Adaptações

"Ecossistemas de Menger"

2010-07-22T10:38:00.000-07:00

O conceito sobre complexidade biológica tal qual exposto nos artigos “embriologia fractal do mesozoico” e “interface fractal”, e reconstruído aqui, introduz o “ressignificado” de ecossistema e dimensão fractal. Interessa-nos neste e nos próximos artigos reforçar a idéia de seres vivos ou ecossistemas como sistemas complexos biológicos com dinâmica fractal.

Os sistemas naturais são formados por componentes que estabelecem entre si relações intra e interespecíficas. Essas relações não são lineares e por isso mesmo desprovidas de sentido vetorial ou direção claramente previsível. Isto é mais evidente em micro escalas (tema para outro texto). Assim, os sistemas naturais são imprevisíveis e mutáveis mas não obrigatoriamente instáveis. A melhor imagem para representar a complexidade dos ecossistemas é a de uma rede cujos os nós representam os componentes do sistema e, as linhas que comunicam os nós, representam os sentidos ou as direções das informações que circulam pela rede. Entretanto, trata-se de uma rede quadridimensional (ou n-dimensional) que configura uma intrincada malha de conexões com design biológico próprio, mutável e, mais do que provavelmente, fractal. Ou seja, cada componente ou nó do sistema representaria uma rede em menor escala, sustentável, auto-similar, tendendo ao infinito. Assim, cada nó da rede, de forma aparentemente sólida, seria semelhante a uma esponja com área de superfície infinita e volume nulo (vide Esponja de Menger acima).

Este conceito sugere uma estrutura organizada no qual os sistemas observados em macro escala suportam subsistemas em escalas progressivamente menores. A observação detalhada dos subsistemas revela instâncias ainda menores e de complexidade semelhante. Alterações em qualquer nível refletem alterações a nível global.

Vamos imaginar o bioma Mata Atlântica presente na maior parte no território brasileiro. Este grande sistema é composto por vários ecossistemas diferentes, entre eles as florestas atlânticas. Na Mata Atlântica distinguem-se no mínimo quatro tipos de florestas além de mangues, restingas, campos e brejos de altitude. Esta configuração corresonde a ecossistemas dentro de ecossistemas em escalas progressivamente menores. Nestas florestas ou ecossistemas, comuns no Rio de Janeiro, predominam Jequitibás (ao lado), Ipês, Jacarandás, Palmeiras, Leguminosas, Astroniuns, Sapucaias entre centenas de outras espécies lenhosas, arbustivas, trepadeiras e epífitas como as orquídeas e bromélias. Além de toda a diversidade vegetal, circulam nestes ecossistemas uma grande diversidade de animais que realizam os seus ciclos de vida por entre territórios delimitados e/ ou superpostos dentro do grande ecossistema complexo chamado Mata Atlântica. Entre eles podemos destacar primatas, felinos, aves, tamanduás, insetos, cobras, jacarés, sapos entre outros.

Dentro de um conceito ampliado do que seja ecossistema, podemos distinguir microecossistemas presentes nas copas das árvores, nas cascas das árvores ou nos cálices das bromélias, entre outros. Os cálices das bromélias são importantes na natureza e são vistos pela maioria dos ecólogos como ecossistemas completos. Então, vamos aprofundar o entendimento sobre estes microecossistemas de bromélias como exemplos de componentes vitais para o funcionamento e entendimento dos nossos ecossistemas interligados em rede complexa com dinâmica fractal.

Existem mais de duas mil espécies de bromélias no mundo. Para alguns autores este número pode chegar a três mil conforme relatado no ótimo livro "Bromélias da Mata Atlântica" de Elton M. C. Leme. Segundo Leme, pelo menos 40% desse universo podem ser encontrados no Brasil, o que faz do país o mais importante em termos de diversidade.

Cada bromélia tem uma capacidade especial de armazenar água em suas folhas e é aí que está o segredo. Esta água é, geralmente, límpida e transparente, e fica armazenada entre as folhas bem no centro da planta chamada de cálice. A água das bromélias é rica em sais minerais, ácidos orgânicos e outros nutrientes que fazem das bromélias microecossistemas fundamentais dos quais dependem centenas de organismos. Além das famosas larvas de mosquitos, dentro ou em torno das bromélias vivem libélulas, aranhas (como a caranguejeira Pachistopelma rufonigrun endêmica de bromélia retratada na imagem abaixo), sapos, pererecas, aves, morcegos, cobras e crustáceos. São 400 a 500 espécies de animais, de alguma forma relacionadas às bromélias. Muitas fazem das plantas sua moradia. Outras as freqüentam para caçar, beber ou apenas molhar a pele. Outras ainda as polinizam ou buscam seu néctar e frutos. No calor das restingas ou no auge da seca do sertão nordestino, dos cerrados e das matas do Centro-Sul brasileiro, as bromélias também são fonte de água para anfíbios e répteis, aves e até mesmo mamíferos, como sagüis, micos, macacos, cachorros-do-mato e quatis.

A melhor imagem que tenho das bromélias interagindo em ecossistemas foi impressa na minha mente a partir de um trabalho que realizei, durante a faculdade de Biologia, na restinga de Massambaba. Era um marimbondo caçador buscando atividade em torno de uma Edmundoa lindenii em flor (a baixo sem o marimbondo). Recentemente tive um grande problema com larvas de Aedes aegypti (mosquito vetor do virus da dengue) nas bromélias do jardim da Universidade Veiga de Almeida em Cabo Frio. O problema foi resolvido com treinamento dos funcionários na eliminação das larvas e dos ovos dos mosquitos bem como de outros criadouros realmente importantes.

Imagine uma floresta ou restinga sem bromélias. Em ambientes de restinga, às vezes as bromélias são os únicos suprimentos de água doce disponível para pequenos animais, capazes de armazenar o equivalente a um copo ou um balde cheio de água a depender do tamanho da bromélia. Certamente toda a diversidade taxonômica ficaria comprometida, gerando um colapso em todo o grande ecossistema, pois até o microclima seria alterado, uma vez que as bromélias contribuem para a manutenção do microclima local. Então podemos enxergar as bromélias como importantes bioindicadores da saúde de ecossistemas tropicais.

Como pudemos ver, as bromélias são bons exemplos de componentes pertencentes a grandes redes de ecossistemas que ajudam na manutenção de todo o sistema. Redes fractais como modelos de sistemas naturais são idéias matemáticas úteis que ajudam a explicar fenômenos biológicos observáveis. Mas como desenhar esta rede? Que geometria fractal poderia representar tamanha interação de modo que na sua arquitetura tivéssemos um tipo de Esponja de Menger diferenciada para cada subsistema interligado em rede? Nesse ponto a interação entre biólogos, físicos e matemáticos poderia ser útil na construção desta representação gráfica para este hipotético "Ecossistema de Menger". O ecossistema artificial de Menger seria suportado por algoritmos que, por sua vez, estariam baseados em proposições matemáticas. Então estamos falando de modelos matemáticos formados por parâmetros e variáveis. Tais parâmetros e variáveis seriam representações numéricas dos componentes dos ecossistemas reais. Alterações nos parâmetros do modelo matemático gerariam modificações na arquitetura gráfica do ecossistema artificial de Menguer. Isto significaria uma ferramenta poderosa para o estudo in sílica de ecossistemas alterados ou impactados.

Quem aceita o desafio de modelar os "Ecossistemas de Menger"?

Grande abraço e até a próxima.

Introdução à complexidade biológica

2009-11-14T14:09:00.000-08:00

Encontros e mudanças

A vida surgiu de um pequeno sistema singular, adaptativo, e cheio de potencial transformador dotado de complexidade suficiente para se reproduzir e deixar descendentes férteis. Um sistema capaz de gerar toda a diversidade biológica encontrada hoje e com plasticidade suficiente para se diferenciar nos mais diversos tipos de tecidos componentes dos vertebrados ditos superiores: A célula. Surgida provavelmente há mais de três bilhões de anos em ambientes lamacentos ou mares rasos e quentes do Pré-cambriano, ali viveu e evoluiu por milhões de anos tal qual vivem e evoluem muitos organismos unicelulares como bactérias e protozoários que são encontrados até hoje nas bordas das lagoas poluídas como as de Araruama em Cabo Frio RJ, e tantas outras por esse Brasil afora.

Desde o advento da vida, tudo mais foi encontro e mudança. Pude promover um desses encontros entre alunos universitários e microorganismos planctônicos em laboratório. Foi simples: a partir de uma rápida ida ao campo, o material foi coletado, preparado e exposto em sistema fechado de vídeo-microscopia. Bastou apenas um fragmento de ecossistema encontrado em uma gota de água poluída cuidadosamente coletada para que a natureza se expressasse com todas as suas cores e diversidade biológica bem na nossa frente. A diversidade biológica estampada em alguns monitores de televisão e o espanto da espécie dominante frente ao inimaginável. Um encontro transformador com força suficiente para mudar perspectivas e alterar caminhos daqueles que curtem a natureza.

Sem misticismo, a ciência nos leva a uma reflexão sobre a origem comum dos seres e nos coloca na dimensão da matéria como qualquer outro ser vivo. Ou seja, os organismos co-evoluem vivendo juntos na natureza e se diversificam a partir dos encontros quer sejam sexuais, cognitivos, parasitários ou simbiônticos, gerando a enorme diversidade biológica observada. Essa diversidade é dependente do ambiente e por isso mesmo se apresenta diferente em cada diferente local.

Isso me fez lembrar de um dos meus grandes momentos na Biologia. Foi em 1981, aos 15 anos de idade, dentro de uma sala de aula de ensino fundamental, estudando a diversidade da fauna marinha apresentada sobre a bancada do laboratório de biologia pela professora de ciências. Era a primeira vez que, hipnotizado, eu observava a complexidade dos tentáculos de uma lula, a disposição das escamas das diversas espécies de peixes e o admirável exoesqueleto dos crustáceos marinhos. Isso foi em Resende - RJ.

Antes disso, minha experiência no campo da biologia era totalmente empírica baseada em aventuras vividas em Brasília na minha pré-adolescência. Naquele ambiente de cerrado, experimentei acampamentos, pescarias e trilhas onde era possível ver, livres na natureza, animais silvestres como: emas, tatus e até mesmo lobos-guará, entre muitos outros tipos de animais vertebrados terrestres e aquáticos. Infelizmente, nunca tive a sorte de encontrar uma onça-pintada, vista ainda em quantidade significativa nas zonas menos povoadas, como no Parque Nacional da Chapada dos Viadeiros.

Quando me mudei para o Sul do Estado do Rio de Janeiro, me surpreendi com aquele novo encontro. Fiquei emocionado ao ver pela primeira vez no Município de Itatiaia, bem na fronteira com o Estado de São Paulo, o Maciço de Itatiaia, uma enorme rocha cujo ponto mais alto é chamado de Pico das Agulhas Negras.

Era o máximo do contraste entre dois ecossistemas. De um lado o cerrado de Brasília, o segundo maior bioma do Brasil, com suas árvores retorcidas, estações seca e chuvosa bem definidas (clima tropical semi-úmido) e uma "umidade relativa do ar" as vezes abaixo de 25%, com sol escaldante de dia e “muito” frio durante a noite. Por outro lado, a umidade chuvosa de Resende, cidade encravada em uma imensa bacia sedimentar e cortada por um Rio magnífico chamado de Paraíba do Sul que, com seus braços, hidratam imensos vales onde se desenvolve e evolui uma rica e diversa fauna e flora típicas de Mata Atlântica. Seus vales e florestas formados a partir de levantamentos rochosos como os da Serra da Mantiqueira estão hoje protegidos pelo Parque Nacional de Itatiaia, o primeiro do Brasil, com latitudes que variam de 580 a 2.787 metros.

Uma vez fazendo uma escalada pelas muitas vias do Itatiaia, fui apresentado por um amigo estudante de biologia a um líquen, forma de vida extremamente curiosa, constituída pela simbiose entre fungos e algas e capaz de se adaptar a regiões inóspitas do tipo “costão rochoso” , tal qual aquele em que estávamos pendurados apenas por um cabo. Ali, ele me explicou que as algas eram as responsáveis pela fotossíntese no sistema simbiôntico, sem a qual não poderiam sobreviver como líquen. Fiquei sabendo que os liquens faziam parte do ecossistema e que sua conservação era importante para a conservação de todo o sistema. Comecei a entender que os sistemas estavam todos inter-relacionados, desde as formas mais simples até as mais complexas.

Um bom exemplo de inter-relação são as formigas nos parques de Moscou. Lá, em 2006, descobriu-se uma relação entre o adoecimento das árvores e o desaparecimento de um determinado tipo de formiga dominante daquele lugar. O motivo era relativamente simples. O suprimento de alimento das formigas estava diminuindo devido ao trabalho da limpeza feito pela prefeitura, causando impacto sobre as mesmas. Sabe-se que algumas espécies de formigas são úteis aos ecossistemas por predarem parasitos de plantas, como no caso das formigas Russas. Além dissso, com a diminuição da população de formigas, houve um aumento na população de lagartos, outro tipo de alimento dessas formigas. Assim, sem o controle da população de lagartos, a taxa de natalidade aumentou vertiginosamente e as copas dos carvalhos, alamos, tílias e bétulas foram devoradas, contribuindo para a morte da floresta. Considerando que cada formigueiro com um milhão de indivíduos (número limite) é capaz de manter uma área de 10 mil metros quadrados livre de pragas, a conservação das formigas é vital para qualquer parque ou floresta (ANSA 10/10/2006 11:58)

Este e outros exemplos mostram que o equilíbrio dos sistemas biológicos depende das relações entre as diferentes espécies. Alterações em algum nível pode repercutir desequilíbrios de amplo espectro. Entretanto, todos os seres vivos ou mesmo ecossistemas inteiros sofrem alterações ao longo do tempo , quer sejam por interferência humana ou da própria dinâmica natural. Algumas alterações são positivas e permitem que os seres saltem para novos estados de maturidade com o próprio meio. Outras podem levar ao desaparecimento de todo um ecossistema. Assim, as coisas existem em equilíbrio dinâmico, modificando-se a partir das interações entre si ao longo do tempo. Quer seja um líquen, um passarinho , seres humanos ou uma floresta, todos passam por um estado embrionário, amadurecem e se transformam ao longo dos seus encontros ou interações naturais. Eu mesmo mudei desde o tempo em que, pendurado em uma rocha do maciço de Itatiaia, tive um encontro com um líquen.

Abraços e até breve.

A origem da vida no planeta azul

2009-08-14T15:40:00.000-07:00

A vida é quase tão antiga quanto o próprio planeta Terra. A Terra surgiu há pouco mais de quatro bilhões de anos a partir de um condensado de poeira estelar rico em gases do tipo hidrogênio, hélio, carbono, nitrogênio, oxigênio, ferro, alumínio, ouro, urânio, enxofre, fósforo, silício e, provavelmente, alguns fragmentos de rocha. A essa altura o nosso sol ainda era uma proto-estrela localizada em um dos braços da via láctea prestes a emitir radiações que impulsionariam novos processos na evolução da Terra primitiva. Isto se deu a partir do início da fusão nuclear do hidrogênio no sol, levando-o ao status de estrela jovem. O advento da radiação solar sobre a Terra primitiva alterou a atmosfera fazendo com que o hidrogênio se combinasse com o carbono, com o oxigênio, com o nitrogênio e com o enxofre para formar, respectivamente metano (CH4), água (H2O), amônia (H3N) e gás sulfídrico (H2S), ou seja, as primeiras moléculas que muito mais tarde permitiriam o surgimento da vida ou, como declararam as cientistas Lynn Margulis e Dorian Sagan no livro “Microcosmos”, os ingredientes da receita da vida. Por outro lado, os elementos químicos mais pesados e instáveis como o urânio, tório, potássio, ente outros, se concentraram no núcleo do planeta e, devido suas capacidades de emissão de radiação muito forte, mantiveram a Terra aquecida por milhões de anos como um planeta incandescente. Há quatro bilhões de anos atrás o núcleo da Terra era o grande gerador de energia do planeta em desenvolvimento, produzindo calor muito acima dos 5.000 graus atuais do centro para a periferia a partir da sua atividade radioativa.
À medida que os elementos radioativos eram consumidos no núcleo do planeta, a Terra se resfriava progressivamente a um ponto em que, há aproximadamente três bilhões e novecentos milhões de anos atrás, formou-se uma crosta porosa na superfície por entre as quais eram lançados jatos violentos de lava incandescente e vapor de água que desenhavam novas topografias a cada momento e formavam densas nuvens na atmosfera.

Eram os vulcões ativos que funcionavam como válvulas de escape para o magma incandescente (rocha derretida) mantido a altíssimas pressões no manto, a mais ou menos 150 km de profundidade abaixo da crosta terrestre em formação. Algumas atividades vulcânicas de grande magnitude provocadas pela movimentação e choque de placas tectônicas (imensas placas ou fragmentos gigantescos da crosta correspondentes aos continentes primitivos que flutuavam sobre o magma e eventualmente se chocavam) liberavam gases retidos no interior do planeta formando uma nova atmosfera composta por vapor de água, nitrogênio, argônio e dióxido de carbono.

Com o resfriamento progressivo da Terra, diferentes elementos químicos tais como ferro, ouro, cobre, chumbo, urânio, zinco, e muitos outros metais pesados foram alcançando os seus pontos de solidificação na crosta, formando assim imensas jazidas minerais que são exploradas pelo homem até hoje. A coisa funciona mais ou menos assim. Tudo que existe pode existir em diferentes estados a depender da temperatura e pressão que estão submetidos. O Ferro, por exemplo, pode ser encontrado em estado líquido, sólido ou gasoso. Entretanto, cada elemento possui um ponto de solidificação que é igual ao ponto de fusão (passagem do estado líquido para sólido e vice versa). Considerando o ponto de fusão dos diferentes elementos (Chumbo = 327°C; Ferro = 1500°C; Ouro = 1064,1800ºC; Alumínio 961,7800ºC; Zinco = 660,3230ºC, Cobre = 1084,6200ºC), cada um se solidificou a seu tempo à medida do resfriamento do planeta. Assim, por entre a crosta semi sólida do planeta em desenvolvimento, o que não estava solidificado fluía como rios de metais líquidos que se juntavam cada qual de acordo como a sua especificidade até se solidificarem em algum momento do resfriamento natural do planeta. Dessa maneira, ao longo de milhões de anos, a Terra foi adquirindo o seu formato atual.

O cenário da Terra no início do Arqueano (inicia-se a três bilhões e novecentos milhões de anos e termina a dois bilhões e quinhentos milhões de anos atrás), também chamado de Era Pré-cambriana, era o de um planeta repleto de vulcões profundamente ativos e mares rasos e quentes formados pela condensação na atmosfera do vapor de água que fora anteriormente expelido pelos vulcões.

Durante todo o período em que se deu a violenta evolução geológica do planeta, átomos se misturaram e formaram gases que se recombinaram e formaram cadeias de macromoléculas com as mais diversas texturas e formas. Não se sabe muito bem onde e como a vida surgiu mas, apesar das divergências entre os biólogos, acredita-se que tenha sido em um ambiente quente, úmido e lamacento do Pré-cambriano, onde diferentes tipos de gases e moléculas deram continuidade a processos impulsionados por forças eletromagnéticas a partir de inúmeras tentativas e erros.

O que se sabe é que ao se reproduzir experimentalmente a atmosfera primitiva (mistura de metano, vapor de água, hidrogênio, amônia e vários outros gases) submetendo-a a diferentes fontes de energia tais como descargas elétricas, radiação ultravioleta e calor, uma condição semelhante a realidade da atmosfera do Arqueano, são formadas moléculas que antes acreditava-se serem produzidas apenas por células vivas. Inúmeros experimentos semelhantes a este (imagem ao lado), que originalmente foi feito por Stanley L Miller (Nobel de química em 1953), foram realizados por outros pesquisadores. Os resultados mostraram que as simulações geraram os quatro aminoácidos mais abundantes das proteínas existentes em todos os seres vivos. Também foram encontradas moléculas de ATP (molécula que armazena energia no interior das células) e todas as cinco bases nucleotídicas que compõem o DNA e RNA (adenina, citosina, guanina, timina e uracila), entre outros compostos fundamentais para a organização da vida tal qual a conhecemos. Por fim, é fato geológico conhecido que no Arqueano foram encontrados os primeiros vestígios de vida na Terra. Entre eles, se destacam os microfósseis de bactérias filamentosas no oeste da Austrália e os estromatólitos (estruturas formadas por colônias de algas,) no sul da África e oeste da Austrália.

Os estromatólitos (fósseis comuns na Terra) são as poucas
evidências geológicas da existência de vida no período entre 3,5 bilhões e 600 milhões de anos atrás.

As bactérias e algas primitivas do Arqueano assimilavam o dioxido de carbono ricamente presente na atmosfera e liberavam oxigênio livre. Este comportamento foi fundamental para o surgimento de outras formas de vida em função da substituição do dioxido de carbono pelo oxigênio livre na atmosfera terreste.

Bom, não sei quanto a vocês, mas eu acho tudo isso fantástico!

Grande abraço e até a próxima.

A Natureza da Natureza

2009-07-17T06:59:00.000-07:00

O céu no hemisfério sul possui constelações típicas com as quais crescemos e nem nos damos conta. Quem nunca ouviu falar no Cruzeiro do Sul ou nas Três Marias? Pois bem, na madrugada do dia seis de julho olhei casualmente pela janela e vi um aglomerado de estrelas bem na minha frente. Após fazer as considerações necessárias entendi que se tratava de um grupo de estrelas denominado coletivamente de Pleiedes.

Faz parte deste aglomerado uma estrela chamada Carina que em conjunto com outras tantas constituem a constelação de Carina ou Quilha. Assim, o aspecto das pleiedes em noites sem lua é de um ponto brilhante e esfumaçado no céu (vide primeira figura) que faz parte da constelação de Carina. Neste inverno, mais especificamente no mês de julho, as pleiedes podem ser vistas duas vezes por noite, uma delas aproximadamente às seis horas no horizonte e a outra a partir das 21:00. A figura ao lado é uma simulação da configuração do céu feita no dia 15/07/09 às 21:00 utilizando o programa Stellarium 0.10.2.

Pois bem, este céu apresentado na simulação me aproximou novamente do meu velho telescópio e da pergunta mais antiga da humanidade: De onde viemos? O estudo da astronomia tem sido importante por vários motivos, entre eles o fato de que toda forma de vida existente no nosso planeta é derivada de componentes básicos forjados nas estrelas durante sua evolução. Estes componentes são os átomos que formam tudo o que existe na Terra incluindo as moléculas e as células que compõem o nosso corpo. Assim, se o nosso corpo é formado por células que por sua vez são formadas de moléculas e estas por átomos, logo somos seres estelares. Essa história começa mais ou menos assim:

No início era o caos parcialmente desestruturado! É consenso entre os astrônomos que o nascimento de novas estrelas e até mesmo galáxias tem início na explosão de estrelas muito antigas e pesadas, formadas eventualmente de silício e ferro56, entre outros. Essas estrelas são chamadas de supergigantes vermelhas. Sempre que você olhar para o céu e ver uma estrela com um brilho avermelhado trata-se de uma gigante vermelha. Os astrônomos dizem que essas estrelas tendem a explodir e gerar imensas nuvens de gás e poeira interestelar chamadas de nebulosas. Assim, as nebulosas são uma mistura de gases do tipo hidrogênio e hélio e poeira estelar formada por partículas de carbono, silício, magnésio, alumínio entre outros tipos de átomos que faziam parte da velha estrela. Com o tempo (milhões de anos), esses gases e poeira sucumbem ao seu enorme peso e vão se concentrando cada vez mais no interior da nova estrela em formação até iniciarem violentas reações termonucleares. Ou seja, o hidrogênio submetido a uma pressão de bilhões de atmosferas terrestres se funde no interior da jovem estrela levando à formação de gás Hélio. O Hélio é um átomo que tem o dobro do tamanho do hidrogênio justamente por ser formado a partir da fusão de dois átomos de hidrogênio.Veja a sequência da evolução das estrelas na imagem abaixo.

De forma muito simplificada, a evolução das estrelas ocorre de acordo com a sequência abaixo

(período aproximado de 15 bilhões de anos)

1) Poeira Estelar - Formação de uma nuvem de poeira estelar por um período de 10 milhões de anos a partir da explosão de uma estrela muito antiga chamada de Super Nova.

2) Proto Estrela – É o estágio imediatamente posterior e possui formato esférico rotacional.

3) Anã Marrom – Este estágio começa quando a temperatura de núcleo da proto-estrela atinge um valor suficiente para iniciar a fusão do hidrogênio em hélio (15 milhões de graus).

4) Gigante vermelha – Após o consumo total do hidrogênio a estrela se expande e o Hélio começa ser fundido em carbono.

5) Supergigante vermelha – Nesse estágio a expansão é total e o núcleo começa a encolher tornando-se denso e gerando uma nova série de reações nucleares que culmina com a fusão de elementos mais pesados da tabela periódica como o silício e o ferro56. Nesse estágio também são formados por fusão nuclear vários outros metais pesados da tabela periódica..

6) Super Nova – Estágio avançado no qual a fusão do ferro, por vários motivos , ao invés de liberar energia passa a consumir, culminando em uma grande explosão em uma fração de segundo gerando inclusive urânio e neutrino, ou seja poeira estelar.

A seqüência apresentada não é um padrão obrigatório para a evolução das estrelas. Entretanto é fato que o envelhecimento das estrelas está relacionado com a queima do seu combustível. Por exemplo, quando todo o hidrogênio de uma estrela é "queimado" por fusão nuclear , o gás Hélio produzido se expande e a estrela muda de estágio. Neste novo momento, o combustivel alternativo a ser fundido no núcleo da estrela será o Hélio. A fusão nuclear continuada do Hélio no interior da estrela gera átomos mais pesados como o carbono e assim sucessivamente até surgirem estrelas de ferro ou mais pesadas chamadas de Anãs Brancas ou Buracos Negros. Os Buracos Negros possuem imensa força gravitacional que nem a própria luz consegue escapar.

O calor intenso e a luz própria das estrelas são derivados das sucessivas fusões nucleares no seu interior liberando grande quantidade de energia térmica e eletromagnética tais como raios X, luz e vários outros tipos de radiação. Por estes motivos as Proto Estrelas possuem pouco brilho por não fazerem fusão nuclear.

Esquema aproximado da evolução do sol

Em Relação ao nosso sistema solar, os planetas surgiram concomitantemente com a formação do sol. Isto significa que processos muito parecidos e derivados daqueles que deram origem ao sol foram responsáveis pela formação da Terra. No livro "Microcosmos" da Lynn Margulis e Dorion Sagan, consta que da nuvem de gases destinada a se transformar na Terra, predominavam o hidrogênio, o hélio, carbono, nitrogênio, oxigênio, ferro, alumínio, ouro, urânio, enxofre, fósforo e silício. Durante a evolução do planeta, a 4.600 milhões de anos, a mistura aleatória de gases e partículas de carbono somada a intensa atividade elétrica ambiental levou a um processo de evolução molecular que culminou com o surgimento das primeiras moléculas. O hidrogênio se combinou com o carbono para formar o metano (CH4), com o oxigênio para formar água (H2O), com nitrogênio para formar amônia (H3N) e com enxofre para formar gás sulfídrico (H2S). Posteriormente, a recombinação dessas moléculas levou ao surgimento das primeiras células vivas.

Na constelação de Orion da qual pertencem as Três Marias existe uma nebulosa que pode ser observada utilizando um telescópio simples (imagem abaixo).

Nessa imagem pode-se ver nitidamente as Três Marias que também são chamadas de Cinturão de Orion. Próximo ao cinturão encontra-se a Nebulosa de Orion que está ampliada no canto direito inferior da imagem. Lá, novos processos de formação de estrelas e sistemas planetários estão ocorrendo.

Portanto, a evolução da vida tal qual a conhecemos hoje está diretamente relacionada a evolução das estrelas porém separadas por um período de bilhões de anos. É surpreendente que a partir da fusão de simples componentes tais como partículas subatômicas e gases hidrogênio estelar tenha surgido toda diversidade de elementos químicos presentes na tabela periódica. O mais fantástico é que a partir da mistura de simples elementos químicos a vida tenha se formado e evoluído no nosso planeta de uma maneira complexa e diversificada. E é da complexidade da vida que iremos tratar a partir das próximas postagens. Portanto, quando você olhar novamente para o céu, pense que talvez esteja olhando para uma nebulosa ou para a natureza da natureza.

Abraços e até breve.

A embriologia fractal do Mesozoico

2009-06-30T11:38:00.000-07:00

Muitas pessoas não estão acostumadas com as macro escalas temporais das eras geológicas. Em qualquer situação ou em quase todas, o tempo entre uma era e outra compreende um período de milhões de anos. Por exemplo, no post anterior foi sugerido que as gimnospermas apareceram primeiro que as angiospermas ao longo das eras geológicas. As eras geológicas são divisões da escala de tempo relacionadas à evolução geológica do planeta. Também são importantes para situar a idade e o surgimento das espécies vegetais e animais na terra. Assim, a evolução do planeta pode ser dividida em quatro eras, sendo elas: 1) Pré-Cambriano (4,5 bilhões de anos há 570 milhões de anos atrás); 2) Paleozóica (545 milhões de anos há 248 milhões de anos atrás); 3) Mesozóica (245 milhões de anos há 65 milhões de anos atrás) e 4) Cenozóica (65 milhões e 500 mil anos até o presente). Cada era é dividida em períodos. No quadro abaixo estão esquematizados os períodos da era mesozóica:

De acordo com este quadro, do mais antigo para o mais recente temos os períodos triássico, jurássico e cretáceo. Eu tenho especial predileção pela era mesozóica pois compreende os períodos em que floresceram e desapareceram os dinossauros. Tudo isso em mais ou menos 160 milhões de anos. Conforme havíamos dito, as angiospermas atuais (plantas com flores e sementes dentro de frutos) teriam surgido apenas no Cretáceo Inferior há cerca de 140 milhões de anos. Antes disso as florestas eram formadas predominantemente por cicadáceas (gimnospermas com folhas semelhantes às das palmeiras, tronco grosso mas nunca chegando à altura de uma árvore), coníferas (árvores e arbustos gimnospérmico chamados de pinheiros ou araucárias), além de pequenas pteridófitas arborescentes (samambaias). Um ambiente geral característico do jurássico é apresentado na imagem abaixo.
Pois bem, deste mundo primitivo sem flores e frutos surgiram as angiospermas (Cretáceo Inferior há cerca de 140 milhões de anos) e sua explosão de cores, formas e tamanhos. No rastro das flores e seus saborosos néctares, uma variedade enorme de insetos polinizadores em um processo de co-evolução animal/vegetal jamais visto. Coincidência ou não, novas evidências fósseis, mas não moleculares, indicaram que o surgimento dos mamíferos modernos data do final do Cretáceo após a extinção dos dinossauros. Em fim, o cretáceo “é o cara”. A primavera dos vegetais e animais modernos tais como conhecemos hoje.

Imagine um mundo assim no Triássico/Jurássico:
Ou seja, um mundo com vegetais pouco ramificados e imensos espaços entre eles, permitindo o deslocamento de animais de “imenso porte” como no caso dos dinossauros. Com o passar das eras, este mundo se transforma e evolui para uma nova organização mais eficiente no seu pragmatismo em fixar carbono e crescer ocupando menos espaço, principalmente em regiões de clima temperado onde as florestas se tornaram mais densas. É o alvorecer de uma nova arquitetura natural, mais complexa e interativa. É a era das aves e pássaros e o fim dos pterossauros (répteis alados). É o surgimento da flexibilidade articular dos mamíferos frente a emergência dos espaços irregulares e profundamente curvos. É o período das ramificações emaranhadas, das redes biológicas que transformou as florestas em uma malha interligada na qual passaram a transitar inúmeras espécies de insetos, seres alados e mamíferos de médio e pequeno porte. A rede fractal das florestas interconecta por cima as copas das árvores e por baixo as raízes que também apresentam um padrão de formação auto-similar. A figura abaixo esquematiza a complexidade adquirida por estas florestas a partir do surgimento das angiospermas.
Assim, o surgimento das angiospermas está relacionado com as profundas transformações ocorridas desde o período cretáceo. Entretanto, não posso afirmar que este padrão de desenvolvimento seja determinado por um gene embrião fractal que impulsione um comportamento auto-similar de crescimento e distribuição, embora tal hipótese me pareça plausível.

O fato é que tanto nas monocotiledôneas quanto nas dicotiledôneas (as duas principais divisões das angiospermas), o crescimento ocorre por um tipo de brotamento no qual estruturas semelhantes (embriões fractais) aparecem como se saíssem umas de dentro das outras, semelhante à ilustração feita por Mariana Massarani exclusivamente para este blog (imagem no alto do texto). Nela, vemos indicado em uma bromélia, as futuras folhas que apresentam o mesmo aspecto geral da planta.
Ufa! Por enquanto é só.

Um pouco de tudo e mais fractais

2009-06-17T09:54:00.000-07:00

Algumas coisas ainda me deixam perplexo. Recentemente fui convidado de última hora para uma entrevista que tinha por objetivo confrontar a opinião de um cientista contra a de um teólogo a respeito da teoria da evolução. Tratava-se de uma monografia de final de curso de comunicação. Me surpreendi com a iniciativa uma vez que no próprio objetivo do projeto subtendia que “teoria da evolução” para muitos ainda era uma questão de crença baseada em opiniões próprias. Não é! Ainda estamos cometendo enormes equívocos por conta de um resquício de polêmica entre crença e conhecimento, e isto a epistemologia explica muito bem. A Teoria da Evolução é um fato sustentado por várias evidências científicas fornecidas pela paleontologia e geologia a partir de inúmeros achados fósseis e geológicos, todos devidamente datados por métodos cada vez mais sofisticados. E não para por aí! Áreas do conhecimento tais como genética, biologia molecular e anatomia comparada fornecem cada vez mais subsídios para a compreensão da evolução, algo que para cientistas e pessoas atentas não tem nada a ver com crença mas com conhecimento. O que eu estou querendo dizer? Que a ciência não pode ser contestada? Não é isso! A ciência pode e deve ser contestada pois este é um dos mecanismos do seu avanço. Entretanto, a ciência deve ser contestada com mais ciência, pois quando o conhecimento científico passa a ser encarado como uma crença irrefutável, intocável e imutável, torna-se dogmática e estabelesse-se aí as condições para o seu fracasso. É isso que se chama paradigma engessado (ver o livro pensamento sistêmico, pg. 33). O ideal é que as mudanças de paradigmas ocorram continuadamente. Vejamos um exemplo prático:

Voltando ao tema fractais
Para quem leu os últimos posts já sabe quase tudo sobre fractais. Para quem não leu fica aqui o convite para que o faça ou assista o vídeo apresentado pelo matemático espanhol Antonio Pérez Sanz. Durante a minha tese eu estava bem empolgado com o tema fractais e pedi a um aluno de iniciação científica que pesquisasse na internet algo interessante sobre esse tema. Ele me trouxe um artigo chamado “Caos e linguagem dos fractais”. Infelizmente o link que daria acesso ao artigo está corrompido, mas se você quiser saber mais sobre os autores do artigo “André Calixto Vieira” e “César de Oliveira Lopes” faça uma pesquisa na internet. Pois bem, junto com o artigo veio um conceito interessante chamado “embrião fractal”. Para Vieira e Lopes (2003), o embrião fractal é o elemento fundamental da figura, ou seja, aquele que se mostra repetitivo em qualquer escala (lembra-se do que falamos sobre auto-similaridade?). Então, se uma árvore possui ramos que se ramificam “infinitamente”, o embrião fractal, ou elemento fundamental da copa da árvore será uma imagem semelhante a uma forquilha. Concorda?

A idéia de um embrião fractal é ótima pois permite a visualização de uma estrutura fractal no tempo, isto é, dentro de um processo dinâmico de desenvolvimento e crescimento. Assim, mesmo formas da natureza que não se parecem com uma estrutura fractal podem ser classificadas como fractais por terem um comportamento fractal. Basta identificar o embrião fractal e verificar se durante o crescimento da estrutura ele aparece novamente, e assim por diante. Para exemplificar o que eu estou dizendo, vemos colocar os vegetais em termos de classificação e evolução.

Dos chamados vegetais superiores temos as Gimnospermas (plantas como as araucarias e pinheiros, que possuem sementes sem frutos) e as Angiospermas (orquídeas, mangueiras, bananeiras e uma infinidade de outras plantas que possuem sementes dentro de frutos). Não se sabe ao certo se as angiospermas evoluíram das gimnospermas ou se ambas possuíram um ancestral comum (Crane 1988, Doyle et al. 1994, Price 1996). O que se sabe é que, de acordo com os registros fósseis, o apogeu das Gimnospermas ocorreu durante o baixo e médio Mesozóico (Triássico e Jurássico) e as angiospermas atuais teriam surgido apenas no Cretáceo Inferior há cerca de 140 milhões de anos . Veja a figura abaixo.

Neste momento nos interessa aprofundar o assunto apenas sobre as angiospermas. Estudaremos nas angiospermas os seus dois principais taxons (monocotiledôneas e dicotiledôneas) e as diferenças nas suas vasculaturas. Vamos fazer o seguinte, este post está ficando grande demais e não é a nossa intenção. Me comprometí em discutir a importancia do conceito de embrião fractal, sua aplicação na biologia e na evolução das angiospermas e isso parece ter relação com o sistema vascular das monocotiledêneas e dicotiledôneas e outras coisas mais. Então, esperem mais uma semana, ou menos, e tudo isso ficará bem colocado. Grande abraço e até lá.

Fractais na Natureza

2009-06-04T05:32:00.000-07:00

No último post sugeri que as desordens encontradas nas interfaces entre sistemas biológicos poderiam ser entendidas utilizando o conceito de geometria fractal. Para que algo seja considerado fractal é necessário que se tenha uma propriedade fundamental denominada auto-similaridade. Apesar da idéia de fractal ser um conceito estritamente matemático, inúmeras outras formas encontradas na natureza satisfazem as condições necessárias para que sejam consideradas fractais. Um bom exemplo é a copa das árvores. Em uma árvore típica, a formação da copa começa a partir das ramificações iniciais do tronco. De forma similar às primeiras ramificações, cada ramo principal sofre novas ramificações que se repetem até as ramificações terminais onde surgem as folhas. Observe o exemplo abaixo. Nesta árvore, a auto-similaridade está esquematizada ao lado.

No esquema acima, utilizando o modelo encontrado no livro de Mendelbrot (1977) e modificado por Goldberger (1987), resolví comparar uma imagem verdadeira de uma árvore sem folhas. Ali podemos perceber os ramos “infinitos” de uma árvore. Observe que a cada vez que um dos ramos é ampliado, revela a presença de novos ramos, e assim por diante, sugerindo que o galho se ramifica por inúmeras gerações em escalas cada vez menores tandendo ao infinito. Isto é auto-similaridade! Qualquer estrutura em menor escala é similar à forma em maior escala. É como se a árvore fosse formada por milhares de pequenas árvores progressivamente menores (Mandelbrot, 1977, West & Goldberger, 1987).

Mesmo ao nível de uma folha podemos perceber a auto-similaridade tal qual observamos nos galhos da árvore. Genericamente, as folhas são divididas nas seguintes partes: bainha, pecíolo e limbo. O pecíolo surge das ramificações menores das árvores. Conforme a figura mostra, o pecíolo gera vários ramos que se ramificam posteriormente. O limbo nada mais é do que a parte verde da folha formada por células fotossintetizantes. Assim, o pecíolo é a continuação de um sistema vascular que se origina na raiz da planta com o objetivo de transportar seiva bruta para as células da folha (o limbo). As ramificações desde o tronco até os ramos terminais dos pecíolos reproduzem um padrão também observado no sistema vascular dos mamíferos. Ou seja, as ramificações terminais dos pecíolos equivalem aos capilares sanguíneos que se originam das arteríolas do nosso corpo e nutrem as células na intimidade dos tecidos; ou às ramificações terminais da árvore brônquica (bronquíolos do pulmão) que que, ao nível dos sacos alveolares, realizam as troas gasosas. Tanto as ramificações dos pecíolos dos vegetais quanto os capilares sanguíneos e os bronquíolos são pequenos e finos o suficiente para interagirem diretamente com as células de cada tecido correspondente e todos eles reproduzem um padrão fractal.

Quando as folhas das árvores caem no solo de uma floresta úmida o limbo é a primeira estrutura a ser decomposta pelos microorganismos do solo. Como resultado, sobra apenas o esqueleto da folha formado pelas ramificações do pecíolo que pode ser encontrado no chão da floresta.

Assim, conforme demonstramos, o esqueleto da folha apresenta uma estrutura auto-similar que satisfaz todas as condições de uma estrutura fractal.

Então, como primeira conclusão, o estudo das formas fractais presentes na natureza corresponde a um tipo de geometria da natureza. Entretanto, é uma geometria que não tem nada a ver com as formas que estamos habitualmente acostumados tais como esferas, polígonos ou mesmo os sólidos platônicos (figura abaixo) que a partir dos quais Platão procurou explicar o universo.

Platão buscou nos sólidos regulares a explicação para a origem do universo. Da esquerda para a direita temos: octaedro, icosaedro, cubo (ou hexaedro), tetraedro e um dodecaedro.

Do ponto de vista do pensamento matemático antigo, alguns estudiosos importantes como Galileu e Descartes foram obcecados por encontrar nos resultados de suas pesquisas físico-matemáticas, figuras geométricas ditas perfeitas, como a parábola, a elipse e o círculo. Acreditavam que a natureza não tinha muita escolha na formalização dos seus fenômenos que não os traçados bem comportados descritos por Euclides (Revisado em Ricieri, A. P., 1990). Hoje se sabe que as formas da natureza não obedecem apenas à lógica da geometria clássica ou Euclidiana como vimos agora. Entretanto, o matemático Francês Benoit Mandelbrot, um dos pais da geometria fractal, havia percebido isto muito antes de 1983 quando declarou o seguinte no seu livro A Geometria Fractal da Natureza: “nuvens não são esferas, montanhas não são cones, linhas costeiras não são círculos, cascas de árvores não são suaves e nem o raio se propaga em linha reta”.

"Formas da natureza que não obedecem as leis matemáticas da geometria clássica ou Euclidiana"

Essas afirmações deixam claro que as formas ou a geometria da natureza respeitam outras leis geométricas. Estas não são definidas apenas pelas dimensões tradicionais, ou seja, a primeira (a reta), segunda (o quadrado) e terceira dimensões (o cubo), mas também pela dimensão dos fractais no qual a auto-similaridade é a principal propriedade (mas não a única).

Qual é a importância dos fractais em biologia?Segundo um cientista chamado Cross (1994), a dimensão fractal pode ser entendida como uma medida de complexidade. De fato, a função de vários órgãos do corpo dos mamíferos bem como a atividade das plantas está relacionada diretamente com a forma adquirida por eles ao longo da evolução. Nós aprendemos nos primeiro e segundo graus que as células do intestino possuem vilosidades e que estas por sua vez possuem microvilosidades. A análise dessas vilosidades mostrou que elas também possuem um padrão fractal (microvilosidades que surgem de vilosidades, que surgem de dobras intestinais e que por sua vez surgem das alças curvas intestinas, e assim por diante). A disposição das microvilosidades intestinais potencializa o nível de absorção de nutrientes para o interior da célula devido ao aumento da “área” ou superfície de contato com os alimentos. Isto só ocorre porque a estrutura é fractal.

O mesmo acontece com as árvores. A disposição fractal da copa das árvores potencializa e maximiza a exposição de uma quantidade enorme de folhas ao sol, permitindo maior eficiência na captação de luz. A disposição fractal das árvores adultas também permite que elas lancem novos ramos durante todo o ano sem que o aumento do perímetro da copa seja perceptível. Então, uma estrutura fractal fornece o máximo de eficiência com o mínimo de ocupação de espaço. Veja o caso dos vasos sanguíneos dos animais.

No caso dos vasos sanguíneos, a natureza de suas ramificações é fractal e como tal tende a um crescimento infinito. Assim, apesar do sangue ocupar pouco espaço, não mais do que 5% do corpo, na maioria dos tecidos nenhuma célula está a uma distância de mais de três ou quatro células de um vaso sanguíneo (Gleick, 1989).

Para concluir, a propriedade fractal da uma determinada vegetação é determinante para o tipo de fauna existente ali. Quanto mais complexa a trama verde de uma floresta, mais favorável será para a presença de pequenos artrópodes e assim por diante. Se você quiser saber mais sobre fractais veja o seguinte site: http://math.rice.edu/~lanius/frac/ ou baixe o programa WINFRACT para windows e divirta-se.

Grande abraço e até a próxima.

Interface Fractal

2009-05-21T08:52:00.001-07:00

Durante o meu doutorado na Fundação Oswaldo Cruz, participei do desenvolvimento de uma técnica com físicos e matemáticos para definir os limites da interface biológica entre dois tipos de tecido animal. O conceito de interface, segundo Pierre Lévy , é uma superfície de contato, de tradução, de articulação entre dois espaços, duas espécies ou duas ordens de realidades diferentes. Este conceito serve muito bem à biologia uma vez que ultrapassa o caráter reducionista da física ou da matemática. Para nós, interface biológica é um lugar de fronteira que apresenta características dos dois sistemas. Nas interfaces não se reconhece culturas distintas, ecossistemas bem configurados ou soluções homogêneas. O que existe é uma mistura de culturas, de ecossistemas ou de soluções. É comum na fronteira entre países não se falar nem uma língua nem outra, mas um dialeto emergente, como o “portunhol” na fronteira entre o Brasil e Paraguai.

Em ecologia, o termo utilizado para interface é Ecótono. Nos livros sobre ecologia, ecótono é uma transição entre biomas diferentes. Geralmente mais estreita que as áreas dos próprios biomas adjacentes. A comunidade do ecótono pode conter organismos vegetais e animais de cada uma das comunidades que se entrecortam e outros que só existem lá, como é o caso dos ecótonos sul amazônicos (transição sertão e floresta amazônica) onde foram registrados endemismos até de primatas como os saguis Mico melanurus e o Mico intermedius.

Utilizando o modelo da minha tese, percebi que a "desordem" na interface entre sistemas biológicos poderia ser medida matematicamente para ajudar na sua classificação e compreensão. Exemplo: Se pudermos visualizar uma interface entre dois sistemas a partir de uma distância relativa a uma foto de satélite, veremos um sistema do tipo A de um lado, um sistema do tipo B do outro e uma zona de transição C entre eles (como uma região de transição entre o cerrado e a floresta amazônica, ou mesmo a transição entre um tecido tumoral e um tecido normal de animais doentes fotografado em microscopia). Nessa imagem perceberemos componentes dos dois sistemas na interface. Para facilitar a visualização, poderemos atribuir cores para cada um dos componentes dos diferentes sistemas. Por exemplo, vermelho para os componentes de A e preto para os de B. Com base nessas cores, desenharemos uma linha de uma extremidade a outra, deixando de um lado os componentes de A e do outro os componentes de B. O resultado fornecerá uma traçado de trajetória sinuosa e irregular pois representará as diversas formas com que sementes de vegetais se dispersam no meio (no caso da interface entre dois biomas). Ou seja, a dispersão das sementes está relacionada com as correntes de vento ou mesmo com o transporte das mesmas feito por aves e mamíferos. Curiosamente, percebeu-se que a linha de trajetória irregular que é obtida na interface entre sistemas biológicos se assemelha com a trajetória feita por pequenas partículas em meio líquido, chamada de Movimento Browniano (ver primeira figura acima).

Em ciência, coisas que aparentemente não tem nada a ver umas com as outras, às vezes se encaixam perfeitamente a ponto de fornecer respostas para um determinado problema. A trajetória irregular da linha obtida na experiência anterior é semelhante à trajetória que um grão de pólen faz quando suspenso em água. Esse movimento foi observado e descrito pela primeira vez em 1827 pelo Botânico Escocês Robert Brown e ficou conhecido como Movimento Browniano. A partir daí, vários trabalhos foram publicados, culminado com um artigo publicado em 1905 pelo então desconhecido Albert Einstein.

Uma das coisas mais interessantes no Movimento Browniano é que ele possui uma propriedade que os cientistas chamam de auto-similaridade. Isto é, em qualquer aumento (ou escala) a curva parece sempre do mesmo jeitão. Ou seja, à medida em que se observa a curva em diferentes aumentos, ela repete o padrão irregular dos aumentos anteriores (clique na figura abaixo para visualizar em maior aumento). Hoje em dia, uma curva com esse tipo de propriedade é chamada de "fractal".

Assim, a linha irregular traçada entre os sistemas A e B do nosso experimento hipotético descreve uma curva fractal.

A minha interpretação é que essa linha fractal representa o grau de inter-relação entre os sistemas. Ou seja, quanto mais sinuosa ou irregular for essa linha, maior o grau de interação dinâmica entre os sistemas A e B (novas espécies, novos dialetos, florestas típicas, diferentes tipos de solos, etc.). Essa determinação de ser mais ou menos irregular é dada por um cálculo no qual o grau de irregularidade de uma curva fractal pode ser medido através de um índice numérico fracionado que varia entre um e dois. Essa técnica é utilizada em Física e em Biologia para a determinação da dimensão fractal de determinadas interfaces e será discutida aqui mais adiante.

Vou continuar falando sobre fractais no próximo post e tenho certeza de que este conceito ficará cada vez mais claro. Abraços e até lá.

O problema da forma

2009-05-12T13:59:00.000-07:00

Por que os organismos vivos possuem as formas que possuem? A pergunta é pertinente já que o sucesso dos seres vivos depende de pelo menos três aspectos básicos: 1) a conservação da organização da vida; 2) sua dinâmica (no sentido de desenvolvimento, movimento/deslocamento e atividade biologica); 3) e a forma (seu aspecto macroscópico espacial).

As formas adquiridas pelos seres vivos são determinantes para suas funções ou atividades e é condição de sobrevivência dentro da topografia ambiental (relevo). Se você é redondo poderá rolar bem ou mal no chão, a depender do relevo geral do ambiente. Se o relevo favorecer, mas se você não for redondo, não rolará.

Ao se observar as primeiras formas de vida, ou seja, aquelas mais primitivas e que são primeiramente descritas nos livros de zoologia de invertebrados, percebemos que a maioria é assimétrica, com padrões de crescimento irregulares, podendo ser sésseis (que não se desloca voluntariamente) ou rastejantes tais como as esponjas marinhas e o Trichoplax adhaerens, respectivamente. As esponjas são organismos sésseis provavelmente por serem, na sua maioria, animais irregulares com padrões diversificados de crescimento (eretos, incrustantes ou ramificados). O Trichoplax adhaerens é um metazoário rastejante de corpo achatado e assimétrico, feito de um agregado de uns poucos milhares de células de quatro tipos diferentes que se organizam em três diferentes locais. É considerado o organismo de menor conteúdo de DNA de todo o reino animal (até o momento). Pois bem, de alguma maneira, a partir daí, a evolução animal seguiu no sentido da simetria radial e /ou bilateral. Os desenhos dos corpos de muitos animais com simetria bilateral apresentam proporções entre comprimento e largura conhecidas como Proporção Aurea. A proporção áurea, também denominada phi (φ), é um número irracional igual a 1,618 obtido a partir da seguinte igualdade: φ = (a+b) : a = a : b. Então, considerando o esquema dado na figura abaixo,

o resultado da equação algébrica será igual ao número phi (φ). Como já foi dito, esta proporção tem sido encontrada em várias partes do corpo humano e de outros animais, bem como em alguns tipos de sementes vegetais ou mesmo em padrões de crescimento de conchas de moluscos ou populações de coelhos, entre outros, e inspirou Leonardo da Vinci a fazer o seu Homem Vitruviano (figura ao lado) e, segundo alguns, a própria Monalisa. Entretanto, muito antes disso, foi utilizada na Grécia antiga em uma das obras mais orgânicas da antiguidade: o Parthenon.

Se retornarmos um pouco mais no tempo geológico, mais especificamente há 1800 milhões de anos atrás, no pré-cambriano, em plena emergência dos primeiros fitoflagelados (organismos unicelulares autotróficos) ou das primeiras células fotossintetizantes, perceberemos claramente que em grande parte desses organismos, senão todos, a evolução se deu não no sentido da simetria bilateral, da qual extraimos a proporção aurea, mas no sentido das irregularidades, das assimetrias, das ramificações e incrustações aparentemente desajeitadas. Estamos falando da evolução dos vegetais como contraponto à evolução animal. Se por um lado os animais são simétricos e móveis, por outro os vegetais são assimétricos e obrigatoriamente sésseis. Ambos extremamente relacionados, pois o veneno de um (dióxido de carbônico) é o “combustível” do outro.

Então, parece que a evolução no seu sentido mais amplo teve como característica principal o paradoxo das formas. Ou seja, a regularidade simétrica dos animais gerando o movimento, no sentido de deslocamento de um lugar para outro, e a irregularidade assimétrica e séssil dos vegetais. Ambas sempre em consonância com a topologia ambiental. Esta aparente contradição gerou uma pressão ambiental sobre os ancestrais do homem que levou ao desenvolvimento de articulações capazes de realizar movimentos precisos entre espaços mínimos, como foi o caso dos australopitecus, presos entre o “bipedismo” terrestre e a vida nas árvores. Assim, configurou-se duas geometrias da natureza: uma das formas regulares e proporcionais, como é o caso da geometria euclidiana, e a outra das formas irregulares e descontínuas, com é o caso da geometria dos fractais de Mandelbrot. E é exatamente sobre a geometria dos fractais aplicada à forma dos seres vivos que pretendo me aprofundar nos próximos posts.

Grande abraço e até lá.

Voltando ao tema "o que é vida?"

2009-04-26T07:12:00.000-07:00

Desde que montei esse blog nunca fiquei tanto tempo sem postar. Entretanto o motivo é compreensível já que perder doze dias pensando no que seja a vida significa tentar sintetizar o que muitos vem pensando há décadas. Bom, a leitura deste texto não está completamente condicionada à leitura da postagem anterior, mas para quem leu, pode ter tido a impressão de que estava tentando acentuar divergências entre Maturana e Darwin. Não se tratava disso, até porque o meu interesse nas teorias de Maturana é pontual. Por outro lado, não podemos desejar que a biologia seja reduzida a um único pensamento e que todas as respostas se encerrem na questão da seleção natural pois nem mesmo Darwin considerava essa última como a única explicação para a diversidade biológica. Também acho importante grifar que falar de Maturana implica em algo que pode ser complementar a Darwin pois "origem das espécies" é diferente do que seja "o que é vida". Então, estamos falando de dois domínios diferentes. Um que obrigatoriamente se situa no fluxo do tempo e portanto é dependente dele. Ou seja, um tempo filogenético no qual a adaptação deriva de um processo. O outro que, da forma como entendo, é independente do tempo pois de acordo com Maturana, organizações vivas não se modificam ou se adaptam, apenas se conservam tal como são, apesar de seus contextos ontogenéticos (nascimento e morte de um organismos) e filogenéticos (evolução). Então, Maturana estaria preocupado com o que é a vida independente do seu ciclo, e esse parece ser um dos seus pontos de partida: a vida é.

Se você está achando que eu estou dizendo que a vida é atemporal, é exatamente isso. Se pensarmos como Maturana só poderemos chegar a essa conclusão. Neste contexto, estar vivo independe do tempo. Não tem nada a ver com relatividade ou coisa parecida. Uma tartaruga de 200 anos está tão viva quanto uma de 200 segundos pois a vida para Maturana é uma organização fechada. Se for mudada ela se desintegra e morre. Para continuarmos esse pensamento seria interessante uma breve contextualização histórica, mas não sem antes dizer que o componente atemporal da vida que quero discutir aqui só faz sentido quando iluminado pelo pensamento de Maturana e Varela.

Em 1920, o Biólogo austríaco Ludwing von Bertalanffy estava incomodado com o enfoque mecanicista, dado pela física, atribuído às teorias e pesquisas biológicas. Ele achava que ao adotar o enfoque mecanicista desprezava-se na biologia exatamente o que era essencial ao fenômeno da vida: a organização, ou seja, “interações fortes e não triviais entre as partes que a compõem” (Bertalanffy, 1968). Bertalanffy ao elaborar a “teoria geral dos sistemas” em 1968, distinguiu duas vertentes teóricas das “ciências dos sistemas”. Uma mecanicista e outra organicista. A organicista estava relacionada com a teoria geral dos sistemas (proposta por ele mesmo) e a mecanicista com a cibernética, do matemático Americano Norbert Wiener. Assim, a Teoria Cibernética seria mecanicista por sua associação com as máquinas, ou sistemas artificiais, e a Teoria Geral dos Sistemas seria organicista por sua associação com os organismos vivos ou sistemas naturais, quer fossem biológicos ou sociais.

Nessa época, Bertalanffy não dispunha de um conceito sobre organização dos seres vivos, mas apenas indicava algumas características comuns a essas organizações, tais como: crescimento, diferenciação, e ordem hierárquica. O aparecimento do conceito de organização dos seres vivos como uma teoria bem configurada se deveu a Humberto Maturana em 1960.

Maturana entende como “ser vivo” toda rede de interações moleculares, que produz a si mesma e especifica os seus próprios limites (Maturana & Varela, 2002). Assim, Maturana introduz o conceito de “organização autopoiética” como o tipo de organização que caracteriza os seres vivos (Maturana & Varela, 2002). Autopoiese significa autoprodução ou autocriação. Segundo Emmeche e El-Hani (2000) trata-se de um termo para organização circular de um sistema vivo. Exemplo: Pense em uma célula. Seu limite é dado pela membrana biológica que forma um compartimento separado do meio externo. No interior deste compartimento todos o processos metabólicos ocorrem. Por outro lado, esse limite, ou fronteira, como no caso de uma membrana celular, é um produto do metabolismo do próprio sistema, sem o qual ele não existiria. Assim, a membrana existe por causa do metabolismo. Por outro lado, essa mesma membrana é parte intrínseca do sistema, sem a qual não poderia haver metabolismo. Cada um é determinante para a existência do outro, caso contrario se perderia a unidade do sistema que se desintegraria (figura organização circular, em baixo). Éssa é a idéia da organização circular como atributo definidor dos sistemas vivos. Se por um lado temos uma rede de interações capaz de criar limites (membranas), por outro, esse limite se torna uma condição obrigatória para a operação da própria rede, caracterizando um tipo de complexidade circular. Têm-se aí dois aspectos de um mesmo fenômeno que gera uma unidade autopoiética autônoma, pois toda a sua dinâmica se dará dentro dos seus próprios limites, criando uma unidade distinta e separada dos processos que ocorrem além de suas fronteiras.

Acho que agora, se lermos com toda a tenção, poderemos enterder as palavras de Maturana: “sistemas vivos são constituídos como unidades ou entidades discretas, com dinâmicas circulares fechadas de produções moleculares abertas ao fluxo de moléculas através delas, nas quais tudo pode mudar, exceto sua dinâmica circular fechada de produções moleculares”. Então, segundo Emmeche e El-Hani (2000), não se trata de negar a importância do intercambio entre sistema vivo e ambiente. A rede de components que corresponde ao sistema vivo é fechada em termos organizacionais mas aberta em termos materiais e energéticos, ou seja, ela está sempre trocando material e energia com o ambiente externo.

O tipo de organização de diferentes sistemas determina diferentes classes de sistemas (sistemas abertos ou fechados). Considerando que os seres vivos caracterizam-se por produzirem de modo contínuo a si próprios, as espécies de seres vivos se distinguem por terem estruturas distintas (tais como os gatos, cachorros, peixes, etc.), mas se igualam por terem organizações iguais, ou seja, organizações eutopoiéticas (Maturana & Varela, 2002). Para Maturana, um sistema vivo e dinâmico possui organização circular, atuando como uma rede de processos fechado sobre si mesma. Entretanto, tal sistema existirá como tal enquanto sua organização se conservar ao longo das mudanças estruturais geradas pela troca com o meio externo (alimento, calor, etc).

Segundo Vasconcellos (2003), Maturana diferencia um sistema aberto de um fechado com base no fluxo de informações ou instruções que o sistema pode receber de fora. Ou seja, sistemas cujo comportamento é determinado por um input são sistemas artificiais e, portanto, sistemas abertos, pois o fluxo de componentes de fora para dentro determina o seu comportamento posterior (output), como é o caso de jogos de computador e programas geradores de imagens, no qual ao serem inseridos dados, mudam suas estruturas e organizações (figura ao lado).

No caso dos seres vivos, os sistemas apresentam um fechamento estrutural, ou seja, são fechados à informação. De acordo com esse princípio, seu comportamento não pode ser determinado de fora, por qualquer informação que seja, e o ambiente não pode ter com esses sistemas uma interação instrutiva, sendo considerado um sistema fechado.

Para concluir, os sistemas autopoieticos não consideram o tempo como um parâmetro relevante. Segundo Letelier e colaboradores (2003), sistemas autopoiéticos são atemporais e intrinsecamente relacionais, o que os torna diferenciados e descolados das teorias que consideram o tempo como uma variável independente e enquadram os fenômenos biológicos na linguagem das equações diferenciais. Segundo Casti (1988), em certas circunstâncias, o tempo pode ser incorporado para certos modelos ou formulações, pois os sistemas vivos trocam rotineiramente de componentes dentro de uma dinâmica de destruição e criação estrutural durante a ontogenia (nascimento, aprendizado, desenvolvimento motor e morte de um ser vivo). Entretanto, na medida em que essas mudanças estruturais ocorrem, a organização do sistema se mantém inalterada, pois é atemporal. Ou seja, a estrutura muda com o tempo, mas a organização do sistema permanece inalterada (Kampis, 1991).

Sob esse aspecto, um sistema autopoiético pode ser descrito como um sistema complexo dentro das prerrogativas de Demo (2002) e Gell-man (1996), no sentido de que se trata de uma estrutura dinâmica e emergente, ou seja, muda irreversivelmente de estado ao longo do tempo sem perder a sua organização, pois essa é atemporal. Nesse contexto podemos enxergar os seres humanos. Nascem, se desenvolvem, amadurecem, envelhecem e morrem. Ou seja, mudam de estado por períodos determinados. Entretanto, não podem estar meio vivos. Ou estão vivos ou não. Grande abraço e até a próxima.

O que é a vida?

2009-04-10T22:52:00.000-07:00

Olá! Estamos todos conscientes de que os tópicos abordados aqui são baseados em evidências científicas que, do ponto de vista técnico são irrefutáveis. Ou seja, 1) foi demonstrado que genes responsáveis pela formação de dentes em aves existem mas apenas em estado não funcional; 2) o Dictyostelium discoideum é um organismo unicelular que pode se organizar como um organismo multicelular, tal como os metazoários, a depender das condições ambientais; 3) tanto os genes dos colágenos quanto os das moléculas de adesão possuem seqüências de pares de bases altamente conservadas, estando presentes praticamente em todas as espécies de vertebrados e invertebrados conhecidos; 4) o processo evolutivo é um fato científico e não uma questão de fé, tal qual demonstrado no estudo das inúmeras variedades de espécies animais e vegetais, domésticos e /ou selvagens, bem como por evidências fósseis, anatômicas e moleculares fartamente apresentadas pelos cientistas.

Entretanto, conceitos tais como moléculas fósseis funcionais e não funcionais podem ser entendidos como possíveis convenções de caráter didático e hipotético. Essa é a nossa intenção, atualizar dados sobre a evolução e criar hipóteses com base nesses dados. Em fim: biologia teórica. Estou escrevendo isso apenas para lembrar o que já foi escrito aqui em postagens anteriores e para introduzir um pensamento que se tornou um dos mais importatnes paradigmas da biologia teórica. Trata-se da “organização e estrutura dos seres vivos” tal qual Maturana e Varela (1884) elaboraram com base em experimentos em neurobiologia.

É consenso que a adaptação de um ser vivo surge primeiro no domínio microscópico dos genes (genótipo) para depois se expressar no nível micro ou macroscópico (fenótipo) dessa mesma individualidade. Mas é na totalidade do ser, aquilo que Maturana chama de fenótipo ontogênico, que se insere uma das grandes questões dos neurobiólogos Maturana e Varela. A organização da vida. Como ela se distingue daquilo que não é vivo e se mantém de forma distinta como uma individualidade, plenamente adaptada, durante todo o seu ciclo biológico.

O mais interessante sobre a noção do que seja a vida em Maturana e Varela é que ela nos “iguala” a qualquer outro ser vivo do ponto de vista de sua organização. Darwin já havia nos igualado a outras espécies do ponto de vista evolutivo. Ou seja, somos todos descendentes de um ancestral comum, mas por acúmulos de variações sucessivas devido a infinitas recombinações genéticas, adquirimos formas (fenótipos) diversificadas. Em Maturana, o princípio da evolução é aceito, entretanto para ele o organismo não se adapta mas apenas conserva a sua adaptação sem nunca a perder. A sistemática com base na genética demonstrou que o que nos torna mais ou menos próximos em termos de grau de parentesco é a homologia gênica. Por exemplo, dados mais pessimistas dizem que a homologia gênica entre o chipanzé e o homem é de 94%. Assim, chipanzé e homem diferem em apenas 6% geneticamente. Em Maturana as espécies são iguais do ponto de vista das suas organizações e diferentes do ponto de vista estrutural. Se Darwin pensasse na vida sob a ótica “meta-neo-pós-modernista” dos sistemas complexos adaptativos, não sei se entenderia a vida como um sistema aberto. Já em Maturana a vida é um sistema fechado no qual... Vamos fazer o seguinte, uma pausa para leituras importantes e embasamentos necessários para que a coisa fique bem amarrada sem deixar muitos “filósofos” de cabelo em pé. Até muito breve.

Pensamentos e hipóteses em Dictyostelium discoideum

2009-04-02T07:43:00.000-07:00

Continuando a postagem anterior, o D. discoideum é um exemplo de organização multicelular derivada de um organismo unicelular. Então, como ele vive? Durante sua fase unicelular pode ser encontrado sob a forma de amebas solitárias vivendo em ambientes repletos de matéria orgânica em decomposição e alimentando-se de bactérias. Há quem acredite que, na sua forma multicelular, o D. discoideum possa viver e se alimentar durante várias semanas de resíduos orgânicos em decomposição presentes nas florestas ou bosques, ou até mesmo em jardins residenciais em dias claros e úmidos, semelhantes aos que encontramos nas estações de verão/outono. O seu aspecto parece o de uma substância de cor amarelo/avermelhada cobrindo alguns centímetros de, por exemplo, uma madeira apodrecida. Essa massa se move pelo chão vagarosamente, mas seu movimento só pode ser percebido quadro a quadro, ou seja, a partir de imagens capturadas com uma máquina digital durante vários dias pois o seu deslocamento é muito lento. A reprodução na fase unicelular é assexuada e se dá por fissão binária, onde cada célula replica-se gerando clones de si mesma.

A passagem da forma unicelular para a multicelular inicia-se quando os recursos alimentares são exauridos. A partir daí, grupos individuais de amebas secretam um fator chamado de AMPc (adenosina monofosfato cíclico) que faz com que centenas ou milhares dessas amebas migrem em direção a um ponto central. Ali, elas se agrupam umas sobre as outras formando uma estrutura cônica fortemente aderida. Na parte mais alta deste cone forma-se uma ponta que, lentamente, se curva para frente. Agora o D. discoideum se parece com uma lesma (também chamada de pseudo-plasmódio) e passa a se movimentar como tal. O tempo transcorrido até este momento é de 14 horas. De um modo geral, o movimento do D. discoideum ocorre em ambientes com pouca luz e úmidos. Quando ele alcança locais iluminados, a migração é interrompida e inicia-se um processo de diferenciação celular no qual o organismo desenvolve um corpo de frutificação composto por um talo ou pedúnculo, semelhante a um cogumelo. Na parte superior formam-se vacúolos no qual se desenvolvem esporos. Vinte e quatro horas após a formação do corpo de frutificação, os esporos são dispersos e cada um deles se transforma em uma nova mixamoeba de vida livre.

Vários são os mecanismos envolvidos nesse processo. O certo é que, diferente das outras amebas, o D. discoideum possui no seu genoma (conjunto de todos os genes de um organismo) os genes responsáveis pela sua diferenciação. Isto confere a ele uma vantagem adaptativa enorme, pois, em épocas de escassez de alimentos, quando a maioria dos microorganismos morrem, ele produz esporos resistentes que permanecem “dormentes” até que as condições ambientais se tornem novamente favoráveis, levando cada esporo a se transformar em uma mixamoeba unicelular de vida livre novamente.

Alguns aspectos devem ser levados em consideração nesse ponto: 1) Os mecanismos que fazem com que organismos unicelulares se agreguem e diferenciem em pelo menos dois tipos celulares distintos são dependentes da expressão de moléculas de adesão na superfície de suas membranas. Isto sugere que, por ser o D. Discoideum um organismo primitivo, as moléculas de adesão devem ter sido um dos primeiros caracteres surgidos na evolução que permitiram a transição dos organismos unicelulares para multicelulares. Esse raciocínio é facilmente dedutível quando se estuda Biologia do Desenvolvimento ou Embriologia Comparada. Muitos dos mecanismos apresentados aqui, tais como: Migração celular, expressão de moléculas de adesão e diferenciação celular, também ocorrem no desenvolvimento embrionário de todos os vertebrados de uma maneira muito semelhante ao que ocorre com o D. Discoideum, ao menos nas fases iniciais do desenvolvimento embrionário. 2) O comportamento do D. discoideum evidencia uma importante característica dos seres vivos que é a sua propriedade emergente, ou seja, os seres vivos se auto-organizam a partir de certas condições iniciais, que no caso do D. discoideum está representada pela escassez de alimentos, gerando uma novo estado que lhe confere maior capacidade adaptativa do ponto de vista evolutivo, ou maior plasticidade biológica, diferente de adaptação evolutiva (comunicação pessoal por Henrique Leonel Lenzi), do ponto de vista ontogenético ou até mesmo social. E não somos todos nós assim? Opa, isso pode ser um bom tópico para uma outra postagem. Até a próxima.

Genes Fósseis e o Dictyostelium discoideum

2009-03-26T07:49:00.000-07:00

Caros amigos, entendo que ao longo da evolução das espécies, vários caracteres se desenvolveram e outros deixaram de existir, tais como diferentes órgãos, membros, tipos de proteínas e coisas afins, tornando as espécies melhor adaptadas para o seu meio. Tudo isso é possível ver nos registros fósseis encontrados pelos Paleontologistas. Todos esses caracteres são produtos de genes presentes no núcleo das células dos organismos vivos. Moléculas fósseis se originam de genes que surgiram nos primórdios da origem da vida. Mas o próprio gene também pode ser uma molécula fóssil. Acredito que podemos considerar moléculas fósseis, não só aquelas encontradas preservadas nas rochas mas também genes não funcionais encontrados em organismos atuais cuja função é conhecida apenas em outra espécie, como é o caso dos genes do dente da galinha, que não são funcionais nas aves mas são funcionais nos mamíferos. Então poderíamos pensar também em genes fósseis funcionais. Ou seja, aqueles genes que foram conservados desde a origem dos primeiros seres vivos e permaneceram funcionais na maioria dos seres até hoje, como é o caso do gene do colágeno que confere firmeza à pele dos mamíferos. Vou tentar elaborar melhor esse pensamento apresentando o Dictyostelium discoideum no contexto da origem evolutiva dos metazoários (organismos pluricelulares).

O Dictyostelium sp. pertence ao reino Protista e ao Filo Unikonta, do qual fazem parte as amebas. Entretanto, é chamado de myxamoebae ou ameba social devido a sua capacidade de formar agregados celulares semelhantes a organismos multicelulares, inclusive apresentando tecido diferenciado com divisão de trabalho. As outras espécies de amebas permanecem solitárias durante todo o seu ciclo de vida. Trata-se de um organismo extraordinário, primitivo e misterioso, que conserva no seu comportamento, os mecanismos que, provavelmente, levaram à evolução dos metazoários.

Nos primórdios da evolução, há aproximadamente cinco bilhões de anos, a vida na Terra era exclusivamente unicelular e todos os seres estavam perfeitamente adaptados às condições ambientais existentes. Não havia pensamento, desejo ou intenção. Apenas tentativa e erro na longa evolução molecular impulsionada por forças eletromagnéticas das moléculas presentes no “caldo primordial” que resultariam na primeira célula viva, com metabolismo próprio, capaz de se auto-manter e replicar-se de forma autônoma. Foram aproximadamente três bilhões e meio de anos de vida unicelular até o aparecimento dos metazoários.

Vários eventos foram fundamentais para o aparecimento dos metazoários, incluindo: 1) O surgimento da Matriz Extra Celular (MEC) e; 2) o aparecimento das Moléculas de Adesão (MA). 1) A MEC é uma complexa rede de macromoléculas que preenche os espaços extracelulares dos tecidos dos vertebrados e invertebrados permitindo que as células fiquem aderidas ali. Fazem parte dessa rede algumas moléculas fibrosas como os colágenos, entre muitas outras. Isto mesmo! o colágeno da pele do homem é derivado de um gene muito antigo e conservado durante a evolução, que sofreu pouca modificação ao longo das eras geológicas e está presente nos mamíferos, répteis (incluindo dinossauros) e muitos invertebrados, desde vermes e crustáceos até as esponjas marinhas. Daí entende-se que este gene surgiu e se diversificou a partir de um ancestral comum das esponjas e de outros animais, como foi proposto por Morris em 1992. Por estes motivos, o gene do colágeno poderia ser considerado uma molécula fóssil funcional.

2) As Moléculas de Adesão são receptores presentes na membrana das células e permitem a adesão entre as células e entre as células e o colágeno, levando à formação dos tecidos dos metazoários. Existem vários tipos de MA. Entre eles as Integrinas. As integrinas podem se ligar aos colágenos e formar camadas de tecido sobre uma rede de fibras. Os genes das integrinas foram altamente conservados durante a evolução e estão presentes atualmente em uma ampla variedade de espécies, incluindo mamíferos, aves, anfíbios, insetos, fungos e esponjas (Marcantonio & Hynes, 1988). Portanto, o genes dos colágenos e das integrinas são como fósseis moleculares funcionais. Bom! e o Dictyostelium discoideum com essa história toda? Isso fica para a próxima postagem. Grande abraço e até lá.

O dente da galinha

2009-03-19T11:16:00.000-07:00

Atualmente tenho estado muito influenciado pelos pensamentos de Darwin. Não por acaso comemoramos este ano o seu bicentenário (1809-1882/2009) e os 150 anos de “Origem das Espécies”. Apesar de Darwin não ter construído no Rio de Janeiro os pontos mais quentes da sua teoria, é admirável o seu encanto pela exuberância das nossas matas e o seu discreto repúdio com a condição política do Estado Brasileiro até 1832, em plena escravocracia. Me pergunto se no domínio dos escravocratas, o Capitão Fitz Roy, comandante do HMS Beagle, navio hidrográfico da marinha real britânica no qual Darwin fez a sua viagem, precisou da sanção do império brasileiro para sua passagem de exploração (provavelmente mapeamento, entre outros) pela costa do Brasil. O que também chama a atenção na releitura do seu diário é a ausência de notações sobre índios no Rio de Janeiro. É surpreendente que já em 1832 todos houvessem sido exterminados.

Políticas a parte, acredito que Darwin ficaria bem feliz com as novas descobertas científicas que tem sustentado cada vez mais a sua teoria. No caso específico do nosso tema, “o dente da galinha”, o campo é fértil. Vejamos um membro da extinta família Pelagornithidae, pertencente à Ordem dos Pelecaniformes, cujo membro foi descoberto no Peru, mais exatamente no deserto da região Ica. Trata-se de uma ave marinha fóssil, extinta a 10 milhões de anos. Nela é possível ver nitidamente os dentes, ou melhor, um crânio de 40cm cujo bico tem projeções ósseas semelhante a dentes (veja a figura ao lado). Vamos nos situar melhor! Muitos de nós acreditam que as aves evoluíram de ancestrais dinossauros, particularmente do grupo dos Terópodes. Os Terópodes pertencem a Superordem Dinosauria que também agrega outros grupos de dinossauros como os Saurópodes, Anquilossauros, Estegossauros, Ceratopsídeos, Ornitópodes e Paquicefalossauros. De todos esses grupos, apenas os Terópodes e os Paquicefalossauros são bípedes, como as aves. Entretanto, só os Terópodes possuem fúrcula, um tipo de osso leve, cheio de ar, que as aves também possuem, alem de serem os únicos tipos de dinossauros que cuidam dos seus filhotes e os ensinam a caçar. Cabe lembrar que evidências fósseis mostraram que uma espécie de Terópode, o Velociraptor mongoliensis possuía penas. No mais, todos os dinossauros botavam ovos. Pois bem, essas maravilhosas descobertas aproximaram ainda mais as aves dos répteis colocando-as como seus verdadeiros descendentes. É importante dizer que os primeiros fósseis de dinossauros conhecidos datam de 235 milhões de anos e pertencem ao gênero Eoraptor. Segundo os paleontólogos, o Eoraptor se parece com o antepassado comum de todos os dinossauros, sugerindo que os primeiros dinossauros foram predadores pequenos, provavelmente bípedes. Assim, podemos suspeitar que os dinossauros e as aves, no mínimo, tiveram um ancestral comum a partir do Eoraptores, e o que é melhor, eles tinham dentes. Segundo a literatura especializada, os dentes das aves desapareceram há 70-80 milhões de anos. Poderíamos fazer uma pergunta nesse ponto: Se novas espécies derivam de outras, será que teríamos um registro molecular, semelhante aos registros fósseis, que comprovariam tais evidências? Sim! Foi demonstrado que genes responsáveis pela formação de dentes em répteis e mamíferos também estão presentes nas aves (veja o link).

Na epiderme de embriões de aves aparece, durante o desenvolvimento da epitélio mandibular, um espessamento tecidual semelhante ao que ocorre em camundongos durante a formação da lâmina dental (Chen, Y. E colaboradores, 2000). Entretanto, esta estrutura regride e a invaginação (dobra do tecido) associada com a formação dos dentes não ocorre. Por outro lado, se for feito um enxerto com tecido embrionário de camundongo (ectomesênquima oral) no mesmo epitélio mandibular de aves descrito anteriormente, o tecido adquire a capacidade de produzir dentes (Kollar & Fisher, 1980). Isto sugere que existe um programa genético dormente que confere à epiderme mandibular das aves a capacidade latente de desenvolver dentes, mas que foi reprimido durante o processo evolutivo. Em 2006, Harris e colaboradores mostraram que os mesmos genes responsáveis pelo desenvolvimento dos dentes em vertebrados (shh, fgf8, bmp4 e ptix2) estão presentes em embriões de galinha. Ele acredita, conforme trabalhos realizados com embriões selvagens de galinha e em embriões mutantes (ta2), que o desaparecimento dos dentes nas aves foi devido à perda da justaposição direta entre os dois tecidos formadores de dentes na cavidade oral da aves, ou seja, o ectoderma e o mesênquima oral dos embriões. Estes deveriam estar alinhados durante o desenvolvimento embrionário, permitindo que os genes sinalizadores fgf8, bmp4, e shh, ativassem o mesênquima da cavidade oral e o capacitasse novamente a formar dentes, como ocorre nos répteis. Mas isso não é mais possível devido ao desalinhamento tecidual observado.

Colocando claramente. A presença de genes de dentes na aves, e sua reativação em laboratório, é forte evidência, junto com achados fósseis e demais descobertas, de que as aves (galinhas) já tiveram dentes e os perderam ao longo do seu processo evolutivo. Assim, tirando as explicações morfológicas e moleculares que eventualmente tornam o texto difícil de ser entendido, não faria sentido a presença de genes de dentes nas aves se estes não tivessem sido utilizados em algum momento durante a transição evolutiva dos répteis para as aves. Isto não é fantástico?

Abraços e até a próxima.

Para que?

2009-03-11T05:41:00.000-07:00

Tem uma coisa interessante quando se dá aula. A pergunta “porque?”. O “porque” constrange e parece coisa de outro domínio. Tipo religião ou física quântica. Têm um pé na metafísica das possibilidades inimagináveis definitivamente outras dimensões. Literalmente transcende! Quando me perguntam “porque” eu quase consigo ver um olhar carente de quem foi pouco amamentado. Definitivamente o “porque” não é a minha praia. Em biologia gostamos mais de “como” e “para que”. O “como” tem sempre relação com o mecanismo do sistema, suas propriedades e dinâmica, etc. O “para que”... bom, o “para que” é sempre para estar mais vivo e melhor. Mais adaptado! Para que morremos? Em última instância trófica, para que as mangas dos cemitérios sejam maiores e mais gostosas. Para que? Para que as larvas de Ceratitis capitata, uma espécie de mosca de fruta proteliana (o mesmo que parasito de fase juvenil), que vivem no interior da fruta, fiquem maiores e mais gostosas. Para que? Bom, para que a vespa Diachasmimorpha longicaudata, ou coisa parecida, possa atacar as larvas no interior da fruta e colocar nelas seus ovos. Para que? Para que a larva da vespa se alimente da pupa da mosca que se alimentou da popa da fruta que cresceu grande e gostosa no cemitério. Para que? Para que a larva da vespa se transforme em vespa adulta maior e mais gostosa. Para que? Sei lá! Pra começar tudo de novo. Para que? Sei lá! Eles estão usando isso até no controle de pragas de moscas da fruta!!! Para que? Dizem que lá na Tailândia eles gostam de vespa torradinha.
Tem uma coisa interessante que acontece quando eu estou dando aula. Os alunos gostam sempre do “para que”. Sei lá não é resposta!

Evolução

2009-03-09T11:44:00.000-07:00

Caros amigos,
Impressiona-me a resistência que certas pessoas têm a respeito da teoria da evolução. Eventualmente, as motivações para a negação da teoria se limitam ao raciocínio puro e simples sobre a beleza de certos aspectos da natureza. Por exemplo: é comum a argumentação de que a perfeição do vôo de uma ave de rapina, ou mesmo a estética simétrica de certos mosaicos encontrados nas asas de algumas espécies de borboletas ou em carapaças de diatomáceas, etc., possam ser obra do acaso. Ora, por favor, tais argumentações são demasiadamente fracas até mesmo para justificar a vontade criadora de um deus. No momento em que o mundo comemora os 150 anos da publicação de “A origem das espécies”, surpreende que jornalistas e intelectuais utilizem “legitimamente” a mídia impressa para falar de temas para os quais não estão preparados por estarem desatualizados. Por outro lado, mais surpreendente é a ausência de consultores científicos nessas mídias para orientar aqueles que querem emitir opiniões favoráveis ou contrárias sobre temas científicos sem que para isso incorram no erro de veicular informação errônea sobre as ciências biológicas. Se por um lado a democracia nos permite falar as bobagens que queremos, por outro lado a mídia tem que ter responsabilidade com aquilo que publica sob o risco de prestar desserviço cultural e científico. Foi o caso da publicação do jornal O Globo feita em 20/02/2009, onde o Sr. Luiz Paulo Horta, jornalista e imortal da Academia Brasileira de Letras (ABL) , escreveu sobre a teoria da evolução sob o título “Nas águas de Darwin”. Nele, o Sr. Horta se refere a Darwin com "vovô" e discorre toda a sua ignorância a respeito do tema. O início do texto é até elegante, mas depois impressiona a sua coragem de falar sem conhecimento de causa, apenas baseado na sua fé e em programas da BBC sobre os quais a natureza é apresentada como algo perfeito e equilibrado. Meus caros, o equilíbrio dos sistemas biológicos é tão fino quanto o de um “bêbado equilibrista”. Por isso mesmo são tão instáveis e sujeitos a transformações radicais ao menor ruído. O mito do equilíbrio perfeito há muito já caiu. Do ponto de vista da adaptação biológica, somos tão evoluídos quanto as baratas ou qualquer outro animal existente no planeta. Formas de vida que não estão adaptadas para os ambientes que ocupam ou estão extintas ou em vias de extinção. Vou tentar ser mais claro sobre isso em algum momento próximo.
Grande abraço.

Apresentação

2009-03-05T14:55:00.000-08:00

Saudações a todos. Como primeira postagem, pensei em fazer uma introdução que não fosse formal e pesada, já fazendo. A intenção é estabelecer uma linguagem de amplo alcance com base em conceituações objetivas e diretas, semelhante a textos de divulgação científica. Entretanto, a princípio, não pretendo reproduzir reportagens ou artigos de outros autores. Quando muito, estabelecer um pensamento crítico sobre eles. Alguns temas de interesse científico serão analisados sob a ótica da biologia sistêmica, que é uma das bases da minha formação. Provavelmente, muitos não sabem, mas a Biologia apresenta respostas para questões fundamentais sobre a natureza que muitas vezes são discutidas apenas no âmbito da Física ou da Matemática. Algumas delas são: a geometria dos fractais, os sistemas complexos, o caos, a relatividade, entre outros. Muitas "verdades" da Física entram em confronto direto com o pensamento biológico, sendo impossível a sua coexistência, como é o caso da questão relacionada à viagem no tempo, tão propagada pela física e francamente contrária à possibilidade biológica. Obviamente me abstive de citar temas clássicos tais como a evolução das espécies, a ecologia, a biologia do desenvolvimento, a biologia molecular, a genética e a imunologia, pois estes serão recorrentes aqui. Tentaremos pensar sobre questões imprescindíveis como a origem da vida desde a primeira célula até a emergência da espécie humana, passando pelos fascinantes dinossauros; a evolução molecular desde a formação dos átomos nas estrelas; a neurobiologia e o processo de aprender a aprender; a diferença entre plasticidade e adaptação e, finalmente, a questão da saúde e da doença. Também abordaremos o desenvolvimento das cidades, da ciência e da tecnologia, como processos tão naturais quanto nascer e morrer. Em fim, já estou cansado, mas como não teremos data para terminar...
Grande abraço para todos e até lá.