ver a matéria em escalas diminutas;a ressonância magnética nuclear, que tambémé largamente empregada como aparelho dediagnóstico na medicina; os magnetômetros

Squid, detectores extremamente sensíveis; osdifratômetros de raios X, uma das mais poderosas

ferramentas para a análise de materiais.

temente, de forma que um indivíduo não é uma co-leção constante deles, nem de moléculas. Há um fluxopermanente de energia e informação. Com isso, o or-ganismo consegue manter sua organização e, emtroca, desorganiza o meio em que vive.

CONCEITO REVOLUCIONÁRIO • A termodinâmi-ca estuda as características macroscópicas (volu-me, pressão, temperatura etc.) de um sistema, semse importar com o comportamento das partes queo compõe. Quando estas são levadas em conside-ração, essa área da física tem que ser estudada atra-vés da mecânica estatística. E é aqui que surge umdos conceitos mais revolucionários da física: o daentropia.

DESORDEM MÁXIMA • Todo sistema físico sempreevolui, espontaneamente, para situações de máximaentropia. Essa é conhecida como a segunda lei datermodinâmica. Porém, ela só é valida para sistemafechados, ou seja, que não trocam energia, matériae informação com o meio.

PRETO NO BRANCO • Todo sistema natural, quando

deixado livre, evolui para um estado de máxima de-sordem, correspondente a uma entropia máxima. De-sordem, porém, é entendida aqui como a falta delocalização espacial. Por exemplo, abra uma lata detinta branca e pingue sobre ela uma gota de tintapreta. Inicialmente, é possível localizar espacialmentea gota, ou seja, apontar com precisão onde ela está,pois o sistema ainda está organizado (ou com baixograu de desordem). Passado muito tempo, a gotaterá se espalhado de tal modo que fica impossívellocalizá-la ou mesmo reconhecer que ela esteve ali.Aumentou a desordem (ou a entropia) do sistema.

FLECHA DO TEMPO • O conceito de entropia contri-bui para a compreensão de um dos maiores misté-rios do universo: o tempo nunca volta ao passado. Eisso está relacionado como o fato de a entropia sem-pre crescer em um sistema fechado. Assim, em umprocesso qualquer, se a entropia de uma das partesdo sistema diminuir, necessariamente haverá aumen-to dela em outras partes. Esse fato (ou seja, o siste-ma sempre evoluir rumo a um grau maior de desor-dem) nos define o sentido da flecha do tempo.

O DNA E OCÓDIGO GENÉTICOMOLÉCULA DA VIDA • Todos os seres vivos têmuma molécula, o ácido desoxirribonucléico (DNA),muito extensa (pode atingir, se esticada, mais deum metro de comprimento), composta por duas fi-tas que se juntam formando uma dupla hélice. Po-demos imaginá-la também com o formato de umaescada retorcida. Essa estrutura complexa é funda-mental para a perpetuação da vida.

QUATRO BASES • Cada uma das duas fitas do DNAé constituída por quatro bases: adenina (A),timina (T), guanina (G) e citosina (C). Essasbases nitrogenadas (assim chamadas porconterem nitrogênio em sua composição) seligam a uma molécula de açúcar (desoxir-ribose) e a um grupo de átomos que con-tém o elemento químico fósforo, formandoo chamado nucleotídeo. Caso imaginemosa molécula de DNA como uma escada, aslaterais dela seriam formadas peladesoxirribose e pelo grupo fosfato. Já osdegraus seriam feitos pela ligação entreduas bases nitrogenadas.

PONTES DE HIDROGÊNIO • A ligação en-tre os nucleotídeos de uma fita é extre-mamente forte, enquanto a ligação entreas bases de duas fitas é fraca, feita atra-vés das chamadas pontes de hidrogênio,a mesma ligação química responsável por

manter unidas as moléculas de água no estado lí-quido e sólido. Só é possível a ligação entre deter-minadas bases: A liga-se à base T, enquanto a G sópode se ligar à C. Ligações entre as bases A e T, porexemplo, não ocorrem.

HÉLICES IDÊNTICAS • Durante o ciclo de vida deuma célula, o DNA passa por uma divisão. As liga-ções entre as fitas são desfeitas (como se os de-graus da escada fossem cerrados ao meio) atravésda participação de outras moléculas (enzimas ex-tremamente especializadas) que ajudam na divi-são e se recombinam de forma a produzir duas hé-lices duplas idênticas à original. Esse processo é deuma complexidade extrema, e pouco se conhece

sobre os diversos mecanismos envolvidos.

SUTILEZAS DESCONHECIDAS • O DNAtem um código que fornece à célula a in-

formação necessária para a fabricação deproteínas e de outras moléculas essenciais para

o metabolismo. Essa informação deve ser pre-servada no novo organismo para garantirsua sobrevivência. O processo é elabo-rado e exige a participação de várias

outras moléculas – ácido ribonucléico(RNA), ácido ribonucléico mensageiro (RNAm),

enzimas, proteínas etc. – que ‘aceleram’ (ca-talisam) as reações e facilitam a reprodução.

Mas o processo em si, com todas suassutilezas, permanece desconhecido.

NEURÔNIOSESPALHADOS PELO CORPO •Um dos desafios mais intri-gantes na biofísica é a ques-tão da memória. Sabemosque temos vários bilhões deneurônios, além de outras cé-lulas localizadas no cérebro(as células gliais, por exemplo). Os neurônios, porsua vez, estão espalhados pelo corpo (com maiorconcentração no cérebro) e são responsáveis, emparte, pela transmissão de estímulos sensoriais.

SUBSTÂNCIAS LIBERADAS • Um neurônio é cons-tituído por um corpo celular, dendritos (‘ramifica-ções’ que partem desse corpo) e uma ‘cauda’ (ex-

tensão), o axônio. Quando estimulado, ele produzuma diferença de potencial que gera uma tênuecorrente elétrica. Esse estímulo elétrico se pro-paga e permite que ele libere substâncias espe-cíficas (neurotransmissores) que fazem o contatodele com neurônios vizinhos, formando sinapses.Esse conjunto de células interligadas forma umarede que mantém semelhança com redes de sis-temas físicos.

COMPUTADOR BIOLÓGICO • Não se sabe como,mas a rede de neurônios tem a capacidade degerar informação. Temos lembranças graças aesse complexo sistema de células. O estudo docérebro e de suas redes (redes neurais) tem con-tribuído para o desenvolvimento de sistemas deinformação que podem levar a um computadorbiológico.

APLICAÇÕESTÉCNICAS, DROGAS E TERAPIAS • A biofísica tem levado ao desenvolvimento de técnicas de diagnós-tico como a tomografia ou a ressonância magnética nuclear, bem como à produção de drogas ou àdescoberta de substâncias que podem ser assimiladas pelo organismo, auxiliando na cura de doenças.Novas terapias, como a hipertermia magnética (aumento da temperatura corporal com a ajuda da

VIDA EXTRATERRESTRE

ALÉM DA IMAGINAÇÃO • A enorme extensãode nossa galáxia, a Via Láctea, com mais de100 mil anos-luz de diâmetro e aproximadamen-te 1011 estrelas, pode abrigar outros sistemasplanetários em que a estrela é semelhante aoSol e onde há possibilidade de existir vida emdiferentes formas.

VIDA FORA DA TERRA? • Como dizer que nãoexista vida fora da Terra? Mesmo que ela tenhase desenvolvido em sistemas semelhantes aonosso, talvez o Homo sapiens esteja condena-do a desconhecê-la. As dimensões que nos se-param de qualquer outro desses possíveis sis-temas planetários são tão grandes que a infor-mação levaria mais tempo para chegar a nós doaquele destinado à nossa permanência na Ter-ra. Eis aí, portanto, outro dos grandes desafiosda física na biologia: a procura de vida extra-terrestre.

COMPLEXIDADEQUATRO ÁTOMOS DE FERRO • As moléculas queparticipam da vida são complexas. A hemoglobina,por exemplo, é uma proteína presente nas célulasvermelhas do sangue de animais e tem mais de 8mil átomos. Nela, encontram-se só quatro átomosde ferro, localizados em posições estratégicas eque são capazes de capturar oxigênio nos pulmõese liberá-lo para o tecido, mantendo as células vi-vas. Os mecanismos de capturae liberação são extremamen-te complexos, e verifica-seque há uma cooperação en-tre os átomos de ferro dahemoglobina. Essa proprie-dade está associada à ge-ometria da molécula que,em última análise, é defini-da pelos tipos de ligaçõesatômicas.

FERRAMENTAS PARA MACROMOLÉCULAS •O estudo da estrutura de uma macromolécula, co-mo a das proteínas, baseia-se nas leis da mecâ-nica quântica, do eletromagnetismo e da mecâni-ca clássica. As ferramentas usadas para estudaresse tipo de biomolécula (como a difração de raiosX, a ressonância magnética nuclear e a ressonânciaparamagnética eletrônica) foram desenvolvidaspela física.

CANAIS DE PASSAGEM • As células que consti-tuem um organismo são limitadas por uma mem-

brana na qual se encontram proteínas queformam canais que permitem a passa-

gem de determinados elementos ebloqueiam a entrada de outros. Asmembranas são compostas por umacamada dupla de moléculas bipolares,nas quais uma das extremidades seafasta da água, ou seja, é hidrofóbica.O estudo das ligações moleculares quepermitem manter estável a membrana

é um dos temas importantes da biofísica.

para a preservação de espécies. Como esses or-ganismos conseguem detectar e elaborar a infor-mação desses fatores? Como funciona o relógio bio-lógico? São perguntas ainda sem resposta.

OTIMIZADOS PELA NATUREZA • A física tem de-senvolvido sistemas de detecção que nos permi-tem compreender o funcionamento daqueles quea própria natureza já se encarregou de fabricarem diversos seres vivos. Assim, animais têmdetectores de luz mais sofisticados que os cons-truídos pelo homem, bem como detectores de subs-tâncias químicas mais sensíveis que os mais mo-dernos equipamentos de análise de materiais. Ospeixes da família dos elasmobrânquios, como o tu-barão e a raia, são capazes de detectar camposmagnéticos. Tubarões brancos podem sentir umcampo elétrico até 20 mil vezes menor que 1 volt,equivalente ao da batida do coração de um peixe.E, assim, há outros exemplos de detectores quetêm analogia com aparelhos já desenvolvidos pelaciência, porém com dimensões e sensibilidadeotimizadas pela natureza.

DETECTORES BIOLÓGICOSMIGRAR É PRECISO • Todos os seres vivos estãoem permanente contato com o meio externo (ou se-ja, com todo o espaço além da membrana) e sãocapazes de perceber pequenas mudanças desseambiente, uma vez que eles mesmos são partedele. Muitos animais mudam periodicamente seuslocais de moradia, num processo conhecido comomigração. Assim, por exemplo, as andorinhas, ossalmões, os macacos, as formigas, as borboletas, osalbatrozes migram, às vezes, milhares de quilô-metros. A migração é fundamental para a preser-vação da espécie.

PERGUNTAS SEM RESPOSTA • Como, porém, osindivíduos sabem a hora de iniciar a jornada ou arota? O Sol, a Lua, as estrelas, o campo magnéticoterrestre desempenham papel importante. A pola-rização da luz (ou seja, o plano em que ela vibra)também é um fator usado para a orientação. Enfim,os fatores físicos do meio são elementos essenciais

EVOLUÇÃO PORSELEÇÃO NATURALSEMELHANTE, MAS NÃO IGUAL • Os seres vivostêm a capacidade de se reproduzir. Bactérias, porexemplo, após certo tempo, dividem-se, originandoduas novas bactérias semelhantes, mas não comple-tamente idênticas à ‘mãe’. Em organismos maiscomplexos, como animais ou plantas, a reprodução éum processo mais elaborado. O importante é com-preender que o novo indivíduo é semelhante ao quelhe deu origem, mas nunca exatamente igual. Essapequena diferença é que permite a adaptação aonovo meio, alterado pela presença de organismosque viveram anteriormente nele. É esse mecanismoque permite uma evolução por seleção natural,pois, a cada geração, novos organismos surgem, eaqueles que têm maior capacidade de adaptaçãopoderão se proliferar.

aplicação no paciente de campo e compostosmagnéticos) ou a deposição de drogas com oauxílio de nanopartículas magnéticas, têm semostrado eficientes.