Apresentação - azevedolab.net
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Biofísica Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr. E-mail: [email protected] Local das aulas teóricas: 12 A/307 Local das aulas práticas: 12 C/202 Laboratório do Prof. Walter: Bloco12 C/204 1 © 2015 Dr. Walter F. de Azevedo Jr. Apresentação 2 Prefácio Antes de iniciarmos o curso, gostaria de destacar que todo esforço foi realizado para que o texto esteja em concordância com as regras vigentes da nova ortografia. Mas eu cometo erros de digitação com frequência, por isso já peço desculpas antecipadas. Outro ponto que gostaria de destacar, as aulas em PowerPoint têm como objetivo disponibilizar o conteúdo completo da disciplina em PDF (Portable Document Format). Visto que os slides foram preparados como material de estudo, eles apresentam, na grande maioria, um texto longo para o padrão de apresentações de slides. Por isso, veja a apresentação disponibilizada como material de estudo, e não somente o slide da aula, onde recomenda-se escrevermos pouco. O texto está com fonte arial e tamanho 18. Máquina de escrever inventada pelo padre paraibano, Francisco João de Azevedo. Site da Revista Pesquisa Fapesp. Disponível em: <http://revistapesquisa.fapesp.br/2001/07/01/140-anos-deuma-injustica/ >. 3 Acesso em: 03 de agosto de 2015. Biologia no Século XXI Genômica é a ciência que estuda os mapas genéticos e o sequenciamento do DNA de conjuntos de genes ou de organismos completos. São usadas técnicas de sequenciamento de DNA de alta velocidade, o que permite o estudo de grandes trechos de DNA em um tempo relativamente curto. O sequenciamento completo do genoma humano demorou uma década (finalizado em 2000). Há previsões que genomas completos de humanos poderão levar a uma medicina individualizada, onde a tendência para certa doença possa ser inferida dos genomas individuais. Tal evento torna possível a prevenção de doenças numa escala até bem pouco tempo não prevista. Sequenciador de DNA do Joint Genome Institute, Wallnut Creek CA, USA. O sequenciamento do DNA determina a ordem exata dos nucleotídeos que formam um gene. Tal informação é armazenada em bases de dados, disponíveis on-line. Site Science Photo Library. Disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/439916/enlarge>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 4 Biologia no Século XXI Proteômica é uma parte da biotecnologia interessada no uso de metodologias vindas da biologia molecular, bioquímica e genética para a análise da estrutura, função e interações das proteínas codificadas por genes de uma célula em particular, tecido ou organismo. Tal informação é organizada em bases de dados e apresenta aplicações na biologia e medicina. A proteômica faz uso intenso de ferramentas de bioinformática e tem como principal equipamento de uso o espectrômetro de massas. Tal equipamento é capaz de sequenciar amostras de proteínas e peptídeos. Disponível em: <http://www.merriamwebster.com/medical/proteomics> Acesso em: 03 de agosto de 2015. Espectrômetro de massas da Applied BioSystems localizado no Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California, USA. O espectrômetro de massas pode ser aplicado ao estudo de proteínas. No experimento usa-se separação por cromatografia líquida. Site Science Photo Library. Disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/137586/view>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 5 Biologia no Século XXI Transcriptômica é o estudo dos níveis de expressão de RNA mensageiro em uma dada população de células. Entre a avalanche de termos finalizados em “oma”, destacamos o transcriptoma como o conjunto de todas as moléculas de RNA, incluindo RNA transportador, RNA mensageiro, RNA ribossômico e regiões não-codificantes de RNA, que são produzidas numa célula ou numa população de células. Ao contrário do genoma, que é aproximadamente fixo num organismo, o transcriptoma é altamente sujeito às interferências externas. O transcriptoma mostra o conjunto de genes que serão expressos, onde leva-se em consideração os estímulos dado à célula. Tal estudo está relacionado ao proteoma, o que permite termos uma visão dinâmica da célula. O transcriptoma é o conjunto de todas as moléculas de RNA, com inclusão do RNA transportador mostrado acima. A figura foi gerada com o programa Visual Molecular Dynamics (VMD). As coordenadas atômicas do RNA transportador foram obtidas do banco de dados PDB (código de acesso PDB: 6tna). Referência: Sussman, J.L., Holbrook, S.R., Warrant, R.W., Church, G.M., Kim, S.H. Crystal structure of yeast 6 phenylalanine transfer RNA. I. Crystallographic refinement. (1978) J.Mol.Biol. 123: 607-630 Biologia no Século XXI Metabolômica é o estudo de metabólitos, tais como açúcar e ácidos graxos, que são medidos em determinadas condições na célula. Nesses estudos são usadas técnicas espectroscópicas e de cromatografia para a análise e quantificação de metabólitos. Uma das aplicações de metabolômica é o estudo de via metabólicas presentes em bactérias, mas ausentes em humanos para o desenvolvimento de antibióticos. Disponível em: < http://whatis.techtarget.com/definition/metabolomics > Acesso em: 03 de agosto de 2015. Via metabólica do ácido chiquímico. As enzimas e os metabólitos são mostrados na figura, a via envolve 7 passos enzimáticos. Disponível em <http://www.biomedcentral.com/14712105/11/12/ >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 7 Biologia no Século XXI Biologia sistêmica ou biologia de sistemas (systems biology) é a elaboração de modelos computacionais para simulação de sistemas biológicos. A biologia de sistemas está baseada na teoria de sistemas. Como destacado anteriormente, os projetos genomas geraram grande quantidade de dados, que estão organizados em bases de dados. Tal informação é estática, para que possa gerar conhecimento novo faz-se necessário sua interpretação e modelagem, a partir do qual teremos uma visão geral dos fenômenos relacionados à vida. Como podemos esperar, a biologia de sistemas faz uso intensivo de ferramentas computacionais. Tal aspecto leva a uma estreita relação com a bioinformática e proteômica. Organismo Genes Genômica mRNAs Proteínas Metabólitos Transcriptômica Proteômica Metabolômica Verificação experimental Análise computacional dos dados Modelo Previsão Integração de informações biológicas para elaboração de modelos e a previsão de comportamento a partir dos modelos gerados. 8 Biologia no Século XXI A figura ao lado ilustra a abordagem de sistemas no estudo da biologia. A partir de estudos experimentais, um organismo é analisado, o que gera informações sobre o genoma, transcriptoma, proteoma e metaboloma. Tais informações são integradas e analisadas, o que pode levar a um modelo, a partir do qual podemos fazer previsões sobre o comportamento do organismo em estudo. As previsões devem passar por testes, que validarão ou não o modelo proposto. Para cada novo modelo gerado, novos experimentos podem ser propostos, num processo de realimentação, que é o paradigma do desenvolvimento científico. . Organismo Genes Genômica mRNAs Proteínas Metabólitos Transcriptômica Proteômica Metabolômica Verificação experimental Análise computacional dos dados Modelo Previsão Integração de informações biológicas para elaboração de modelos e a previsão de comportamento a partir dos modelos gerados. 9 Biologia no Século XXI Independente de nos fixarmos em definições rígidas, nós temos que manter em mente que a forma como estudamos problemas biológicos mudou radicalmente nos últimos vinte anos. Tal mudança tende a se acelerar, seguindo uma tendência de todas as ciências (singularidade tecnológica), mas, com certeza podemos afirmar, que a computação terá cada vez mais um papel fundamental no estudo de sistemas biológicos, como disse Harold Morowitz: “Computers are to biology mathematics is to physics”. what Prof. Harold Morowitz. Santa Fé Institute. Disponível em: http://www.santafe.edu/about/people/profile/Harold%20Moro witz . Acesso em: 03 de agosto de 2015. 10 Biologia no Século XXI Biofísica é ciência que usa técnicas e métodos físicos para o estudo de problemas biológicos. Diversas técnicas desenvolvidas pelos físicos são de grande utilidade para o estudo de problemas biológicos. Todos os tipos de microscopia, ótica e eletrônica. Técnicas de difração de raios X e ressonância magnética nuclear e diversas técnicas de espectroscopia à laser, para citar algumas. A abordagem de problemas biológicos, na escala molecular, necessita de conhecimentos da mecânica quântica. Outra forte interação da física com a biologia relaciona-se à aplicação da termodinâmica e da física estatística no estudo das trocas energéticas em sistemas biológicos. Cristais de proteína usados para resolução da estrutura tridimensional, a partir do uso da técnica de cristalografia por difração de raios X. Cada cristal mostrado na foto tem comprimento aproximado de 1 mm. 11 Biologia no Século XXI A presente disciplina apresentará as bases físicas de diversos fenômenos biológicos, tais como, impulsos nervosos, contração muscular, visão e audição, bem como apresentará os principais conceitos físicos para o entendimento de algumas técnicas relevantes para o estudo da biofísica (como a cristalografia por difração de raios X). Muitos dos fenômenos biológicos são explicados hoje no nível molecular, uma introdução às bases físicas das estruturas de macromoléculas biológicas será apresentada na disciplina. Laboratório Nacional de Luz Síncrotron-Campinas-Brasil. O LNLS produz radiação de grande intensidade que é usada para diversas pesquisas, entre elas o estudo estrutural de macromoléculas biológicas, como DNA, RNA e proteínas. 12 Ementa da Disciplina Biofísica Ementa estrutura tridimensional de macromoléculas biológicas; modelos estruturais da membrana celular; fenômenos elétricos na célula, potencial de membrana, potencial de ação, sinapses; biofísica da visão, biofísica da audição, contração muscular; conceitos básicos sobre radiação, modelos atômicos e espectroscopia, proteção radiológica, desintegração nuclear, produção e propriedades dos raios X; métodos experimentais de biofísica molecular; métodos teóricos em biofísica. Jet e a mecânica quântica 13 Critérios de Avaliação Avaliação Média do projeto e trabalhos 6 P 4T G1 P é a nota do projeto a ser apresentado e T a média aritmética dos trabalhos a serem desenvolvidos em sala de aula. 10 A média G1 para aprovação é 7,0. Quem tiver nota abaixo de 7,0 e maior que 4,0 irá para G2. A G2 é uma prova com toda a matéria. Quem tiver média entre 0,0 (zero) e 3,9 fará disciplina em outra oportunidade. 14 Presença nas Aulas Temos 4 horas/aula por semana, cada dia de aula temos 2 horas/aula, assim há um total de 60 horas/aula, os alunos podem faltar 15 horas/aula, ou seja, 7 dias e meio de aulas. Há chamada em todas as aulas. Por favor, tenham muito cuidado com as faltas! Praticamente todos semestres há alunos que têm nota para serem aprovados, mas reprovam em faltas. 15 Desenvolvimento do Projeto Os alunos apresentarão no final do semestre um projeto sobre biofísica. A apresentação será em PowerPoint e terá um tempo mínimo de 10 minutos e um tempo máximo de 15 minutos. Após a apresentação teremos até 10 minutos para perguntas. Os dias das apresentações são os seguintes: 09/11/2015 das 8h00 às 9h50 16/11/2015 das 8h00 às 9h50 23/11/2015 das 8h00 às 9h50 30/11/2015 das 8h00 às 9h50 Todos os projetos terão uma apresentação, mas o desenvolvimento do projeto, bem como o título do projeto, fica a critério dos alunos. Os grupos terão no máximo 5 alunos, sem exceção. Quem quiser fazer sozinho pode, mas não esqueçam que o trabalho será avaliado da mesma forma. Os alunos têm até o dia 31 de agosto de 2015 às 9h50 para a entrega do título do projeto, bem como a lista completa dos componentes do grupo. 16 Desenvolvimento do Projeto Abaixo temos uma lista de possíveis projetos a serem desenvolvidos pelos grupos: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19) 20) 21) 22) 23) 24) 25) 26) 27) Astrobiologia Estrutura tridimensional de proteínas Estrutura tridimensional de ácidos nucleicos Modelos de membrana celular Fenômenos elétricos na célula Potencial de ação Sinapse química Canais iônicos Neurotransmissores Contração do músculo esquelético Ondas Biofísica da visão Biofísica da audição Mecânica quântica e espectroscopia Radiação e radioatividade Efeitos biológicos da radiação Energia nuclear Teoria de Gaia Camada de ozônio Efeitos estufa Espectrometria de massas Cristalografia por difração de raios X Proteínas como alvos para o desenvolvimento de fármacos Simulação computacional da interação de fármacos com proteínas Desenvolvimento de fármacos contra AIDS Desenvolvimento de fármacos contra o câncer Outros Estas são sugestões, se algum grupo tiver outra ideia que gostariam de desenvolver, podemos discutir, desde que esteja relacionada à ementa da disciplina biofísica 17 Desenvolvimento do Projeto Uma vez selecionado o projeto, os alunos usarão os recursos de busca da internet para o elaborar uma apresentação sobre o assunto. A ideia principal é que usemos uma abordagem de inteligência coletiva para o desenvolvimento do projeto. O conceito de inteligência coletiva é simples. Qualquer grupo de pessoas que soma seus conhecimentos sobre um dado assunto, integrando os conhecimentos de forma organizada, para resolver um problema, está fazendo uso da inteligência coletiva. Com o desenvolvimento da web, a integração das pessoas e disponibilidade da informação facilitou o desenvolvimento de projetos de inteligência coletiva.. Escolha do projeto 31/08/2015 Apresentações Desenvolvimento 09/11/2015 das 8h00 às 9h50 16/11/2015 das 8h00 às 9h50 23/11/2015 das 8h00 às 9h50 30/11/2015 das 8h00 às 9h50 18 Desenvolvimento do Projeto Na disciplina de biofísica, usaremos a inteligência coletiva para o desenvolvimento do projeto, que tem como principal objetivo preparar uma aula sobre um assunto da biofísica. Mas não uma aula no sentido tradicional da palavra. Esperamos que os grupos desenvolvam o projeto com criatividade, usando diversas formas de explicar o assunto do projeto, desde vídeos, sites, programas de computador, blogs, facebook, entre outras ferramentas. Google Scholar PubMed Alguns sites com informações adicionais sobre inteligência coletiva: Web of Knowledge… Site do Center for Collective Intelligence do MIT: http://cci.mit.edu/ Site do edge.org com entrevista sobre inteligência coletiva: http://edge.org/conversation/collective-intelligence Site da IBM sobre inteligência coletiva: http://www-935.ibm.com/services/us/gbs/thoughtleadership/ibv-collectiveintelligence.html Acesso em: 03 de agosto de 2015. Inteligência Coletiva 19 Desenvolvimento do Projeto Informações importantes: 1) Número máximo de alunos por grupo 5 (podemos ter grupos de um a cinco alunos) 2) Data máxima para entre dos títulos dos projetos e membros dos grupos 31 de agosto de 2015 às 9h50. 3) Datas das apresentações em PowerPoint: 09/11/2015 das 8h00 às 9h50 16/11/2015 das 8h00 às 9h50 23/11/2015 das 8h00 às 9h50 30/11/2015 das 8h00 às 9h50 4) Data da G2: 7/12/2015 às 8h00 (sala 12 A/307) 20 Desenvolvimento do Projeto Pontos importantes do projeto: 1) Apresentação em PowerPoint, com a presença de todos os elementos do grupo, sem exceção; 2) Incluir na apresentação citação de pelo menos um artigo científico relacionado com o assunto do projeto (usar PubMed); 3) Todos os membros do grupo devem ter conhecimento sobre o tópico a ser apresentado; 4) Todos alunos devem assistir as apresentações dos grupos, caso contrário ficarão com falta; 5) Na apresentação os alunos devem mostrar pontos relevantes do projeto, como sites relacionados ao assunto, pode incluir a demonstração de um experimento em sala de aula, um blog desenvolvido pelo grupo, programas de computador relacionados ao assunto, a formação de grupos para discussão do assunto nas redes sociais, tais como grupos no Facebook; 6) A criatividade e o domínio sobre o conteúdo apresentado será considerado na avaliação; 7) Estou disponível todos os dias da semana na sala 204/bloco C para tirar dúvidas sobre o projeto e a disciplina. Pode me contatar por e-mail: [email protected] . 21 Busca de Informação Científica na Internet O google scholar é a ferramenta de busca de informação científica mais conhecida, contudo, quando se trata de ciência, as opções devem ser utilizadas com critério e atenção. Para a pesquisa de artigos científicos, utilizamos duas ferramentas principais: PubMed e ISI (Institute for Scientific Information). Ambas as ferramentas funcionam em inglês, e na grande maioria das vezes as revistas científicas, a serem analisadas por essas ferramentas, são escritas em inglês. Página de entrada do Google Acadêmico. Disponível em: < http://scholar.google.com >. Acesso em: 03 de agosto dePá 2015. 22 Busca de Informação Científica na Internet O PubMed é uma ferramenta do NCBI (National Center for Biotechnology Information), e está centrado na pesquisa de revistas científicas das áreas biológicas e médicas. Boa parte das revistas científicas encontram-se indexadas nesse site. O PubMed pode ser acessado a partir de computadores fora da Universidade, se sua pesquisa está centrada em assuntos da área biológica há grandes chances de você encontrar o que está procurando, usando-se essa ferramenta. O webofknowledge (ISI) é bem mais completo que o PubMed, pois não está restrito à área biológica, inclui ciências exatas, artes e humanidades. Página webofknowledge do ISI Acesso em: 03 de agosto de 2015. . 23 Busca de Informação Científica na Internet Você pode acessar o PubMed endereço: no Campo para inserir a palavra para busca http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ . A página de entrada é mostrada ao lado. O campo indicado pela seta é usado para digitarmos a(s) palavra(s) sobre o qual queremos pesquisar. Podemos usar também para busca de artigos pelos autores. Mais informações no site: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK3827/#pubmedhelp.PubMed_Quick_Start Acesso em: 03 de agosto de 2015. 24 Busca de Informação Científica na Internet Vamos efetuar dois tipos básicos de buscas no PubMed. 1) Busca por assunto. Imagine que você está interessado em ter acesso aos artigos científicos publicados sobre estruturas de DNA. Podemos colocar “DNA structure”, não se esqueça, o site funciona em inglês. Depois clicamos no “Search” 25 Busca de Informação Científica na Internet Os resultados da busca estão mostrados abaixo. Cada artigo encontrado é numerado, do mais recente para o mais antigo. Tais parâmetros de visualização podem ser mudados. Ao correr a barra vertical do seu browser você verá mais artigos. Nesta busca foram identificados 522 artigos. 26 Busca de Informação Científica na Internet 2) Busca por autor(es). Você pode fazer uma busca por autores, por exemplo todos os artigos de James D. Watson, um dos cientistas que elucidou a estrutura do DNA. Para efetuar busca por autor, é melhor deixar claro que estamos procurando os artigos do autor, e não sobre o autor, assim indicamos "Watson JD"[Author] .Depois clicamos no “Search” 27 Busca de Informação Científica na Internet 2) Busca por autor(es). Podemos buscar os artigos de dois ou mais autores, usando o operador lógico “AND”. Por exemplo, queremos encontrar os artigos publicados por James D. Watson e Francis H. Crick. Indicamos no campo de busca "Watson JD" AND "Crick FH”[Author]. Depois clicamos no “Search” 28 Carreira Acadêmica Vocês são alunos de um curso de graduação. Atualmente vocês estão dando os primeiros passos de uma carreira fascinante e desafiadora, mas que permitirão que vocês se apaixonem cada vez mais pelo estudo da natureza. O fluxograma ao lado indica os principais passos da carreira científica. Após a graduação, vocês têm o curso de pósgraduação stricto sensu, níveis de mestrado e doutorado. Ao terminar o doutorado, vocês podem fazer estágio de pós-doutoramento, que não é um curso, mas dá uma experiência extra ao recém doutor. Depois de muito anos de carreira acadêmica, você poderá prestar o concurso de livre docente, sendo este o título acadêmico mais alto da carreira científica. Para se candidatar ao título de livre-docente, é necessário ter orientado mestres e doutores. Graduação (4 – 6 anos) Mestrado (2 – 4 anos) Dissertação de mestrado Doutorado (4 – 6 anos) Tese de doutorado Pós-doutorado (1 – 2 anos) Livre-docência (Indeterminado) 29 Pesquisa 1 O homem esteve realmente na Lua ? 30 Pesquisa 2 Você acredita que os astros podem exercer alguma influência sobre o destino das pessoas ? 31 Navalha de Occam Tudo que existe na natureza é formado de informação, energia e massa, sendo a última uma forma de energia. As relações entre massa e energia são regidas por quatro forças básicas. Todo fenômeno natural observado é resultado da interação de uma ou mais dessas forças. No estudo científico de qualquer fenômeno, nós usamos alguns princípios lógicos que nos guiam na interpretação da natureza. Discutiremos aqui o princípio lógico conhecido como navalha de Occam. Disponível em: <http://www.eessi.net/wpcontent/uploads/2011/11/ockhams-razor.gif >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 32 Navalha de Occam O conceito da Navalha de Occam (Lex parsimoniae) foi estabelecido pelo frei franciscano William Occam (1285–1349) no século XIV. O conceito diz que a explicação para de qualquer fenômeno deve fazer o menor número de suposições possíveis, com a eliminação daquelas que não fazem diferença nas previsões observáveis da hipótese ou teoria explanatória. Quando múltiplas hipóteses são analisadas, sob à luz da navalha de Occam, o princípio recomenda selecionar a hipótese que introduz o menor número de suposições e postula o menor número de entidades. Disponível em:< http://www.zazzle.com.br/a_lamina_de_occam_iman147155217854971251>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 33 Navalha de Occam Nada melhor que um exemplo para entendermos os conceitos da navalha de Occan. Vamos aplicá-la a uma teoria pseudocientífica, (pseudo = falso). Entre as teorias pseudocientíficas, a astrologia com certeza é uma das bobagens e imbecilidades mais divulgadas pela grande mídia. São raros os jornais que trazem divulgação científica séria, mas quase todos os jornais apresentam uma coluna de horóscopo. Tais colunas são lidas avidamente por milhões de fãs. Até mesmo ex-governadoras de estado dão entrevistas falando da influência dos astros na sua personalidade. Tirando o absurdo de considerar que mais de 600 milhões de pessoas teriam a mesma influência, por terem o mesmo signo. Há diversas outros disparates em tal crença. Imagem da Terra vista do espaço. Site Science Photo Library. Disponível em: <http://www.sciencephoto.com/media/460698/enlarge>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 34 Navalha de Occam Vamos considerar a influência que uma xícara de café faz sobre você. Usaremos a lei da gravitação de Newton para determinarmos a atração gravitacional de uma xícara de café. Considere uma xícara de café, a 1 cm (0,01 m) de distância (r) de você. A massa da xícara (m) com café é 312 g (0,312 kg). Sua massa (M) é de 70 kg. Determine a força de atração (Fg) que a xícara exerce sobre você. Leve em consideração que G = 6,67384.10-11 N.m2/kg2. Se colocarmos todas unidades do sistema internacional, teremos como resultado uma força em unidades do SI, ou seja, Newtons (N), como segue. Fg G Mm r 2 6,67384.10 145,757.10 -11 10 4 11 70.0,312 (10 2 2 N 6,67384.10 ) 11 21,84 10 4 N 146.10 7 N 146.10 7 N 1,46.10 5 N Fonte da informação sobre as constantes físicas: <http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 35 Navalha de Occam Consideremos agora um nativo do signo de capricórnio, cujo o planeta regente é Saturno. Qual a força que o planeta Saturno exerce sobre você? A equação está mostrada abaixo. A distância TerraSaturno varia conforme a época do ano. Vamos pegar a menor distância, aproximadamente 1,35 bilhões de km, passando para metros 1,35 . 1012 m. A massa de Saturno é de 5,69.1026kg, (Disponível em: http://www.solarviews.com/cap/sat/PIA031 56.htm . Acesso em: 03 de agosto de 2015), assim temos a seguinte força de atração de Saturno: Fg G Mm r 2 6,67384.10 Imagem do planeta Saturno obtida pela sonda Cassini. Visão artística de Saturno a parir de seu satélite, Iapetus. Site Science Photo Library. Disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/129407/enlarge >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 26 70.5,69.10 11 12 2 (1,35.10 ) 1458,54.10 9 N 1,46.10 6 N 36 Navalha de Occam Ou seja, Saturno exerce uma influência sobre você 10 vezes menor que a xícara de café. Há pessoas, infelizmente muitas, que não saem de casa sem antes lerem o horóscopo. A próxima vez que perguntarem seu signo, diga, sou do signo da xícara de café.... Somos todos do signo da xícara de café. Site Science Photo Library. Disponível <http://www.sciencephoto.com/media/154325/view >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. em: 37 Navalha de Occam Convencido que seu signo é a xícara de café? Ou do chimarrão? Bem, nem todos estão, com certeza. Alguns podem argumentar: Bem professor, na natureza não há somente a força gravitacional. Há outras forças. Certo! Há mais três forças na natureza. Toda a matéria e energia que conhecemos estão sujeitas a essas quatro forças. Essas forças são: Força gravitacional; Força eletromagnética; Força nuclear fraca; Força nuclear forte. Então ainda há esperanças que o planeta que rege seu signo exerça alguma dessas forças sobre você? Lamento informá-los que não. Representação artística das órbitas dos planetas do nosso sistema solar. Site Science Photo Library. Disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/470739/enlarge >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 38 Navalha de Occam Vamos aprender um pouco mais sobre essas quatro forças. Força gravitacional. Está relacionada com a massa dos corpos e com a distância que os separam. Já calculamos ela para Saturno e a xícara de café. Força eletromagnética. Está relacionada com a ação de cargas elétricas. Um próton, com carga elétrica positiva, atrai um elétron de carga elétrica negativa. Simples! Não há carga elétrica suficiente para uma ação à distância. Força nuclear fraca. Atua no núcleo e é de curto alcance. Força nuclear forte. Atua em partículas elementares e também tem curtíssimo alcance. Resumindo, se não é a força gravitacional que está atuando a longa distância, definitivamente não serão as outras. Representação artística do Sol e das órbitas dos planetas do nosso sistema solar. Site Science Photo Library. Disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/440573/enlarge >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 39 Navalha de Occam A aplicação de tal princípio lógico está no centro do método científico. Sendo um dos nossos guias para entendermos a natureza do ponto de vista científico. Voltando a hipótese da influência dos astros sobre nossos destinos, o número de suposições que temos que admitir, no caso da astrologia, é astronômico, assim, podemos considerar a explicação com o menor número de suposições, os astros não influenciam nosso destino. Tirando a ação da gravidade, que vimos ser menor que a da xícara de café. Resumindo. Liberte-se dessas besteiras, abra a mente para a ciência. A natureza e seus mistérios são muito mais interessantes, ou, como diria Mr. Spock. “Fascinante”. Mr. Spock da série Star Trek. Disponível em: <http://www.youtube.com/watch?v=cFods1KSWsQ >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 40 Método Científico O método científico é um conjunto de procedimentos que possibilita a análise de fenômenos naturais com um olhar crítico e sistemático. O método científico visa extrair modelos de observações experimentais que permitam o entendimento dos fenômenos da natureza. Podemos estabelecer que o método científico envolve a observação de fenômenos, levantamento de hipóteses sobre o fenômeno, experimentação para verificar a validade ou não das hipóteses levantadas e uma conclusão que valida ou não as hipóteses. Resumindo, o método científico é um guia para descobertas científicas, é a luz que nos separa da superstição e das trevas da ignorância. Rocha lunar coletada durante a missão da Apollo 15 em exposição no Science Museum London UK. A peça mostrada na foto foi cortada da rocha “Great Scott”, coletada pelo astronauta David Scott em Agosto de 1971, após a alunissagem da nave Apollo 15. A rocha lunar tem massa de 83 g e é mantida numa câmara de nitrogênio para não entrar em contato com a atmosfera terrestre. Um total de 400 kg de rochas foram trazidas da Lua. Uma análise comparativa das rochas lunares indicou semelhanças com as rochas terrestres, o que levou à hipótese da Lua ter se formado a partir de pedaços da Terra, que foram levados ao espaço após a colisão com um planetoide. Tal análise é um exemplo da aplicação do método científico. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de 2013. Informações adicionais em: <http://www.sciencemuseum.org.uk/objects/loans/moonrock.as px > . Acesso em: 03 de agosto de 2015. 41 Método Científico O fluxograma ao lado ilustra os principais passos para a aplicação do método científico. Ao identificarmos o problema, escolhemos qual parte da natureza estamos interessados em estudar. Uma vez definido o problema, coletamos dados sobre o problema. A coleta de dados significa observar e realizar medições focadas no problema em estudo, ou usar dados previamente coletados na literatura científica sobre o problema a ser estudado. A natureza das medidas depende do sistema sendo estudado. Tais medidas formam os dados, que serão submetidos à análise estatística que auxiliarão na elaboração da(s) hipótese(s) e posterior teste(s) desta(s). A elaboração da(s) hipótese(s) é uma tentativa de explicar de forma racional a parte da natureza (problema) que estamos estudando. Identificação de um problema Coleta de dados Elaboração de hipótese(s) Teste de hipótese(s) (experimento) Não Novos dados confirmam as hipótese(s) ? Sim 42 Método Científico Nada garante que nossa(s) hipótese(s) está(ão) certas. Temos que testá-la(s), elaborando um novo experimento que, por sua vez, irá gerar novos dados. A caixa de decisão, representada pelo losango ao lado, indica que testamos se os novos dados estão em concordância com a(s) hipótese(s). Caso estejam, temos um experimento em concordância com a(s) hipótese(s) e podemos elaborar um novo experimento para testar a(s) hipótese(s). Depois que um número estatisticamente relevante de experimentos for realizado, preferencialmente por diversos laboratórios independentes, a(s) hipótese(s) pode(m) receber o status de uma teoria. Caso os novos dados refutem a(s) hipótese(s) levantada(s), temos a necessidade de nova(s) hipótese(s), que geram novos experimentos, o ciclo se repete. Identificação de um problema Coleta de dados Elaboração de hipótese(s) Teste de hipótese(s) (experimento) Não Novos dados confirmam as hipótese(s) ? Sim 43 Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA) Nosso problema está focado na forma que o DNA armazena a informação genética (identificação de um problema). Antes da resolução da estrutura do DNA, sabia-se que este armazenava a informação genética (Experimento de Avery-MacLeodMcCarty)(Avery, MacLeod, McCarty,1944) e era constituído de 4 nucleotídeos (coleta de dados). Referência: Avery, Oswald T.; Colin M. MacLeod, Maclyn McCarty (1944-02-01). "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III". Journal of Experimental Medicine 79 (2): 137-158. Representação artística da estrutura do DNA. Science Museum, London, UK. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de 2013. 44 Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA) Em seguida temos a elaboração da hipótese. A hipótese levantada por James Watson e Francis Crick é que a estrutura do DNA apresenta uma hélice dupla. Sabia-se que o padrão de difração de raios X de uma estrutura helicoidal produziria um padrão com formato de “X” (Cochran, Crick and Vand, 1952). Assim, temos uma forma de confirmar se o DNA é helicoidal ou não. O passo seguinte é o teste da hipótese, no caso os experimentos que envolvem a cristalização do DNA e a posterior coleta de dados de difração de raios X (figura mostrada ao lado). A cristalização e coleta de dados de difração de raios X foram realizadas por Rosalind Franklin. Diagrama esquemático para a produção do padrão de difração de raios X do DNA. O padrão foi obtido originalmente por Rosalyn Franklin, e usado por James Watson e Francis Crick para elucidarem a estrutura 3D do DNA, contudo, ao publicarem o artigo relatando a estrutura do DNA, o nome da Rosalyn Franklin foi omitido. Site Science Photo Library. Disponível em: <http://www.sciencephoto.com/media/210096/view >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 45 Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA) A partir da cristalização e, posterior coleta do padrão de difração de raios X do DNA, Watson e Crick propuseram a estrutura em hélice dupla para DNA, mostrada no modelo de metal em exposição do Science Museum, London UK. A estrutura de DNA foi descrita num artigo de duas páginas, publicado na revista Nature em Abril de 1953. O padrão em X da difração de raios X deu suporte experimental para a hipótese (teste da hipótese). Referências: Cochran W, Crick FHC and Vand V. (1952) "The Structure of Synthetic Polypeptides. I. The Transform of Atoms on a Helix", Acta Cryst., 5, 581-586. Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953;171(4356):737-8. Modelo em metal da estrutura do DNA. A estrutura do DNA foi modelada a partir das informações contidas no padrão de difração de raios X de cristais de DNA. Science Museum, London, UK. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de 2013. 46 Singularidade Tecnológica 80 70 Expectativa de vida Uma grande parte de cientistas da área de inteligência artificial, acredita que vivemos um momento especial da história do desenvolvimento científico. Devido à importância deste momento, destaco nos meus modestos cursos alguns aspectos relevantes do processo da singularidade tecnológica. Uma das características desta última é o aumento expressivo da expectativa de vida. Se compararmos a expectativa de vida hoje, com a de um brasileiro do início do século XX, vemos que mais que dobramos nossa expectativa. No gráfico ao lado, vemos que a expectativa de vida do brasileiro em 1910 era de 34 anos, e hoje está acima de 70 anos. O aumento deve-se a diversos fatores, tais como o desenvolvimento no saneamento básico e as conquistas científicas da medicina moderna. 60 50 40 30 20 10 0 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Ano Expectativa de vida do Brasileiro entre 1910 e 2009. Fonte dos dados: Informe da Previdência Social. Disponível em: < http://www.previdencia.gov.br/arquivos/office/4_110525171625-908.pdf >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 47 Dados para expectativa de vida, antes de 1910, indicam números ainda piores. Segundo algumas fontes, a expectativa de vida no Brasil em 1900 era inferior a 30 anos. Fonte: Laboratório de Demografia e Estudo Populacionais. Disponível em: < http://www.ufjf.br/ladem/2012/02/28/aume nto-da-longevidade-e-estancamento-daesperanca-de-vida-artigo-de-joseeustaquio-diniz-alves/ >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. Um gráfico da evolução da expectativa de vida ano a ano (2000-2012), mostra aspectos curiosos do aumento. Vemos um avanço considerável entre 2002 e 2004. Este pulo na melhora da expectativa de vida, é, também, uma consequência direta de políticas públicas de redução da pobreza. Expectativa de vida Singularidade Tecnológica 80 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Ano Expectativa de vida do Brasileiro entre 2000 e 2012. Fonte dos dados: Index Mundi. Disponível em: < http://www.indexmundi.com/g/g.aspx?c=br&v=30&l=pt >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 48 Singularidade Tecnológica Olhando para o futuro, a expectativa de vida traz grandes promessas. Um geneticista da Cambridge University Reino Unido, prevê que a primeira pessoa a viver mais de 1000 anos já está entre nós (Site da BBC. Disponível em: < http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk_news/40030 63.stm >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. Isto mesmo, mil anos! Não é erro de digitação. Eu sou cético com relação a este número, mas acredito, baseado na aceleração do desenvolvimento científico, que ultrapassaremos o limite de 120 anos nas próximas décadas. Página de entrada do site da Strategies for Engineered Negligible Senescence (SENS) Foundation. Disponível em: < http://sens.org/>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 49 Singularidade Tecnológica A evolução da ciência médica, nos deu nas últimas décadas desenvolvimentos como transplantes, vacinas, novos fármacos etc. Além disso, temos a expectativa da substituição de órgãos, como o rim crescido artificialmente mostrado ao lado (Song et al., 2013). Baseado neste cenário, podemos ser otimistas quanto à expectativa de vida do ser humano. Esperamos que, nas próximas décadas, teremos a possibilidade de substituição de nossos órgãos conforme envelhecemos. A substituição do rim por um crescido artificialmente tem uma perspectiva de ser possível numa década. Outros órgãos apresentam equivalente biomecânico, como o coração. Rim artificial testado em ratos. Disponível em: < http://www.bbc.co.uk/news/scienceenvironment-22149844>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. Referência: Song JJ, Guyette JP, Gilpin SE, Gonzalez G, Vacanti JP, Ott HC. Regeneration and experimental orthotopic transplantation of a bioengineered kidney. Nat Med. 2013 Apr 14. doi: 10.1038/nm.3154 50 Singularidade Tecnológica Além do aumento expressivo do número de anos vividos, a humanidade usufruirá de facilidades tecnológicas, cada vez mais baratas. A evolução da medicina e da cibernética, permitirá o desenvolvimento de um equivalente computacional ao cérebro humano. Como o desenvolvimento concomitante da neurociência, espera-se que tenhamos a capacidade tecnológica de transferirmos o conjunto de nossas sinapses para um cérebro eletrônico, ou seja, a substituição do cérebro humano, por um equivalente computacional. Nessa fase a humanidade atingirá virtualmente a imortalidade. A situação onde esta transição ocorrerá, é chamada de singularidade tecnológica. Visão artística da modelagem matemática do cérebro. Disponível em: <http://www.kurzweilai.net/mind-uploadingfeatured-in-academic-journal-for-first-time>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 51 Singularidade Tecnológica O gráfico ao lado ilustra a lei de Moore, que estabelece que aproximadamente entre 18 e 24 meses o número de transistores por chip dobra. Esta lei foi proposta por Gordon Moore cofundador da Intel. Ou seja, considerando-se os processadores hoje, esperamos que em aproximadamente entre 18 e 24 meses teremos disponíveis, pelo mesmo preço, computadores com o dobro da capacidade de processamento. Uma extrapolação da lei de Moore para 2030, ou um pouco depois, indica que teremos computadores com a complexidade do cérebro humano. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/the-law-ofaccelerating-returns >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. Evolução do número de transistores por chip em função do ano. Disponível em: http://library.thinkquest.org/4116/Science/moore%27s.htm. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 52 Singularidade Tecnológica A pesquisa em singularidade tecnológica é uma atividade multidisciplinar, cujo o foco é o entendimento dos sistemas biológicos e computacionais, especificamente a interface do ser humano com máquinas. A partir deste conhecimento, teremos condições de prolongar nossa expectativa de vida, até termos condições tecnológicas de transferirmos nossa consciência para um sistema computacional, o que abre a possibilidade da imortalidade, bem como uma nova fase da evolução humana. Tal fase da evolução permitirá a integração das consciências computacionais, o que abre um amplo espectro de possibilidades. Tais tecnologias ainda não existem, mas se consideramos a lei de Moore, vemos que o rápido desenvolvimento tecnológico nos levará até este estágio. Visão artística do cérebro digital. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/critique-ofagainst-naive-uploadism#!prettyPhoto>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 53 Singularidade Tecnológica Muitos autores destacam que, as pesquisas mais importantes e desafiadoras nos dias de hoje, estão relacionadas com a singularidade tecnológica. A biofísica pode contribuir nesta área em duas frentes de atuação. Uma frente para entendermos as bases moleculares do funcionamento do cérebro, que permitirá seu entendimento e então sua modelagem computacional. Noutra frente, ao vivermos mais (aumento da expectativa de vida), nos tornamos sujeitos a novas enfermidades, que podem ser combatidas com abordagens do desenho de fármacos baseado em computadores. Página de entrada do site Kurzweil Accelerating Intelligence. Disponível em:<http://www.kurzweilai.net/ >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 54 Singularidade Tecnológica Ao atingirmos a singularidade tecnológica, abandonaremos as limitações biológicas do nosso ser e atingiremos um universo de novas possibilidades que tal fase nos trará. 55 Singularidade Tecnológica Maiores informações sobre a singularidade tecnológica podem ser encontradas nos artigos de Ray Kurzweil disponíveis on-line no site Kurzweil Accelerating Intelligence. ► Kurzweil responds: Don’t underestimate the Singularity. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/kurzweil-responds-dont-underestimate-the-singularity>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. ► The new era of health and medicine as an information technology is broader than individual genes. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/the-new-era-ofhealth-and-medicine >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. ► How my predictions are faring — an update by Ray Kurzweil. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/how-my-predictions-are-faring-an-update-by-ray-kurzweil >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. ► The Law of Accelerating Returns. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/thelaw-of-accelerating-returns >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 56 Bibliografia Não há nenhum livro que cubra de forma completa todos os tópicos da disciplina biofísica. Para aqueles que gostam de ter um livro de referência eu recomendo o excelente livro do Prof. Jarbas de Oliveira (EDIPUCRS, 2002). O livro do Prof. Jarbas cobre os principais tópicos relacionados com o segundo módulo da disciplina biofísica. •OLIVEIRA, Jarbas Rodrigues de; WACHTER, Paulo Harald; AZAMBUJA, Alan Arrieira. Biofísica para ciências biomédicas. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2002. 313 p. Fonte da imagem: http://books.google.com.br/books?id=l_Z5exSApPcC&printsec=frontcover&dq=biofisica&cd=1#v=onepage&q&f=false Acesso em: 03 de agosto de 2015. 57 Bibliografia Além do livro do Prof. Jarbas temos dois outros, indicados abaixo. •OKUNO, Emiko; CALDAS, Iberê Luiz; CHOW, Cecil. Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harper & Row do Brasil, 1982. 490 p. •GARCIA, Eduardo Antônio Conde. Biofísica. São Paulo: Savier, 1998. 387 p. Ambos livros (OKUNO e GARCIA) cobrem melhor o conteúdo referente ao terceiro módulo da disciplina biofísica. Fonte da imagem: 58 http://www.harbra.com.br/produto.php?id=4359&pg=F%EDsica%20para%20Ci%EAncias%20Biol%F3gicas%20e%20Biom%E9dicas%20-%20F%EDsica Acesso em: 03 de agosto de 2015. Livro Indicado O melhor material sobre a Singularidade Tecnológica, segundo minha modesta avaliação, é o livro do Ray Kurzweil. “The Singularity is Near”. O livro mostra de forma científica e criteriosa o crescimento rápido das revoluções científicas e tecnológicas, extrapolando a tendência de desenvolvimento para as próximas décadas, onde chegaremos ao ponto da Singularidade Tecnológica. Disponível em: <http://www.amazon.com/gp/product/images/0143037889/ref =dp_otherviews_0?ie=UTF8&s=books&img=0>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 59 Site Indicado O site do Ray Kurzweil traz uma coleção de notícias relacionadas com o desenvolvimento científico em áreas de interesse da Singularidade Tecnológica. Há destaque para pesquisas em Inteligência Artificial, Computação Quântica, Bioinformática, Biomecânica, desenvolvimento de novos fármacos, entre outros: http://www.kurzweilai.net/ Simplesmente fascinante! Página de entrada do site Kurzweil Accelerating Intelligence. Site Kurzweil Accelerating Intelligence. Disponível em: <http://www.kurzweilai.net/>. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 60 Material Adicional (Filme Indicado) Para os interessados em ficção científica minha sugestão cinematográfica é o filme “Transcendence” que trata do assunto da singularidade tecnológica. Cartaz do filme: Transcendence Disponível em: <http://www.imdb.com/media/rm2593966848/tt2209764?ref_ =tt_ov_i>. Acesso em: 1 de mar. 2015. 61 Referências Bibliográficas ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora, Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3). DURÁN, J. E. R. Biofísica. Fundamentos e Aplicações. Pearson Education do Brasil Ltda, São Paulo, 2003. LESK, A. M. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New York, 2001. RAW, I. HO, P. L. Integração e seus sinais. Editora UNESP, São Paulo, 1999. Última atualização em: Acesso em: 03 de agosto de 2015. 62
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