Aula4_bx by Editora Moderna

Aula Aberta 4 O prazer de ensinar ciências

ANO I - NO 4 - 2010 - R$ 6,90

ALTAS ENERGIAS

O FUTURO DA FÍSICA

Cientistas reproduzem condições do nascimento do Universo no Grande Colisor de Hádrons BIOLOGIA

A aids tem cura? Pesquisadores adotam novas estratégias para chegar à vacina QUÍMICA

Plantas liberam metano, mas o aquecimento global é culpa nossa

MATEMÁTICA

Conceito de conjunto invade outros campos

EDITORIAL DIRETOR-GERAL: Edimilson Cardial COMITÊ EXECUTIVO Jorge Carneiro, Luiz Fernando Pedroso, Lula Vieira e Edimilson Cardial

Aula Aberta 4 EDITOR: Ulisses Capozzoli EDITOR EXECUTIVO: Paulo Eduardo Nogueira COLABORADORES: Editora Moderna – Sônia Cunha de Souza Danelli (diretora editorial); José Luiz Carvalho da Cruz e Evanildo da Silveira (coordenação); Soraya Saadeh (texto química); Tatiana Rodrigues Nahas (texto biologia); Fernanda Marchi de Castro Oliveira (texto física); Lenir Morgado da Silva (texto matemática); Margareth Ferreira (texto internet quântica) Diagramação Luciana Tezoni

www.sciam.com.br Brasil

redacaosciam@duettoeditorial.com.br DIRETORA DE REDAÇÃO: Ana Claudia Ferrari SECRETÁRIA DE REDAÇÃO: Liliana Pinheiro EDITOR-CHEFE: Ulisses Capozzoli EDITOR EXECUTIVO: Paulo Eduardo Nogueira EDITORA DE ARTE: Simone Oliveira Vieira ASSISTENTES DE ARTE: João Marcelo Simões, Ana Salles e Flavia Couto EDITORA DE IMAGEM: Silvia Nastari ASSISTENTES DE IMAGEM: Gabriela Farcetta e Lorena Travassos ASSISTENTE DE REDAÇÃO: Elena Regina Pucinelli SUPERVISORA DE REVISÃO: Edna Adorno COLABORADORES: Luiz Roberto Malta, Maria Stella Valli e Ricardo Jensen (revisão); Paulo Silva (arte) TRATAMENTO DE IMAGEM: Carina Vieira TRADUÇÃO: Áurea Akemi Arata, Danilo Justino Carastan, Davi de Figueiredo Sá, Gustavo Sousa, Jacqueline Thompson, Lucy Moura, Maria Teresa de Souza, Márcio Bronzatto Avellar, Suzana Helena Schindler e Vicente Adorno ESTAGIÁRIOS: Bruno F. Troiano e Karishnanda Margarido PUBLICIDADE publicidade@duettoeditorial.com.br DIRETORA COMERCIAL: Cidinha Cabral DIRETORA DE MERCADO PUBLICITÁRIO: Sandra Garcia COORDENADOR DE PUBLICIDADE: Robson de Souza REPRESENTANTES COMERCIAIS ALAGOAS/BAHIA/ PERNAMBUCO/SERGIPE: Pedro Amarante – (79) 3246-4139/ 9978-8962 BRASÍLIA: Sônia Brandão – (61) 3321-4304 ESPÍRITO SANTO: Dídimo Effgen – (27) 3229-1986/ 3062-1953/ 8846-4493/ 9715-7586 RIO DE JANEIRO: Carla Torres – (21) 2224-0095 PROJETOS ESPECIAIS Conhecimento GERENTE: Almir Lopes EXECUTIVO DE CONTAS: Marcio Bering Farmacêutico EXECUTIVOS DE CONTAS: Elisabeth Gonçalvez e Walter Pinheiro MARKETING DIRETOR: Lula Vieira GERENTE DE MARKETING PUBLICITÁRIO: Felix Mifune OPERAÇÕES DIRETORA: Ana Carolina Trannin GERENTE DE RECURSOS HUMANOS: Cecília Cortinhas GERENTE FINANCEIRA: Arianne Castilha SUPERVISORA DE PLANEJAMENTO: Dilene Cestarolli CIRCULAÇÃO DIRETORA: Cristina Albuquerque Circulação Avulsa GERENTE: Ana Paula Gonçalves PRODUÇÃO GRÁFICA: Alberto Veiga VENDAS AVULSAS: Fernanda Ciccarelli Assinaturas Coordenadores VENDAS PESSOAIS: Antonio Carlos de Abreu VENDAS TELEMARKETING: Viviane Tocegui VENDAS WEB: Luiz Carlos Antunes Júnior Marketing Leitor ASSISTENTE: Michele Lima NÚCLEO MULTIMÍDIA DIRETORA: Mariana Monné REDATORA DO SITE: Fernanda Figueiredo WEB DESIGNER: Rafael Gushiken EDIOURO DUETTO EDITORIAL LTDA. Rua Cunha Gago, 412, cj. 33 – Pinheiros – São Paulo – SP - CEP: 05421-001 Tel. (11) 2713-8150 – Fax (11) 2713-8197 CENTRAL DE ATENDIMENTO ASSINANTE, NOVAS ASSINATURAS, EDIÇÕES AVULSAS OU ESPECIAIS Tel: (11) 3038-6300 / Fax: (11) 3038-1415 De segunda a sexta das 8h às 20h atendimento@duettoeditorial.com.br e queroassinar@duettoeditorial.com.br www.lojaduetto.com.br Números atrasados e edições especiais podem ser adquiridos através da Loja Duetto ou pela Central de Atendimento, ao preço da última edição acrescido dos custos de postagem, mediante disponibilidade de nossos estoques. IMPRESSÃO: Ediouro Gráfica Aula Aberta no4, ISSN 2176163-9. Distribuição com exclusividade para todo o Brasil: DINAP S.A. Rua Doutor Kenkiti Shimomoto, 1678.

ob uma noite estrelada, uma caixa de veludo escuro abrigando quase 3 mil joias cintilantes, a sensação que nos invade quase sempre é de profunda paz, como se fosse possível contemplar o fluxo da eternidade. Mas nem sempre foi assim. Houve um tempo dominado pela incandescência, quando o próprio tempo era um recém-nascido, gêmeo do espaço e da matéria. Incandescência como alegoria, evidentemente. Uma maneira de dizer o indizível. Nesse momento, quando em frações diminutas do tempo o Universo deixou de ser menor que um átomo, passou pelo porte de uma laranja, superou o tamanho de uma melancia, atingiu as dimensões da Lua e continuou a se expandir muito rapidamente (os físicos se referem a esse processo como inflação cósmica), as temperaturas atingiram muitos bilhões de graus. Para qualquer uma das escalas consideradas por um observador. O Universo foi muito quente durante certo tempo, antes que sua própria expansão permitisse o resfriamento que levou as partículas subatômicas que conhecemos hoje a se acoplar para dar origem aos elementos mais simples: hidrogênio na maior parte, deutério, espécie de meio-irmão do hidrogênio, um pouco de trítio e lítio, de parentescos mais distantes. Estamos, evidentemente, nos referindo ao que ficou conhecido como Big Bang. Mas sem assegurar que essa foi de fato a explosão primordial, a ocorrência que trouxe o Universo à luz. Investigações mais recentes consideram a possibilidade de o Universo ser eterno. Neste caso, o que conhecemos como Big Bang, pela teoria batizada com esse nome, foi apenas a mais recente de uma série de explosões. O pressuposto é que o Universo se expande e se contrai, ao longo do tempo, como a sístole e diástole de um coração cósmico. O artigo de capa desta edição, o acelerador de partículas para mimetizar as condições originais do Universo, acena com a possibilidade de “enxergarmos” o momento em que as partículas estavam desacopladas, antes de formar um átomo. Imagine as peças de um quebra-cabeça juntando-se para formar uma figura qualquer, mas acrescente que as interações envolvidas, digamos, na montagem de um átomo na infância do Universo, foram infinitamente mais complexas. A cena da “criação” de um átomo de hidrogênio é uma espécie de sonho dos físicos, e isso porque ela lançaria luz na compreensão do nascimento e evolução do Universo. Daí a disposição de investir uma fortuna em recursos na construção de uma máquina que é basicamente o maior microscópio da história da ciência. Por que os cientistas querem saber como o Universo nasceu e evolui? Basicamente porque os cientistas são humanos, e uma das características dos humanos é fazer perguntas. Inclusive sobre eles mesmos. O que são, de onde vêm e para onde vão.

Ulisses Capozzoli é editor-chefe de Scientific American Brasil

AULA ABERTA

SUMÁRIO 24

SCIENTIFIC AMERICAN BRASILredacaosciam@duettoeditorial.com.br – AULA ABERTA 2010 – Número 4

FÍSICA

ALTAS ENERGIAS – O futuro da física Por Graham P. Collins

Colaboração entre cientistas do mundo todo é o maior experimento já realizado no campo das partículas

NOTAS Novo pouso em Marte, previsto para 2012, vai utilizar um “guindaste aéreo”

LIVROS Palestras sobre Darwin e a evolução

ENTREVISTA Sérgio Seibel

ASTRONOMIA Vida e morte das estrelas

BIOLOGIA Afinal, a aids tem cura?

QUÍMICA Metano, plantas e mudança climática

MATEMÁTICA Conjuntos, a necessidade do supérfluo

FUTURO Privacidade e a internet quântica

ENSAIO Promessas da biologia moderna

FRONTEIRAS Chaves para desvendar o Universo

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CAPA: imagem por Kenn Brown

NOTASNOTASNOTA ESPAÇO

Guindaste aéreo A NASA INOVA POUSO EM MARTE, PILOTANDO A CÁPSULA COMO UMA ASA VOADORA

Nasa planeja pousar um novo jipe em Marte em agosto de 2012. E quer fazê-lo com um procedimento nunca utilizado no espaço: pilotando a cápsula de entrada na atmosfera até o local de pouso, como uma asa voadora hipersônica. Próximo ao solo, um conjunto de retrofoguetes pairando no ar baixaria o veículo suavemente por meio de cabos. Os engenheiros da agência espacial americana pensaram nessa solução audaciosa – e ainda controversa – devido às grandes dimensões e custo (US$ 1,5 bilhão) do Laboratório Científico Marciano (LCM), que é mais de quatro vezes maior que os veículos Spirit e Opportunity, que atualmente exploram o Planeta Vermelho. Sua cápsula, com 4,5 metros de comprimento, será maior até mesmo que o módulo de comando da nave Apollo (3,9 metros), que levou os astronautas até a Lua. “Este será o maior escudo térmico a entrar em uma atmosfera”, diz Adam Steltzner, do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL), que lidera a equipe que projeta as sequên-

cias de entrada, descida e pouso da missão. Enquanto o Spirit e o Opportunity simplesmente se soltaram de seus para-quedas e pularam sobre a superfície, protegidos por gigantescos colchões de ar, o LCM precisaria de colchões tão grandes que não sobraria espaço para outras cargas. Usar “patas” como as do módulo lunar da Apollo também seria problemático, pois a nave estaria sujeita a capotar e os retrofoguetes precisariam ser disparados por tanto tempo que cavariam uma cratera e levantariam uma enorme nuvem de poeira. Além disso, os motores deveriam ser cortados no momento exato, o que requereria sensores de pouso muito precisos (os pesquisadores da Nasa acreditam que a sonda Mars Polar Lander caiu em 1999 por causa de um sensor que erroneamente cortou o motor cedo demais). A solução encontrada para o LCM parece contornar esses problemas. Conforme o módulo de descida se aproxima da superfície, seus foguetes disparam, fazendo-o pairar a uma altura

Entrada na atmosfera Manobras hipersônicas

Lançamento do para-quedas e descarte do escudo térmico

Descida controlada por retrofoguetes

A SEQUÊNCIA do novo conceito de pouso do Laboratório Científico Marciano inclui manobras em alta velocidade durante a entrada na atmosfera marciana e um guindaste aéreo para baixar o veículo por cabos

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

DON FOLEY

Guindaste aéreo

ASNOTASNOTASNO de 20 metros. O jipe desce lentamente por cabos de Kevlar de 7,5 metros de comprimento até tocar o solo. Se a carga começar a oscilar, o módulo simplesmente se moverá lateralmente para estabilizá-la. Não serão necessários sensores de pouso – o módulo de descida detecta que o veículo tocou o solo quando a propulsão necessária para manter sua posição diminui. Nesse momento, os cabos são liberados e o módulo se afasta, caindo algumas centenas de metros adiante. O sistema foi chamado de Skycrane, ou guindaste aéreo, em homenagem ao Sikorsky Skycrane, helicóptero de carga no qual foi inspirado. “Alguns acham esse conceito pavoroso”, admite Rob Manning, do JPL, engenheiro-chefe do programa marciano da Nasa e famoso mago

dos veículos exploradores de missões anteriores. Nenhum sistema semelhante ao Skycrane foi testado anteriormente no espaço, e os engenheiros não podem experimentá-lo na Terra porque a gravidade e a pressão atmosférica em Marte são muito diferentes. Porém, também não se efetuaram testes para o pouso do Spirit, Opportunity, Viking e outras missões anteriores. O sucesso da missão, agora como no passado, depende da habilidade dos engenheiros. Não é só a missão LCM que depende do sucesso desse novo sistema de pouso. Sem uma maneira de pousar cargas grandes na superfície de Marte, planos mais ambiciosos como o retorno de amostras serão frustrados. POR GEORGE MUSSER

NANOTECNOLOGIA

Grafeno moído PRODUÇÃO DE NANOLÂMINAS DE CARBONO PARA ELETRÔNICOS É VIABILIZADA

silício transformou o mundo digital, mas os pesquisadores continuam ansiosos para descobrir novos materiais que tornarão os circuitos integrados ainda menores, bem mais rápidos e muito mais baratos. No topo dessa lista está o grafeno – lâminas planas formadas por anéis de carbono em forma de colmeias com apenas um átomo de espessura. Esse nanomaterial exibe uma série de propriedades – incluindo ultradureza, transparência (devido a sua microespessura) e condutividade eletrônica extremamente rápida, que o torna promissor para monitores flexíveis e dispositivos eletrônicos super-rápidos. Isolado há apenas quatro anos, o grafeno já aparece em protótipos de transistores, memórias e outros dispositivos. Mas para chegar às prateleiras das lojas os engenheiros terão de desenvolver métodos para produção em escala industrial de lâminas uniformes de grafeno puro. Os pesquisadores estão testando diversas formas de processamento, mas ainda não é possível saber que abordagem será bem-sucedida. AULA ABERTA

“Já ouvimos falar que alguns grupos de pesquisa conseguiram revestir bolachas de silício com lâminas simples de grafeno a um preço baixo”, observa James M. Tour, químico da Rice University. “Mas até agora nada foi publicado a respeito.” Produzir grafeno em pequenas quantidades é muito fácil, assegura o descobridor desse novo material, André K. Geim, da University of Manchester, Inglaterra. De fato, “toda vez que riscamos uma folha de papel com a ponta do lápis, produzimos um pouquinho de grafeno”, argumenta ele – o grafite do lápis é, na verdade, uma pilha de camadas de grafeno. Os métodos originais de produção desse material eram muito parecidos com o ato de rabiscar papel com lápis: os pesquisadores raspam um pouco de grafite e depois examinam os fragmentos ao microscópio para escolher as amostras mais apropriadas ou, então, separar alguns flocos com uma fita adesiva. Embora a maioria dos cientistas considere essa técnica de “esfoliação” mecânica mais conSCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AIR BAGS INOVADORES O LCM da Nasa não é o único veículo pesado que desafia os engenheiros. Em 2016, a Agência Espacial Europeia (ESA) planeja lançar o ExoMars, de US$ 1 bilhão, que levará uma plataforma de perfuração para procurar vida no subsolo de Marte. Apesar de ser pouco maior que o Spirit e o Opportunity, o ExoMars desafia os limites da atual tecnologia de colchões de ar, ou air bags. O cientista Jorge Vago, membro da equipe do projeto, diz que o grupo está pesquisando um novo tipo de colchão de ar que desinfla imediatamente no pouso, absorvendo o choque do impacto. Essa solução requer menos air bags (somente na parte de baixo do veículo). O segredo será fazer esse sistema atuar com rapidez suficiente para que o conjunto que leva o veículo atue com eficiência. No entanto, em dois dos cinco testes realizados, algumas das cargas de ar comprimido que deveriam abrir os air bags não funcionaram.

TEMPO FLEXÍVEL: eletrodo transparente formado por lâmina de anéis de carbono, chamado grafeno (inserção), estampada em polímero.

v veniente para a produção de ppequenas quantidades do material, Geim discorda: “Rem ccentemente, o procedimento foi ampliado para produzir a fo maior quantidade possível de m ggrafeno”. Ele usa ultrassom ppara quebrar o grafite em camadas que depois são disd iindividuais, di persas em um líquido. A suspensão é então espalhada sobre uma superfície e, ao secar, forma uma película de peças de cristais de grafeno sobrepostas. Não temos certeza se essas lâminas de múltiplos cristais funcionam bem em muitas aplicações, pois as bordas dos flocos individuais tendem a impedir o fluxo rápido de elétrons. Amostras maiores podem ser produzidas por esfoliação química. Em maio de 2008, James P. Hamilton, da University of Wisconsin-Plateville e Jonatham N. Coleman, do Trinity College, em Dublin, Irlanda, mostraram que certos solventes orgânicos podem dissolver o grafeno. “Coloca-se o grafite em um recipiente com um solvente orgânico”, explica Hamilton, “então remove-se o solvente e surge uma substância cinza que nada mais é que grafeno puro.” A companhia fundada por Hamilton, a Graphene Solutions, espera converter o grafeno em lâminas uniformes do cristal, para comercializar o processo. Outras técnicas de esfoliação química também são possíveis. Rod Ruoff, agora da University of Texas, Austin, e seus antigos colegas da Northwestern University demonstraram que a adição de ácido na água que contém grafite leva à formação de óxido de grafite, que pode ser separado em pedaços. Suspensos num líquido, os flocos são então depositados em um substrato, formando um filme. A adição de outras substâncias químicas ou a aplicação de calor pode remover os grupos de oxigênio, levando ao grafeno. Cientistas da Rutgers University descobriram que um dos agentes que removem o oxigênio é um combustível de foguetes: mais especificamente, vapores de hidrazina – componente altamente reativo e tóxico. No ano passado, Yang Yang e Richard B. Kaner, da University of California em Los Angeles, simplificaram a abordagem de Rutgers e utilizaram hidrazina líquida. “Então, depositamos os pedaços 8

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

sobre bolachas de silício ou outros tipos de substratos mais flexíveis”, demonstra Yang. Os resultados foram películas de camada única formadas por múltiplas plaquetas. Os dois pesquisadores estão tentando melhorar a qualidade das lâminas e descobrir uma alternativa segura para a hidrazina. Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e de outras instituições estão tentando obter grafeno pelo método da deposição química em fase vapor (CVD, na sigla em inglês), processo já estabelecido que poderia ser integrado à produção de microchips. No processo CVD, substâncias químicas voláteis reagem e se depositam sobre um substrato, na forma de uma película fina. O processo do MIT emprega um forno simples em forma de tubo que contém substratos de níquel, segundo o engenheiro elétrico Jing Kong. Numa extremidade, injetase hidrocarboneto gasoso, que se decompõe com o calor. Os átomos de carbono se depositam sobre a superfície de níquel, que atua como catalisador para ajudar a formar as películas de grafeno. A qualidade do grafeno, entretanto, depende do substrato – se é formado por muitos cristais de níquel ou por um cristal único, explica Kong. Infelizmente, cristais únicos, os mais procurados, são muito caros. O grafeno obtido pelo processo CVD levou a uma das maiores descobertas. Uma equipe liderada por Hee Hong, da Universidade de Sungkyunkwan, na Coreia do Sul, produziu películas de alta qualidade que foram estampadas em um polímero transparente e flexível. O resultado foi um eletrodo transparente. Versões aprimoradas poderão substituir os eletrodos transparentes mais caros – normalmente feitos de óxido de índio-titânio – usados na fabricação de monitores. Para finalizar, a produção de grafeno pode ter mais de um vencedor. Coleman, do Trinity College, avalia que a solução baseada nos métodos de esfoliação, que produz grafeno com algumas dezenas de mícrons de espessura, é provavelmente mais indicada para quantidades industriais de médio porte, “já que as empresas provavelmente estariam mais interessadas em produzir grandes quantidades de grafeno usando processos como o CVD”, processo que até agora só pôde produzir amostras de uns poucos centímetros quadrados. Mas talvez o melhor dessa história é que nenhuma das abordagens parece enfrentar barreiras insuperáveis. Como Tour, da Rice University, afirmou: “Aposto que todos esses problemas serão resolvidos dentro de um ou dois anos”. AULA ABERTA

CORTESIA DA UNIVERSIDADE DE AUGSBURG (GRAFENO); CORTESIA DE JI HYE HONG Publicado on-line na Nature em 14 de janeiro de 2009 (dedos segurando polímero).

NOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASN

SNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTAS CIÊNCIA PLANETÁRIA

Metano misterioso EMISSÕES LOCALIZADAS ALIMENTAM DISCUSSÃO SOBRE VIDA EM MARTE

descoberta, há alguns anos, de metano em Marte vem despertando interesse da comunidade científica, que conjectura sobre a natureza do gás: resultado de atividade geológica ou de organismos vivos, como ocorre na Terra. Longe de pôr um fim nos debates, novas detecções de metano indicam os rumos de novos estudos. Utilizando telescópios no solo, Michael J. Mumma, do Goddard Space Flight Center, e seus colegas monitoraram cerca de 90% da superfície do planeta durante três anos marcianos (equivalentes a sete anos terrestres). Nessas observações foram detectadas grandes emissões de metano no verão de 2003, e os locais onde elas ocorreram também foram determinados. Mumma toma cuidado para não exagerar quanto à importância de seu estudo, publica-

do on-line recentemente pela Science. Embora o metano possa se formar pela atividade de microrganismos que vivem abaixo do permafrost – camada formada por gelo, terra e rochas, permanentemente congelada, típica do ártico, na Terra –, uma explicação igualmente plausível é que o metano seja produzido a partir de reações entre minerais e água aprisionada em camadas rochosas subterrâneas, em Marte. O metano poderia ser remanescente de processos que ocorreram no passado marciano. Assim, o gás teria sido sequestrado e depois liberado. Sabendo-se ainda que o metano provém de áreas localizadas da superfície de Marte, os pesquisadores podem procurar novas fontes e identificá-las como alvos para futuras missões de pouso. POR JOHN MATSON

DESCOBERTAS

Fósseis de ancestrais humanos NOVA ESPÉCIE É IDENTIFICADA, MAS PERTENCE À LINHAGEM QUE LEVOU AO HOMO SAPIENS?

DIVULGAÇÃO

ósseis de uma espécie humana nova para a ciência podem ser o ancestral direto do nosso gênero, Homo. Descobertos na caverna Malapa, a cerca de 40 km de Johannesburgo, África do Sul, consistem em dois esqueletos parciais de aproximadamente 1,95 milhão de anos. Os pesquisadores os denominaram Australopithecus sediba. Os esqueletos – uma fêmea adulta e um macho jovem, possivelmente mãe e filho – teriam caído por um buraco no topo de uma caverna quando procuravam chegar a um poço de água em seu interior. A preservação dos esqueletos é tão excepcional que a descoberta está sendo comparada à do famoso fóssil de Lucy, encontrado na Etiópia. A impressionante mistura de características primitivas e moderAULA ABERTA

nas verificadas nos restos está inflamando o debate sobre onde essa nova espécie se situa na árvore genealógica. Considerando que praticamente não existem indícios fósseis de nossos primos chimpanzés, bonobos e gorilas, o registro fóssil humano é extraordinário. No entanto, há lacunas no conhecimento dos especialistas de como viemos a existir. Um desses pontos cegos é a origem do gênero Homo. A maior parte dos especialistas concorda que nosso gênero evoluiu de uma espécie de Australopithecus – A. afarensis (a espécie de Lucy) ou A. africanus. Ligar os pontos entre uma dessas espécies de australopitecinos e os Homo tem sido difícil, pois os restos fósseis do mais antigo Homo conhecido são poucos e fragmentados. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

NOSSOS PARENTES? O Australopithecus sediba, até então desconhecido membro da família humana, pode ser um ancestral do Homo.

Cientistas supunham que o Homo habilis, que viveu entre 2,3 milhões e 1,5 milhão de anos, marcava a aparição do gênero Homo e subsequentemente deu origem ao H. erectus, primeiro hominídeo (membro da linhagem humana) a se espalhar a partir da África por todo o globo e aquele que deu origem a espécies humanas posteriores, incluindo o H. sapiens. Isso até a descoberta do A. sediba. Na descrição dos restos fósseis, em trabalho publicado na edição de 9 de abril da Science, Lee Berger, da University of the Witwatersrand, em Johannesburgo, e seus colegas sugerem que o A. africanus deu origem ao A. sediba, que por sua vez originou o Homo. De forma interessante, a equipe dá a entender que o A. sediba pode até mesmo ser mais proximamente relacionado ao H. erectus que o H. habilis, relegando dessa forma o H. habilis a um ramo lateral da árvore genealógica, em vez do cobiçado lugar na linhagem em nossa direção. Berger e seus colaboradores basearam suas conclusões na distinta combinação de traços primitivos e modernos. Características como o pequeno tamanho do cérebro, constituição frágil e braços bem longos ligam a criatura aos australopitecinos, especialmente o A. africanus. Entretanto, a nova espécie também apresenta uma série de características encontradas apenas nos 10

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Homo, incluindo sua face plana, pélvis robusta e longas pernas para caminhar. Outros paleontólogos celebraram a descoberta, mas estão divididos sobre como classificar o novo hominino. “A ligação proposta entre o A. sediba e os primeiros Homo é, na melhor das hipóteses, forçada e tênue”, afirma William L. Jungers, da Stony Brook University, observando que supostas semelhanças no esqueleto não são muito convincentes. William H. Kimbel, diretor do Instituto da Origem Humana, da Arizona State University, apresenta posição diferente, argumentando que, com base nas características modernas da face e pélvis, os novos fósseis “provavelmente pertencem ao gênero Homo”, mas não lançam luz sobre sua origem. Kimbel observa que um sítio arqueológico onde trabalha, em Hadar, Etiópia, já revelou um exemplar de Homo que antecede os fósseis de A. sediba em centenas de milhares de anos. Segundo a paleoantropóloga Susan C. Antón, da New York University, é difícil estabelecer exatamente como os esqueletos se relacionam a espécies conhecidas dos primeiros Homo por causa da escassez de seus restos fósseis. Ela suspeita que o A. sediba seja um ramo sem continuidade do Homo, em vez de um ancestral de espécies posteriores, como o H. erectus. Berger, por sua vez, argumenta que, independentemente da possibilidade de o A. sediba não ter continuidade na árvore genealógica, os fósseis representam uma janela importante para o processo evolucionário durante um intervalo pouco conhecido da evolução humana. Por exemplo, o mosaico de evidências morfológicas nos esqueletos mostra que diferentes partes do corpo sofreram mudanças em diferentes momentos – as pernas mudaram antes dos braços, e a pélvis, antes do cérebro. Mais esclarecimentos não devem demorar: Berger informa ter encontrado pelo menos mais dois esqueletos de homininos na caverna. Ele os está escavando e organizou uma equipe com cerca de 60 especialistas para analisar em detalhe todo o material do sítio. Dentre suas incumbências está determinar se os fósseis contêm proteínas ou DNA adequados para sequenciamento, reconstruir o meio ambiente em que viviam os homininos e estudar diferenças entre machos e fêmeas. Esses esforços sem dúvida revelarão um retrato incrivelmente detalhado do mais recente acréscimo à família humana. POR KATE WONG AULA ABERTA

lee frost Robert Harding World Imagery/Corbis; DAVID LIITTSCHWAGER Getty Images; GARETH MORGANS Getty Images; FOTOGRAFIA DE BRETT ELOFF; CORTESIA DE LEE BERGER E DA UNIVERSITY OF THE WITWATERSRAND

NOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASN

SNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTAS COMPORTAMENTO

Menos cigarros, mais nicotina FUMANTES COMPENSAM REDUÇÃO INALANDO MAIS FUMAÇA

umantes que diminuem o número de cigarros podem não estar necessariamente reduzindo a quantidade de toxinas que inalam. Um estudo recente realizado por Dorothy Hatsukami e seus colegas da Universidade de Minnesota revelou que fumantes inveterados que diminuem a frequência de suas tragadas ainda assim respiram duas vezes mais toxinas por cigarro que as pessoas que fumam menos. Quando eles acendem menos cigarros, compensam os níveis menores de nicotina inalando a fumaça de forma mais profunda ou demorada. O estudo é consistente com trabalhos epidemiológicos anteriores que revelaram que indivíduos que diminuíram o número de cigarros fumados não reduziram riscos à saúde. “Moral da história: pode não haver benefício em fumar menos”, conclui a pesquisadora. Se os fumantes querem mesmo diminuir o risco

EM GERAL MENOS cigarros se traduzem em tragadas mais prolongadas

de câncer e doenças, ela acrescenta, “precisam é parar de fumar”. O estudo foi publicado na edição de dezembro de 2006 de Cancer Epidemiology, Biomarkers and Prevention. POR ALISON SNYDER

PSICOLOGIA

Meio cheio ou meio vazio GENÉTICA PODE EXPLICAR OTIMISMO OU PESSIMISMO

ormalmente as pessoas se mostram divididas em relação à percepção de acontecimentos bons ou ruins. Uma variação genética comum pode estar por trás dessas tendências para o otimismo ou pessimismo. Cientistas da University of Essex, na Inglaterra, investigaram a serotonina, um neurotransmissor ligado ao humor, e estudaram a preferência de 97 voluntários relativamente a diferentes tipos de imagens. Pessoas que tinham apenas a versão longa do gene para a proteína COMO VOCÊ ENCARA AS COISAS? Otimistas tendem a prestar mais atenção em imagens de chocolates e evitam figuras de aranhas; pessimistas fazem o contrário.

AULA ABERTA

transportadora de serotonina – que controla os níveis do neurotransmissor nas células do cérebro – tendiam a prestar atenção em figuras agradáveis (como imagens de chocolates), enquanto evitavam as negativas (como fotografias de aranhas). As pessoas que tinham a forma curta do gene apresentaram preferências opostas, embora não tão fortemente. Os resultados, publicados na edição de 25 de fevereiro da Proceedings of the Royal Society B, ajudam a explicar por que algumas pessoas são menos suscetíveis à ansiedade e depressão. Além disso, esses resultados podem levar a terapias que ajudem outras a ver o lado bom das coisas. POR CHARLES Q. CHOI SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

LIVROSLIVROSLIVR D BIG BANG AO UNIVERSO ETERNO DO Mário Novello. Editora Zahar, 132 págs. 2010, R$ 28,00

cosmologia, estudo de como o Universo nasceu e evolui, numa definição dicionarizada, tem um paradoxo intrigante d que q talvez passe despercebido a um número m significativo de pessoas. Ainda que seja s uma área localizada nas fronteiras do conhecimento científico, só foi incorporada c ao a corpo da ciência há menos de um século. Antes disso, era interpretada como uma preocupação de natureza puramente filosófica. Foi com a descoberta atribuída ao astrônomo americano Edwin P. Hubble (1889-1953), que em 1929 mediu o que ficou conhecido como “fuga das galáxias” para traduzir a expansão do espaço, noção originalmente desenvolvida por Harlow Shapley (1885-1972), que puderam ser feitas as primeiras medições, condição para que a cosmologia fosse considerada ciência. E desde 1964, quando foi detectado o que os astrônomos chamam de “radiação cósmica de fundo – uma fonte isotrópica, por se manifestar de maneira uniforme, independentemente da direção em que seja apontado um radiotelescópio –, as pessoas, em geral, leitoras de jornais, revistas e espectadoras

de documentários de divulgação científica são informadas de que o Universo nasceu de uma explosão primordial, o Big Bang. Se para o “grande público” a ideia dessa explosão primordial está associada à cosmologia, que recebeu esse nome como sólida verdade científica, para os cosmólogos – e este é um segundo paradoxo – a situação é bem diferente. Nem todos estiveram, por todo esse tempo, dispostos a acreditar que o Universo tem a idade de 13,7 bilhões de anos que lhe atribuem os partidários do Big Bang. O cosmólogo brasileiro Mário Novello, um dos fundadores do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, não só refuta essa versão de um universo singular como, em parceria com um de seus colaboradores, Santiago Bergliaffa, é autor de uma cosmologia de universo eterno, uma das versões das chamadas “bouncing cosmologies” que vêm tomando consistência nas últimas décadas. A razão para a retomada das cosmologias não singulares (devido à singularidade identificada com a teoria do Big Bang) foi que apenas no final da década de 70 se descobriu a primeira solução analítica das

CHARLES DARWIN - EM UM FUTURO NÃO TÃO DISTANTE Vários autores. Instituto Sangari, 168 págs. 2009. R$ 35,00

esultado de um conjunto de palestras durante a apresentação da exposição Darwin, no Brasil organizada em 2009 pelo Instituto Sangari, em parceira com o American Museum of Natural History (AMNH), um dos maiores museus de história natural, Charles Darwin – Em um futuro não tão distante é, em seu conjunto, uma dessas obras que vale a pena ser lida. Como conjunto de palestras, na verdade oito, é razoável que exista uma oscilação de interesse, objetividade e mesmo densidade entre elas. Ainda assim, ao todo, cada uma delas cobre determinado espaço, e o resultado final é uma visão ampla do darwinismo neste momento da história. Particularmente interessante é o artigo de Maria Isabel Landim e Cristiano Rangel Moreira (“De onde partimos e aonde queremos chegar?”), organizadores 12

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

do livro e pesquisadores do Museu de Zoologia da USP. Neste caso, uma série de considerações permite que o leitor se localize devidamente em relação ao impacto do darwinismo. No início do século passado, lembram os autores, ideias evolucionistas foram associadas a movimentos políticos autoritários e racistas, com um legado de preconceitos, principalmente na área das ciências humanas. Outra questão importante no capítulo que abre o livro está na restrição que Darwin fez à expressão “evolução” para se referir à teoria da descendência com modificação. Darwin reconheceu nela um conteúdo teleológico, ou seja, de finalidade, por sugerir a ideia de desenvolvimento. Aqui também fica evidenciada a natureza da investigação científica. Publicações populares, com AULA ABERTA

ROSLIVROSLIVROSL equações da teoria da relatividade de Einstein para uma cosmologia sem singularidade. Aqui o volume total do Universo diminui com o tempo cósmico até atingir um valor mínimo para, então, entrar numa fase de expansão, como ocorre agora com a “fuga das galáxias” fotografadas por Hubble. Um histórico da cosmologia como um todo, mas um fascinante detalhamento da versão criada por Novello/Bergliaffa é tema do livro Do Big Bang ao universo eterno, que está chegando às livrarias pela editora Zahar. Trata-se de uma obra enganosa por uma razão elementar. Em 132 páginas, à primeira vista dá a impressão de ser apenas mais um título numa área de interesse amplo. Na verdade, tem tudo para ser um dos mais ricos e interessantes trabalhos – se não for de fato, desde já, o mais interessante – dos lançamentos deste ano na área de ciência como um todo. O professor Novello é um cientista de reputação internacional, ainda que não seja conhecido do grande público no Brasil. Como na ciência, a mídia também tem seus guetos, o que significa dizer que nem sempre talento e capacidade intelectual equivalem a reconhecimento público.

Como se não bastasse, o texto é impressionantemente claro, para um trabalho com a complexidade e profundidade do tema que aborda. Mas que o leitor não se iluda: para explorar essa obra ao máximo será necessária mais de uma leitura. Portanto, aqui vai uma sugestão: marque com um lápis, releia e, ao final dessa experiência, ao menos para os não especialistas na área (talvez até mesmo para um deles) ficará evidente que Do Big Bang ao universo eterno é um desses trabalhos de sistematização. Isso significa dizer que ele tende a ocupar um espaço central na biblioteca, complementado e ampliado aqui e ali por um conjunto de outras obras. O professor Novello faz uma refinada e consistente construção epistemológica, envolvendo a natureza do conhecimento, mais especificamente os caminhos trilhados por um cientista em sua busca. Raríssimo mesmo entre obras produzidas fora do Brasil e traduzidas aqui, abordagens dessa natureza. Assim, em lugar da ortodoxia prevalecente, em paralelo às considerações de natureza acadêmica, emergem abordagens críticas que deveriam permear qualquer trabalho, especialmente os de divulgação científica. – Ulisses Capozzoli

frequência atribuem a puros “estalos” de genialidade descobertas importantes nessa área do conhecimento. Na verdade, Landim e Moreira contextualizam devidamente o evolucionismo, ao mesmo tempo que fazem escavações mais profundas em questões cruciais, de forma a obter exposição crítica, mas inteligível a leitores não especializados. Os dois capítulos seguintes fazem uma abordagem biográfica de Darwin: “Três viajantes e a teoria da evolução”, envolvendo Darwin, Alfred Russel, codescobridor da evolução pela seleção natural, e o também

naturalista inglês Henry Bates, que viveu parte da vida no Brasil (Armando Bittencourt, Patrimônio Histórico e Cultural da Marinha), e “Revendo alguns temas darwinianos: mitos e verdades no relato de Huxley e Kettwell” (Nélio Bizzo, Universidade de São Paulo). Mário de Pinna (Museu de Zoologia, USP) faz uma introdução à perspectiva evolucionista, e Suzana Herculano-Houzel (UFRJ) levanta uma questão: “E se formos apenas grandes primatas”?. César Ades (Instituto de Psicologia,USP) trata o darwinismo da perspectiva das ciências do comportamento, e o bioquímico Sérgio Pena (UFMG) discute questões raciais; na verdade, uma “desinvenção” do conceito de raça. Sérgio Besserman Vianna (PUC-RJ) encerra a obra com uma discussão sobre Darwin e a consciência neste século que apenas se inicia. – Pedro Nunes

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

DROGAS? Do simples consumo de bebida alcoólica – maior problema nas escolas – à tragédia do crack, as drogas preocupam cada vez mais a sociedade. O médico Sérgio Seibel nos ajuda a entender os mecanismos da expansão dessas substâncias e os efeitos negativos para a saúde

médico e psiquiatra Sérgio Seibel é Ph.D. em saúde mental pela Faculdade de Ciências Médicas da Unicamp e uma das maiores autoridades nas pesquisas sobre as drogas no Brasil. Ele foi o organizador do alentado volume Dependência de drogas, lançado pela Editora Atheneu, reunindo nada menos que 106 especialistas para produzir uma obra conjunta e abrangente. O tema, embora incômodo, assumiu grande importância nos últimos anos não só aqui como na maioria dos países. Como enfrentar a expansão do consumo do crack, que saiu dos guetos para vitimar outros estratos da sociedade? E as drogas nas escolas, qual o grau de gravidade? Seibel responde a essas e outras questões em entrevista especial concedida a Aula Aberta. AULA ABERTA A Cannabis (maconha) já há algum tempo divide a opinião até mesmo de especialistas. Para alguns, a legalização ajudaria a diminuir o consumo. Outros pensam que se trata de uma iniciativa arriscada. Qual sua avaliação sobre esse caso? SEIBEL Está mais do que na hora de abrir uma ampla discussão nacional acerca da questão. É certo que a política atual de criminalização do uso, da “guerra total às drogas”, não deu certo, servindo apenas para o aumento da violência e da morbimortalidade relacionadas ao uso na clandestinidade. É

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

ENTREVISTA

COMO ENFRENTAR AS

mais do que necessário que a sociedade compreenda que a questão do consumo de drogas em geral se situa no âmbito da saúde pública, e que a repressão deve se concentrar no grande tráfico. O que vemos, apesar do estardalhaço da mídia, é que não existem grandes traficantes presos, apenas aqueles que vamos chamar de varejistas, com as grandes redes de distribuição de drogas absolutamente intocáveis. AULA ABERTA Anfetaminas são consumidas de forma quase inocente, especialmente por mulheres como inibidores de apetite ligados ao emagrecimento. Qual a situação nesta área e que perspectivas o senhor vê para este caso? SEIBEL As anfetaminas são drogas sintéticas, semelhantes à cocaína e fortemente estimulantes do AULA ABERTA

sistema nervoso central, tendo sido muito consumidas durante a Segunda Guerra Mundial, por exemplo, para reduzir a fadiga das tropas nos campos de batalha. O consumo dessas substâncias espalhou-se de tal maneira entre estudantes, motoristas – principalmente de caminhão, nas estradas –, atletas, para aumento do rendimento, que se constituiu em uma verdadeira epidemia de uso. Existe um potencial gerador de dependência dessas substâncias, além de outros efeitos adversos importantes. Apesar de sua aplicação em tratamentos redutores de peso, sua utilização maior acabou sendo por causa de suas propriedades estimulantes, desviado, portanto, de suas funções principais. A perspectiva maior é a da educação-conscientização dos médicos, no sentido de restringirem sua prescrição aos raros casos absolutamente necessários. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

A sociedade precisa compreender que a questão do consumo de drogas se situa no âmbito da saúde pública e que a repressão deve se concentrar no grande tráfico

“

AULA ABERTA O consumo nas baladas e raves de drogas sintéticas, como o ecstasy, atinge níveis preocupantes ou é um fenômeno isolado? SEIBEL Quando se trata de drogas, tudo é preocupante. Se não há, em termos epidemiológicos, um valor absoluto impactante, o sofrimento pessoal e das famílias atingidas faz com que se tenha de tomar cuidado com o fenômeno. Medidas simples poderiam ser tomadas, como, por exemplo, a distribuição de água aos frequentadores de raves, já que a desidratação é o primeiro ponto de preocupação, pois o ecstasy é uma metanfetamina que provoca sudorese intensa, além de grande estimulação psicomotora. AULA ABERTA Qual o nível de penetração da droga nas escolas? Há regiões do país mais afetadas que outras? SEIBEL Existem diversos levantamentos nacionais sobre uso de drogas nas escolas. O consumo é democrático, mostrando que o álcool continua a ser a droga de iniciação mais procurada, segui-

PEDRA DE CRACK presa pela ponta de uma pinça. No Brasil, droga se espalhou de São Paulo para outras regiões.

da do tabaco e da maconha. Quem vai consumir consome o que existe mais próximo. Por isso, deve-se prestar muita atenção às assim chamadas drogas legais, vendidas em supermercados, farmácias e drogarias. Apesar da proibição de venda de álcool a menores de 18 anos, por falta de fiscalização a venda de cachaça, cerveja ou outras bebidas é feita a crianças de 8 ou 9 anos nos balcões de supermercados, bem como em bares que aceitam frequentadores adolescentes que consomem cerveja e outras bebidas alcoólicas à vontade. AULA ABERTA Como deve ser devidamente interpretado o santo-daime, que recentemente esteve relacionado ao assassinato do cartunista Glauco em São Paulo? SEIBEL A ayahuasca ou santo-daime foi alvo de intensas investigações por parte do governo, tendo sido liberado seu uso em caráter restrito nos templos religiosos. Apesar do grande impacto causado pela morte do cartunista, não existem evidências de que qualquer droga seja, em si, geradora de psicopatologia permanente, mas devemos ficar atentos à possibilidade de ela funcionar como um gatilho disparador em uma personalidade vulnerável. As recomendações aos responsáveis pelos cultos religiosos são para que exerçam estrita fiscalização sobre seus membros e para a eventual necessidade de encaminhamento a retaguardas psiquiátricas quando da admissão nas igrejas e em casos de comportamentos agressivos e ideias delirantes permanentes. AULA ABERTA A associação de uso de drogas e suicídio começa a ser feita em alguns estudos. Ela realmente existe? SEIBEL É necessário prestar atenção a essa relação entre uso de drogas e suicídio. Estudos epidemiológicos recentes mostram uma forte associação entre suicídio e transtornos mentais e que certos transtornos mentais aumentam o risco de suicídio, dentre eles os transtornos por uso de substâncias, com destaque para os relacionados ao uso do álcool. Tais estudos mostram que cerca de 90% dos casos de suicídio apresentavam um ou mais diagnósticos de transtorno psiquiátrico concomitante. AULA ABERTA As drogas alucinógenas, como o LSD, estão em desuso ou não recebem a atenção devida?

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

“

AULA ABERTA Quais os efeitos das anfetaminas? SEIBEL No caso dos motoristas, alguns trabalhos relacionam acidentes em estradas com caminhões e uso de anfetaminas. Os principais sinais do uso dessas substâncias são aumento da pressão arterial, da frequência cardíaca e da temperatura corporal, além de uma acentuada indução a estados depressivos, tonturas e redução na habilidade de atenção e concentração. Registra-se ainda a exacerbação de ansiedade e agressividade. Em casos mais graves de exposição aos produtos, têm sido descritos episódios de acidentes vasculares cerebrais (derrames) e infartos agudos do miocárdio, com risco de morte.

DROGAS DIFERENTES, EFEITO SEMELHANTE A NICOTINA induz as células da área tegmental ventral (ATV) a liberar dopamina

As drogas atingem vários alvos diferentes no cérebro, mas todas elas, direta ou indiretamente, aumentam a quantidade de dopamina no núcleo accumbens, provocando o vício. Do conhecimento desses alvos surgem ideias para novos tratamentos (quadro).

Projeção do córtex, amígdala ou hipocampo

Receptor de glutamato

A COCAÍNA E OUTROS ESTIMULANTES semelhantes bloqueiam a percepção da presença de dopamina ou aumentam a liberação de dopamina pelos terminais das células da área tegmental ventral (ATV), ampliando a sinalização de dopamina no núcleo accumbens (NA)

POSSIBILIDADES DE TRATAMENTO

Neurônio da ATV que libera dopamina

Um agente hipotético anticocaína poderia impedir a droga de bloquear os transportadores de dopamina nos neurônios da ATV, que poderiam então tirar a dopamina do núcleo accumbens.

Glutamato Transportador de dopamina Um agente hipotético de amplo espectro poderia anular os efeitos da dopamina ao bloquear o acúmulo de CREB ou delta-FosB ou impedi-las de ativar seus genes-alvo.

Cocaína Neurônio inibitório na ATV

MUITAS DROGAS, incluindo a cocaína, as anfetaminas (speed), a morfina e o álcool, podem alterar por muito tempo as respostas das células do NA e da ATV ao glutamato, contribuindo para o desejo irrefreável pela droga ao aumentar as lembranças de experiências passadas, mesmo quando a substância não está mais sendo consumida

Um agente hipotético de amplo espectro poderia interferir nas alterações negativas na sinalização de glutamato que ocorrem nas células do NA com o uso crônico de drogas.

Creb

Correspondente natural do ópio

Delta-FosB Receptor opiáceo

OPIÁCEOS E ÁLCOOL aumentam a liberação de dopamina ao reduzir a atividade de neurônios que deveriam estar inibindo as células nervosas que secretam dopamina

Antagonistas dos opiáceos já existem no mercado e bloqueiam o receptor opiáceo (exemplo: naltrexona). Eles são usados para combater o alcoolismo e agora também o fumo, já que tanto álcool quanto nicotina desencadeiam a liberação das moléculas semelhantes ao ópio produzidas pelo cérebro.

Neurônio do NA

SEIBEL Os maiores problemas das substâncias alucinógenas, como o LSD, são a precipitação de transtornos psicóticos em pessoas vulneráveis, como vimos na pergunta referente ao santo-daime. AULA ABERTA O crack começou a ser consumido em São Paulo e, daqui, se espalhou por outras regiões do país. Como se explica o fenômeno de espalhamento dessa droga? Existe um mapeamento atualizado da situação? SEIBEL A primeira “onda” de consumo de crack no Brasil teve início na cidade de São Paulo no final dos anos 80. Como acontece com o fenômeno de uso de drogas no mundo todo, o “contágio” se faz pela propagação rápida, via mídia, que acaba por glamorizar tal consumo ou qual substância. Na realidade, creio que a preocupação maior deva ser com a pessoa do usuário e suas motivações, e não com a substância em si. AULA ABERTA

TERESE WINSLOW

O ÓPIO e seus parentes naturais ou sintéticos imitam algumas das ações da dopamina nas células do NA

AULA ABERTA O crack é uma droga que vicia muito rapidamente, o que significa que se trata de uma situação mais difícil de enfrentar. Qual o aparato logístico para encarar o desafio dessa droga? SEIBEL Realmente, pelo modo de absorção da substância e pelos mecanismos de recompensa cerebral envolvidos, o potencial gerador de dependência do crack é bem alto; a substância atinge diretamente os alvéolos pulmonares, e daí a via sanguínea, os efeitos, então, sendo mais rápidos, intensos e breves. Eles surgem em 5 a 10 segundos, durando cerca de 5 a 10 minutos, o que obriga o usuário a repetir a “pipada” com muita frequência, para manter o high (barato). Quanto ao aparato logístico para fazer face ao desafio não apenas do crack, como de todas as drogas, seria um investimento, pelo poder público, em uma política de saúde de atenção integral e integrada a usuários de drogas – de todas as drogas, álcool inclusive SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

COCAÍNA EM PÓ com lâmina utilizada para desmanche de pequenas cristalizações antes da inalação.

AULA ABERTA Quais os efeitos mais evidentes e os mais danosos produzidos pelo crack? SEIBEL Após a interrupção abrupta da droga, a abstinência poderá ser acompanhada de depressão, ansiedade e craving (fissura) pela droga, seguidas de sinais graves de crash pós-euforia, como fadiga generalizada e necessidade de sono. Mas o que, a meu ver, é o mais importante, sem dúvida, é o impacto da droga sobre todo o organismo, a saber: impacto na gestação e no recém-nato. O crack aumenta a contratilidade uterina e pode precipitar um trabalho de parto prematuro. Têm sido crescentes os casos relatados de placenta prévia em mulheres gestantes usuárias de cocaína como um todo, sob qualquer forma de administração. AULA ABERTA E qual o impacto nas vias pulmonares? SEIBEL A partir da expansão do uso do crack têm sido relatados desde 1985 casos de pneumomediastino, que é a presença de ar na região do mediastino (local do tórax entre o coração e o esterno), sugerindo que o crack pode causar ruptura alveolar com consequente entrada de ar livre no mediastino. Existem evidências do surgimento, em usuários de crack, de uma síndrome pulmonar aguda, conhecida como pulmão de crack, que consiste em dores no peito, 18

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

falta de ar e tosse sanguinolenta. Alguns pacientes que fumam crack vêm apresentando enfisema subcutâneo do pescoço e mediastino, atribuindo-se à cocaína um poderoso efeito vasoconstritor, capaz de produzir necrose da membrana mucosa da laringe naqueles que fumam crack, do mesmo tipo de necrose do septo nasal naqueles que consomem cocaína por via inalada. AULA ABERTA E as complicações cardiovasculares? SEIBEL Possibilidade de infarto agudo do miocárdio, hipertensão arterial e arritmias cardíacas, assim como aneurismas dissecantes da aorta. Tais complicações são atribuídas a qualquer via de introdução, e doença cardíaca anterior não é pré-requisito para as complicações pós-uso de cocaína. Deve-se prestar atenção na ocorrência de infarto agudo do miocárdio em qualquer paciente jovem que não apresenta fatores de risco coronarianos usuais, podendo-se considerar suspeita de espasmo coronariano mesmo em usuários “recreativos” ou “ocasionais”. AULA ABERTA A droga também causa complicações neurológicas e cerebrovasculares? SEIBEL Sim, hemorragias intracranianas e subaracnoideas têm sido descritas com aumento significativo em usuários de cocaína, sob qualquer via de administração. Têm sido descritos casos de crises convulsivas generalizadas, não necessariamente em pessoas com diagnóstico de epilepsia, mas usuárias de cocaína. É preciso mencionar também as complicações gastrointestinais. Há relatos de casos de colite cocaíno-induzida em pessoas que consomem crack, AULA ABERTA

– que privilegie leitos de internação para os que disso necessitem, ambulatórios especializados, Centros de Atenção Psicossocial – álcool e drogas (CAPS-ad), com recursos técnicos e humanos capacitados a lidar com a pletora cada vez maior de demandantes.

um processo que transforma cloridrato em sulfato de cocaína. Cerca de 15 minutos após a ingestão de cocaína, tem início uma diarreia aquosa, seguida de cãibras abdominais dolorosas, com eventuais episódios de vômitos, sem náuseas. Tais episódios de diarreia são bem conhecidos entre usuários de crack.

de cocaína, sendo preparada artesanalmente nas regiões Norte e Centro-Oeste do Brasil, em laboratórios improvisados, principalmente por seu baixo custo, onde são adicionados vários produtos tóxicos, como ácido sulfúrico, querosene ou gasolina, o que provoca uma adulteração ainda maior da droga, com alta concentração de tais produtos tóxicos. Ao produto final, os consumidores dão o nome de merla, mela ou merda, vendo-se aí o que os próprios usuários acham do produto, não sendo incomum a explosão do preparado, causando graves queimaduras nos indivíduos, quando não acidentes fatais.

AULA ABERTA A administração municipal de São Paulo está fazendo uma ofensiva contra a cracolândia, como forma de desativar a área de consumo de crack na cidade. Mas isso não iria apenas deslocar a concentração desses dependentes, sem mexer na estrutura relacionada à dependência? SEIBEL Realmente há diversas ofensivas contra a região da cracolândia. As medidas, para ter efeito mais consistente, exigiriam, a meu ver, ações integradas do aparelho policial, na repressão ao tráfico, com oferta de equipamentos de saúde pública para os usuários e dependentes. Tais equipamentos, até agora em número insuficiente, não vêm dando conta mínima do recado e deveriam fazer parte de uma estratégia de intervenção com programação de longo prazo, com tempo suficiente de formar-se uma cultura preventiva entre os usuários de drogas e com estruturas de tratamento, seja ambulatorial, seja de internação para os casos que assim o requeressem. A dependência de drogas é um fenômeno multiaxial, devendo ser encarada de forma interdisciplinar e estratégica, e cada setor deveria ter bem delineadas suas funções. O que se tem visto é realmente a criação de diversas cracolândias nas diferentes regiões da cidade.

AULA ABERTA O Brasil já está produzindo drogas sintéticas para exportação, as Brazilian pills. O que são elas e o que se pode esperar neste caso, também no futuro imediato? SEIBEL Empresas brasileiras vêm produzindo e exportando pílulas para emagrecer, conhecidas como Brazilian diet pills, causando preocupação nas autoridades sanitárias americanas. Testes feitos em laboratório indicaram que algumas marcas de comprimidos fabricados com ervas no Brasil contêm anfetaminas e tranquilizantes. Elas podem ter causado um distúrbio conhecido como cetoacidose diabética, que provoca hiperglicemia (o aumento da glicose no sangue) em alguns pacientes. Trata-se de uma questão de controle policial e alfandegário, inserindo-se na pergunta anterior sobre drogas sintéticas, cuja entrada nos países se faz de forma mais efetiva que as assim chamadas drogas tradicionais, como heroína e cocaína, muito visadas pela repressão.

AULA ABERTA Ainda que se fale do crack, outras drogas, como a merla e o oxy, estão entrando no mercado neste momento e já estão presentes na região Norte/Nordeste do Brasil. O que se pode esperar, digamos, no mercado de drogas no futuro imediato? SEIBEL Devido à concentração da repressão nos principais portos e aeroportos do mundo todo, a tendência é a proliferação de produtos industrializados, mais fáceis de produzir e traficar. O oxycontin e a merla pertencem a grupos diferentes de drogas. O oxycontin é um poderoso analgésico central opioide, ou seja, é um medicamento que, se for desviado de sua função principal, terapêutica, pode causar dependência e outras consequências indesejáveis. Sob receita médica, é vendido em farmácias e drogarias. A merla ou mela é um subproduto da pasta básica

AULA ABERTA Como está a demanda por parte de dependentes determinados a se livrar dessa situação com ajuda especializada? A que instituição recorrer? Elas são em número satisfatório e estão acessíveis a parcelas mais pobres da população? SEIBEL A rede pública de atenção a dependentes de álcool e outras drogas está para ser construída. Não podemos dizer que haja uma rede específica estruturada, além de iniciativas pontuais do Ministério da Saúde, com alguns CAPS-ad, que não vêm dando conta da necessidade, com a necessidade urgente de criação de possibilidades hospitalares de curta e média duração para os casos mais graves, assim como formação e qualificação de recursos humanos técnicos para a área. Não se pode dizer que a rede de saúde mental tradicional dê conta da situação.

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

“

Nas escolas, o álcool continua a ser a droga de iniciação mais procurada, seguida do tabaco e da maconha. Quem vai consumir recorre ao que está mais próximo

“

ASTRONOMIA

Vida e morte das

ESTRELAS Por Ulisses Capozzoli 20

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

IMAGENS: NASA

Diferença de cor indica distintos estágios de evolução evolução. Cenas de morte de muitas estrelas podem estar viajando pelo espaço e ainda não chegaram à Terra

NO INTERIOR DESTA gigantesca nuvem de gás e poeira estelar (imagem pág. anterior), de um ano-luz de extensão, uma estrela explode e emite jatos de partículas energéticas. Esse mecanismo, ao longo do tempo, resulta na formação de novas gerações de estrelas. O nome técnico para esses jatos envolvidos com o nascimento de outras estrelas, a partir de uma nuvem rica em gás e poeira, é Objetos Herbig-Haro. O mecanismo que explica sua atuação ainda não está inteiramente elucidado. REMANESCENTE DA EXPLOSÃO de uma estrela observada no céu da Terra no ano 1006, localizada na constelação austral do Lobo (Lupus). Como está a 7 mil anos-luz de distância, significa que, na realidade, a estrela explodiu há pouco mais de 8 mil anos, pois a radiação resultante desse processo demorou 7 mil anos para atingir a Terra. A nebulosa tem aproximadamente 60 anos-luz de diâmetro.

a próxima vez que observar o céu noturno, certamente você perceberá que as estrelas diferem não só em brilho, mas também em cor. O que significa isso? Para responder a essa pergunta, o melhor é considerar primeiro o que explica a diferença de brilho das estrelas e, então, a relação que isso tem com as cores que elas exibem no céu. Um ponto de partida, neste caso, é considerar que o destino de uma estrela, desde o nascimento, está intimamente ligado à sua massa, ou seja, a quantidade de matéria que ela contém. As primeiras estrelas, que nasceram num Universo bem jovem, eram massivas, o que significa dizer que tinham muito mais massa que as atuais, descendentes dessas pioneiras. As primeiras estrelas eram formadas basicamente por hidrogênio, o elemento químico mais simples e abundante do Universo. As estrelas, embora possam parecer fogueiras longínquas no céu noturno, na realidade são verdadeiras bombas atômicas. Mais especificamente bombas atômicas que operam por fusão nuclear. A enorme pressão gravitacional no coração das estrelas é capaz de fundir átomos entre si, sintetizando a diversidade de elementos químicos da tabela periódica. Na verdade, o material que forma o mundo cotidiano, incluindo nosso próprio corpo, além de árvores, bicicletas, borboletas, minhocas, gatos e elefantes. Relatado quase como uma história infantil, o processo de nascimento de uma estrela pode parecer muito simples. De fato, é mais complexo que isso, o que sugere uma primeira e interessante conclusão: a exemplo de qualquer coisa que se pode observar, há sempre uma complexidade no simples e uma simplicidade no complexo, como se a construção do mundo dependesse de um infinito jogo de espelhos. A geração atual das estrelas, como o nosso Sol, ao contrário das pioneiras que foram formadas quase inteiramente de hidrogênio, contém toda a tabela periódica, a lista de elementos químicos conhecidos. No Sol, por exemplo, há uma enorme fortuna em ouro, que os mineradores cobiçarão para sempre, pois está fora do alcance de suas mãos. E isso porque o Sol descende de uma estrela anterior que, ao explodir ao final de seu ciclo de evolução, fertilizou o espaço interestelar com uma vasta e rica nuvem de gases e poeira formada pela diversidade de elementos químicos. Não vamos entrar em detalhes quanto ao mecanismo que, como uma espécie de enorme tesoura cósmica, divide essas nuvens imensas deixadas por estrelas mortas, as supernovas, para, ao que tudo indica, formar novas gerações de estrelas, acompanhadas de planetas e AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

os entulhos dessa construção: cometas, asteroides e mesmo certa quantidade de gases e poeira que sobraram dessa obra cósmica. O fato é que, em linhas gerais, uma estrela de grande massa, ao entrar em ignição nuclear, é mais luminosa que outra de massa menor. E aqui é preciso fazer uma distinção entre luminosidade e brilho, embora, à primeira vista, possa parecer que se trate da mesma coisa, como se essas palavras fossem sinônimas. PARADOXO APARENTE Observada da Terra, uma estrela muito luminosa pode exibir pouco brilho, enquanto outra, menos luminosa, pode se mostrar mais brilhante. Qual a explicação para esse paradoxo aparente? A razão disso está nas diferentes distâncias a que as estrelas se encontram umas das outras e também da Terra. Uma estrela pouco luminosa, situada a uma distância não muito grande pode parecer bem brilhante. Mas outra, muito luminosa (milhares de vezes mais que o nosso Sol), situada a maiores distâncias, será vista com brilho esmaecido. Vale a pena acrescentar que uma das unidades de distância cósmicas, utilizada para estrelas, é o ano-luz. Um ano-luz é a distância que a luz viaja durante um ano no espaço cósmico à velocidade de quase 300 mil km/s equivalente a aproximadamente 9,5 trilhões de quilômetros. Assim, a estrela mais próxima da Terra é justamente Próxima Centauro, um dos componentes de um sistema estelar triplo na constelação austral do Centauro. Não devemos esquecer ainda que o Sol é uma estrela, como os aproximadamente 200 bilhões de outras que formam a nossa galáxia,

MERGULHADO NESSA ESTRUTURA de formação planetária conhecida como 30 Doradus está um imenso aglomerado das maiores, mais quentes e mais massivas estrelas conhecidas. Essa formação, conhecida como Aglomerado Estelar R136,ou nebulosa da Tarântula, foi esculpida por poderosos ventos de radiação ultravioleta pelo conjunto de suas estrelas.

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

a Via Láctea, um “universo-ilha”, como definiu o filósofo alemão Immanuel Kant, em 1755. O Sol, no entanto, está a apenas 8 minutos-luz da Terra, enquanto Antares, o coração do Escorpião, se encontra a 365 anos-luz. Antares, uma supergigante vermelha, tem diâmetro 300 vezes superior ao do Sol, mas parece apenas um pequeno ponto vermelho no interior da constelação do Escorpião, enquanto o Sol é incomparavelmente mais brilhante, por estar a curtíssima distância, ao menos em termos astronômicos. Agora vamos retornar à questão da cor. As estrelas, condicionadas por suas massas, também se denunciam pela cor. Aqui, alguém pode se perguntar se a cor das estrelas tem, por exemplo, relação com as chamas de um fogão a gás, que têm tonalidades avermelhadas, amareladas, azuladas e quase branca dependendo das diversas regiões da chama. E a resposta é positiva. E a razão disso está no fato de as cores denunciarem diferenças de temperatura. Estrelas brancas, como Sirius, alfa do Cão Maior, a mais brilhante do céu, são jovens e quentes. Sirius tem luminosidade 23 vezes superior à do Sol e está a apenas 8,7 anos-luz da Terra. Já o Sol, estrela de meia-idade (com 5 bilhões de anos e expectativa de sobreviver por outros 5 bilhões), tem cor amarelada e Antares, para retornarmos mais uma vez ao “coração do escorpião”, é avermelhada, indicativo de que caminha para o fim. O destino de Antares pode ter se definido, ou seja, ela já poderia ter explodido sob a forma de supernova. Mas a imagem de sua morte, se isso realmente aconteceu, está viajando pelo espaço e um dia chegará às nossas retinas ou aos nossos descendentes sob a forma de uma explosão que aumentará poderosamente seu brilho e fará com que ela seja observada a olho nu mesmo durante o dia. Como supergigante vermelha, a exemplo de várias outras estrelas, Antares passa por uma fase de expansão, um inchamento que caracteriza as estrelas próximas da morte. Antares, ainda que se mostre como uma única estrela a olho nu, na verdade é um sistema binário, o que significa que tem uma companheira ao lado. Duas vezes maior que o Sol, a parceira de Antares compartilha com ela um centro de gravidade comum e parece orbitar na camada de hidroAULA ABERTA

gênio que forma a atmosfera de seu par maior. Aldebaran, gigante vermelha, o “olho do touro” na constelação do mesmo nome, tem o mesmo destino do Sol, ao final do seu segundo momento de vida. Aldebaran tem diâmetro 36 vezes superior ao de nossa estrela-mãe e está mais próxima da Terra: a apenas 64 anos-luz. E quanto à massa de uma estrela definir seu destino, uma das nossas considerações iniciais? REALIDADE OU FICÇÃO A questão, aqui, é que, quanto mais massiva, mais rapidamente uma estrela esgota seu estoque de combustível nuclear. Ao menos até o ponto em que seu coração quente, submetido à enorme pressão de sua própria gravidade, inicia a síntese do ferro. Como esse elemento que, entre outras implicações dá a cor vermelha do sangue, consome muita energia para ser sintetizado, a estrela perde o equilíbrio entre sua própria gravidade e a pressão interna de radiação. Isso faz com que a estrela seja esmagada por seu próprio peso. O que ocorre, então, é uma queda da atmosfera estelar em direção ao núcleo da estrela, e isso eleva a pressão interna a ponto de fazer com que ela exploda com a luminosidade de uma galáxia inteira e espalhe toda a matéria que sintetizou pelo espaço interestelar. O que parece uma cena de pura destruição, no entanto, no caso de uma supernova, está intimamente ligado à criação. Essas nuvens de gás e matéria pesada, os elementos químicos, posteriormente darão origem a outros sóis e mundos, segundo a teoria aceita para evolução estelar. Mas a estrela que um dia brilhou como um poderoso farol cósmico se transforma com a explosão. Enquanto a atmosfera estelar se espalha para o espaço com as formas mais exóticas, o núcleo continua a se contrair ainda sob efeito da gravidade, um caroço duro de uns poucos quilômetros de diâmetro que dá origem a uma estrela de nêutrons. Agora, a matéria degenerada, do ponto de vista físico, alcança uma densidade surpreendente: um volume de matéria equivalente a uma colher de chá, colocada numa balança teórica, pesaria milhões de toneladas. Se continuar o processo de colapso, o caroço que sobrou de uma estrela luminosa chegará ao estágio de perfurar a estrutura do espaço-tempo AULA ABERTA

e dar origem a uma das mais exóticas criaturas do zoológico cósmico: um buraco negro estelar. Buracos negros são criaturas fugidias, esquivas à luz que devoram como tudo o mais que penetrar uma região sem volta em seu entorno, conhecida pelos astrofísicos como horizonte de eventos. Daí a impossibilidade de fotografar um buraco negro como se faz com uma estrela comum. Os astrofísicos só podem deduzir a presença de um buraco negro, normalmente ocultos nos núcleos galácticos onde a concentração estelar é maior e a evolução mais acelerada de forma indireta. A matéria que jorra para o interior de um buraco negro, ao ser acelerada em direção a esse monstro cósmico, emite radiação em vários comprimentos de onda, entre eles os raios X. É como se não pudéssemos contemplar o ataque de um predador, mas a sombra projetada dessa cena. O interior de um buraco negro já teve certo mapeamento matemático, a única forma de exploração possível até agora, e alguns teóricos acreditam que eles possam conectar nosso Universo a possíveis universos paralelos. Mas pode ser que ainda passe muito tempo antes de sabermos se isso é realidade ou pura ficção. Ulisses Capozzoli é editor-chefe de SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

TEORIA DE DINÂMICA estelar ainda não está completamente elucidada. Em janeiro de 2002 a estrela V838 repentinamente se transformou na mais brilhante da Via Láctea e, da mesma forma inesperada, teve queda de brilho, num processo nunca observado antes. Ainda que deva ter expelido material, o que se observa agora é um eco luminoso da estrela. V838 está a 20 mil anos-luz de distância, no interior da constelação do Unicórnio (Monóceros).

FÍSICA

O FUTURO

DA FÍSICA Colaboração entre cientistas do mundo todo é o maior experimento já realizado na física de partículas Por Graham P. Collins

A ABUNDÂNCIA DE PARTÍCULAS familiares liberadas em colisões incluirá ocasionalmente algo novo e espetacular

SLIM FILMS

la é chamada de tera-escala. É o reino da física que entra em ação quando duas partículas elementares se chocam com energia combinada de cerca de trilhões de elétrons-volts, ou 1 tera-elétronvolt. A máquina que nos conduzirá à tera-escala – o Grande Colisor de Hádrons (LHC, em inglês) em forma de anel no Cern (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear) – entrou em funcionamento em setembro de 2008. Ascender na escala de energias desde elétrons-volts à tera-escala significa viajar no mundo real, navegando por um conjunto de cenários distintos: dos domínios da química e da eletrônica de estado sólido (elétrons-volts), pelas reações nucleares (milhões de elétrons-volts), ao território que os físicos de partículas vêm investigando nos últimos 50 anos (bilhões de elétrons-volts). O que nos espera no território da tera-escala? Ninguém sabe. Mas fenômenos completamente novos certamente estão a ponto de se manifestar. Os cientistas esperam encontrar partículas que, idealizadas há muito, poderiam ampliar nossa compreensão da natureza da matéria. Descobertas mais estranhas, como os indícios de dimensões adicionais, também podem se mostrar. Os físicos estão planejando uma máquina que pretende substituir e complementar o LHC em uma década, aumentando a precisão dos mapas rudimentares que serão decifrados a partir dos dados do LHC. No fim dessa “jornada” rumo à tera-escala, e além dela, saberemos pela primeira vez do que somos feitos e como tudo se passa no lugar que habitamos temporariamente. Como o próprio LHC, teremos completado um ciclo. Você pode imaginá-lo como o maior e mais poderoso microscópio da história da ciência. O LHC se localiza numa área circular entre cidadezinhas do interior, a poucos quilômetros de Genebra, na Suíça –, vai investigar a física nas distâncias mais curtas (menor que um nanometro) e as mais altas energias já testadas. Por mais de uma década os físicos de partículas esperam ansiosamente por uma oportunidade de explorar esses domínios, às vezes chamado de tera-escala, devido à faixa de energia que envolvem: 1 trilhão de elétrons-volts, ou 1 TeV. Espera-se que ocorra uma ampliação significativa das fronteiras da física nessas energias, como a ardilosa partícula Higgs (que se acredita ser a responsável por dotar outras partículas de massa), a partícula que forma a matéria escura, substância que representa a maior parte da matéria do Universo. Após nove anos de construção a máquina gigantesca realizou a primeira colisão de prótons em março deste ano. Os procedimentos de teste foram planejados para ser realizados com um feixe, dois feixes, até feixes em colisão; de baixas energias até a tera-escala; de fraca intensidade até muito elevadas, adequadas para produção de dados a taxas úteis, mas mais difíceis de ser controlados. Cada passo ao longo do caminho trará desafios que devem ser superados pelos mais de 5 mil cientistas, engenheiros e alunos de pós-graduação que participam desse esforço colossal. Quando visitei o projeto, em outubro de 2007 – para dar uma espiada em primeira mão nos preparativos para testar a fronteira das altas energias –, verifiquei que todos com quem conversei expressaram uma confiança tranquila no sucesso da empreitada, apesar dos atrasos que o projeto sofreu. A comunidade de físicos de partículas espera ansiosamente pelos primeiros AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

TERA No Sistema Internacional corresponde à multiplicação pelo fator 1012 (símbolo T).

CONCEITO

HÁDRONS Partículas elementares que interagem através da interação forte, uma das quatro forças fundamentais observadas na Natureza.

CONCEITO

ELÉTRON-VOLT Unidade de energia correspondente ao trabalho realizado para mover um elétron a uma diferença de potencial de 1 volt.

QUARKS Nome genérico das partículas elementares constituintes dos hádrons. CONCEITO

GLÚONS Partículas de força responsáveis pela coesão entre os quarks, possibilitando a formação dos hádrons.

O CONTROLE DO ACELERADOR do LHC é feito por uma seção (abaixo, à direita) do centro de controle do Cern. Os detectores têm sua própria sala de operação

resultados do LHC. Frank Wilczek, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), transmite um sentimento comum a todos, ao se referir às perspectivas do LHC em produzir “uma era dourada da física”.

UMA MÁQUINA DE SUPERLATIVOS Para penetrar nesse novo território da tera-escala, os parâmetros básicos do LHC ultrapassam os limites dos colisores anteriores em quase todos os sentidos. Ele começa produzindo feixes de prótons de energias muito maiores que já se conseguiu. Seus quase 7 mil ímãs, refrigerados a hélio líquido a menos de 20K para torná-los supercondutores, deverão orientar e focalizar dois feixes de prótons que se deslocam dentro de 1 milionésimo de 1% da velocidade da luz. Cada próton terá cerca de 7 TeV de energia – 7 mil vezes a energia que um próton em repouso tem incorporada em sua massa, uma cortesia da E = mc2 de Einstein. Isso representa sete vezes a energia do recordista anterior, o colisor Tevatron, do Fermi National Accelerator Laboratory, em Batavia, Illinois. Com a mesma importância, a máquina foi projetada para produzir feixes com 40 vezes a intensidade ou luminosidade dos feixes do Tevatron. Quando estiver completamente carregada e com máxima energia, todas as partículas circulantes transportarão energia aproximadamente igual à energia cinética acumulada por cerca de 900 automóveis viajando a 100 km/h, ou suficiente para aquecer a água para quase 2 mil litros de café. Os prótons viajarão em aproximadamente 3 mil blocos, espaçados ao longo dos 27 km

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

da circunferência do colisor. Cada bloco de até 100 bilhões de prótons terá o tamanho de uma agulha, apenas alguns centímetros de comprimento e estará comprimido no diâmetro de 16 micrômetros (a mesma espessura do mais fino fio de cabelo humano) nos pontos de colisão. Em quatro pontos do anel essas agulhas se cruzarão, produzindo mais de 600 milhões de colisões de partículas a cada segundo. As colisões, ou eventos, como os físicos as denominam, na verdade vão ocorrer entre partículas que formam os prótons – quarks e glúons. O mais cataclísmico desses encontros deverá liberar cerca de um sétimo da energia disponível nos prótons de origem, ou cerca de 2 TeV. (Pela mesma razão, o Tevatron está em uma escala inferior, de um fator 5, na exploração da física das tera-escalas, apesar da energia de 1 TeV de seus prótons e antiprótons.) Quatro detectores gigantescos – o maior ocuparia cerca da metade da catedral de Notre Dame, em Paris, e o mais pesado contém mais ferro que a Torre Eiffel – vão rastrear e medir os milhares de partículas lançados em cada colisão que ocorrer em seu centro. Apesar das enormes dimensões do detector, alguns de seus elementos devem estar posicionados com precisão de 50 micrômetros. Os quase 100 milhões de canais de dados, que cada um dos dois maiores detectores produzem, preenchem 100 mil CDs a cada segundo, o suficiente para formar uma pilha até a Lua em seis meses. Mas em vez de gravarem todos esses dados os experimentos serão dotados de um gatilho e de sistemas de aquisição de dados, que funcionam como enormes filtros antispam. Eles descartam praticamente toda a informação e, a cada segundo, enviam somente os dados dos 100 eventos com possibilidades mais promissoras para o sistema central de computação do LHC, no Cern, para arquivamento e análise posterior. Uma “fazenda” de alguns milhares de computadores no Cern transformará os dados brutos filtrados em conjuntos de dados mais compactos e organizados para os físicos esquadrinharem. As análises serão realizadas em uma chamada rede em grade, formada por dezenas de milhares de PCs em institutos do mundo todo, conectados a um concentrador de uma dezena de centros em três continentes, que por sua vez estarão conectados AULA ABERTA

FRED MERZ REZO (SALA DE CONTROLE); FRANÇOIS WAVRE REZO (CONSERTO DO ACELERADOR)

CONCEITO

ao Cern através de cabos ópticos dedicados. As conexões finais entre ímãs adjacentes do anel foram concluídas no início de novembro de 2007, e um dos oito setores foi resfriado quase até a temperatura criogênica necessária para o funcionamento. Além disso, o resfriamento de um segundo setor já começou. Um setor foi resfriado, energizado e depois voltou à temperatura ambiente, no início de 2007. Depois que o funcionamento dos setores foi testado, primeiro separadamente e depois em conjunto como um sistema integrado, um feixe de prótons foi injetado em uma das duas canalizações que transportam o feixe em torno dos 27 km da máquina. Testou-se também uma série de pequenos aceleradores que fornecem o feixe ao anel principal do LHC, entregando “em domicílio” prótons com uma energia de 0,45 TeV, de onde são injetados no LHC. A primeira injeção do feixe foi um passo decisivo. Os cientistas do LHC começaram com um feixe de baixa intensidade para reduzir o risco de danificar o hardware do LHC. Somente após avaliar cuidadosamente como esse feixe “piloto” se comportava e feitos os ajustes finos necessários nos campos magnéticos de deflexão, eles passaram para intensidades mais altas. Na primeira rodada, na energia projetada de 7 TeV, circulou somente um bloco de prótons em cada direção, em vez dos quase 3 mil programados como meta final. À medida que o processo de “cozimento” do acelerador prossegue nessa rotina, os problemas vão surgindo. A grande incógnita é: quanto tempo os engenheiros e cientistas levarão para superar cada desafio. Se um setor tiver de voltar à temperatura ambiente para reparos, isso levará meses. Os quatro experimentos – Atlas, Alice, CMS e LHCb – também preveem um demorado processo de finalização pela frente e devem estar concluídos antes de o “cozimento” do feixe começar. Alguns alunos e recém-doutores já têm em mãos dados reais, uma dádiva oferecida pelos raios cósmicos que se precipitam nas altas montanhas da fronteira franco-suíça e atravessam os detectores esporadicamente. Ao analisar como os detectores respondem a esses intrusos, pode-se fazer uma verificação bem realista de que tudo está caminhando AULA ABERTA

O CONSERTO DOS ÍMÃS foi feito em 2007, depois que uma falha no projeto foi detectada durante um teste de esforço

corretamente – das fontes de alimentação aos elementos dos próprios detectores, dos pulsos de saída ao software de aquisição de dados que integram os milhões de sinais individuais em uma descrição coerente de um “evento”.

PARALISAÇÃO Em 19 de setembro de 2008, ocorreu um incidente no setor 3-4 do LHC que resultou em grande vazamento de hélio no túnel. Depois de ficar desligado por 14 meses, o LHC foi religado em 20 de novembro de 2009. Quando tudo estiver funcionando harmoniosamente, até mesmo os feixes colidindo no centro de cada detector, a tarefa a ser enfrentada pelos detectores e os sistemas de processamento de dados será enorme. No projeto da luminosidade, 20 eventos deverão ocorrer em cada cruzamento dos grupos de prótons em forma de agulha. Um intervalo de meros 25 nanossegundos entre um cruzamento e outro (alguns têm intervalos maiores). As partículas produzidas, espalhadas pela colisão de um cruzamento, ainda estarão se deslocando na direção das camadas externas do detector quando o próximo cruzamento estiver pronto para entrar em ação. Diferentes elementos em cada camada do detector respondem diferentemente quando uma partícula do tipo certo passa através dele. Os milhões de canais de dados gerados no detector produzem cerca de 1 megabyte de dados em cada evento: 1 petabyte, ou 1 bilhão de megabytes, a cada dois segundos. O sistema de comando que permite administrar essa inundação de dados tem múltiplos níveis. O primeiro recebe e analisa os dados de SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

TEMPERATURA CRIOGÊNICA Temperatura muito baixa, quase sempre abaixo de 150oC negativos

CONCEITO

RAIOS CÓSMICOS Partículas subatômicas provenientes de todas as direções do espaço cósmico e que atingem a Terra.

[O INTERIOR DO LHC]

UM ANEL PARA COMANDAR TODOS O Grande Colisor de Hádrons alia os fiéis burros de carga a um inigualável pioneirismo. Aceleradores com dezenas de anos de idade, incluindo o Proton Synchrotron e o Super Proton Synchrotron, levam os prótons a 99,99975% da velocidade da luz. O LHC incrementa a energia dos prótons em aproximadamente 16 vezes e os faz colidir 30 milhões de vezes por segundo, por até dez horas. Os quatro maiores experimentos juntos geram mais de 100 terabytes de colisões por segundo.

8,6 km

O ACELERADOR LHC

Quase 7 mil ímãs supercondutores orientam o feixe de prótons ao longo do túnel que foi cavado para o Grande Colisor de ElétronPósitron (LEP), em 1989, e o focalizam em um ponto do tamanho de um fi o de cabelo.

O Solenoide de Múon Compacto é um de dois maiores detectores com múltiplas finalidades que deverá liderar a busca por partículas como a Higgs e outros fenômenos novos. Ele tem cinco “aros de barril” como os que aparecem aqui e tampas terminais.

LHCB

ém

)

CMS

F R A NÇ A

A L ICE St. Genis

De tec tor es de par tículas

SP S

AT L A S PS S uíça

LHCb Meyr in

Rio Rhô

Lag

Ver soi x Fer ney Vol tair e

L HC ra (

Este detector está em busca de quarks e antiquarks com sabor “beauty” ou “bottom” (“beleza” ou “para baixo”) para entender o porquê da misteriosa ausência de antimatéria no Universo. Ele monitora apenas um lado de seu ponto de colisão.

Proton Synchrotron (PS, na sigla em inglês)

o G ene b

Super Proton Synchrotron on on (SPS, na sigla em inglês)

CMS

Lag

Genebr a

ATLAS

O Instrumento Toroidal do LHC é outro detector com finalidades múltiplas, com um único projeto baseado em ímãs toroidais em vez dos tradicionais solenoides. Os “grandes aros” (direita) detectam partículas-chave chamadas múons.

ALICE

O Grande Experimento Colisor de Íons estudará as colisões de íons de chumbo (Pb) produzindo bolas de fogo primordiais chamadas de plasma quark-glúon. Ele também vai estudar colisões próton-próton como um ponto de referência.

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

SOLENOIDE

ANTIQUARKS

Fio de material condutor enrolado como uma hélice

Antipartícula do quark

AULA ABERTA

50-175 metros de profundidade

TRAGA O PASSAPORTE Considerado como um projeto verdadeiramente internacional, o LHC envolve cientistas e recursos financeiros de dezenas de países, incluindo os 20 membros do Cern na Europa, seis países observadores, como Estados Unidos, Japão e Rússia, e outros como a China e o Canadá.

DON FOLEY (ilustração) ; CERN (imagem aérea); SIMON NORFOLK NB Pictures/Contact Press Images (túnel do LHC); STEFANO DAL POZZOLO Contrasto/Redux (CMS e ATLAS); CERN GENEBRA (LHCb e Alice); MAPPING SPECIALISTS (mapa)

CONCEITO

SABOR Qualquer um dos números quânticos utilizados para distinguir os quark up (u), down (d), estranho (s), charme (c), botton (b) e top (t).

AULA ABERTA

apenas um subconjunto de todos os componentes do detector, de onde retira somente os eventos promissores, com base em fatores isolados, como, por exemplo, se um múon energético foi localizado voando em uma direção que forma um ângulo grande com o eixo do feixe. Esse estágio, chamado de “nível 1” do comando, será levado a centenas de computadores dedicados – cuja lógica está incorporada no hardware. Os computadores selecionarão 100 mil blocos de dados por segundo para uma análise mais cuidadosa no estágio seguinte, o comando de nível mais alto. Esse comando recebe dados de todos os milhões de canais do detector. Seu software roda em uma “fazenda de computadores” e, com um lapso de 10 microssegundos entre cada bloco aprovado pelo nível um, ele tem tempo suficiente para “reconstruir” cada evento. Ou seja, ele projeta os rastros das partículas de volta ao ponto de origem comum, formando assim um conjunto de dados coerentes para as partículas produzidas em cada evento. O nível mais alto envia cerca de 100 eventos por segundo ao concentrador da rede global de recursos computacionais do LHC – a Grade de Computação do LHC. Um sistema de grade usa a capacidade de processamento de uma rede de centros de computação e a disponibiliza aos usuários que podem se conectar à grade (ver “A grade, computação por toda parte”, por Ian Foster, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, maio de 2003). A grade do LHC está organizada em filas. A fila 0 se localiza no próprio Cern e é formada em grande parte por milhares de processadores comerciais, PCs e, mais recentemente, sistemas de “lâminas” do porte de uma embalagem de pizza, mas de cor preta, empilhadas lado a lado (ver ilustração na pág. oposta). Os computadores ainda estão sendo comprados e ligados ao sistema. As informações que os sistemas de aquisição de dados dos quatro experimentos do LHC transferem para a fila 0 serão arquivados em fita magnética. Isso pode parecer ultrapassado e de baixo apelo técnico na era dos discos de DVD-RAM e flash-drivers, mas François Grey, do Centro de Computação do Cern, afirma que essa ainda é a forma mais conveniente em termos de custos e segurança. A fila 0 distribui os dados aos 12 centros de SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

MÚON Partícula elementar que não sente a interação forte com características semelhantes às do elétron, mas instável, com carga elétrica igual à carga do elétron e massa aproximadamente 207 vezes maior.

CURIOSIDADES INCLINADO! O túnel do LHC tem inclinação de 1,4% na horizontal, para mantêlo o máximo possível sobre rocha sólida. Ele está a cerca de 50 metros de profundidade do lago Genebra e a 175 metros de profundidade da sua superfície. FASES DA LUA Quando a Lua está cheia, na “maré alta” o solo, próximo do lago, se eleva 25 cm, a circunferência do LHC aumenta 1 mm e a energia do feixe varia 0,02%. Os pesquisadores devem tolerar esse efeito: eles precisam conhecer a energia do feixe dentro de uma precisão de 0,002%. OCTÓGONO O túnel do LHC é na verdade octogonal, com oito arcos conectados através de oito seções retas, curtas, que abrigam os quatro experimentos e as unidades de controle do feixe.

INFORMAÇÃO DEMAIS Com até 20 colisões ocorrendo em intervalos de 25 nanossegundos no centro de cada detector, o LHC produz mais dados do que pode registrar. Os chamados sistemas de comando selecionam a fração mínima de dados que contêm características promissoras e descartam o resto. Uma rede global de computadores, chamada de grade, permite que milhares de pesquisadores do mundo todo tenham acesso aos dados armazenados e à capacidade de processamento necessária para analisá-los.

Dados brutos de um subconjunto do sistema de detectores seguem para o comando de nível 1.

O comando de nível 1 seleciona 100 mil eventos por segundo com base em características isoladas dos dados.

O comando de nível mais alto analisa os dados organizados desses eventos. Seleciona 100 eventos por segundo e envia os dados à fi la 0 da grade, uma “fazenda” de milhares de computadores no Cern. A fi la 0 grava um arquivo dos dados em fi ta magnética e também os envia para os locais da fi la 1 (nos maiores laboratórios) para serem armazenados.

Os locais da fi la 2, nas universidades e institutos, rodam os programas para a análise de dados por usuários de qualquer ponto da grade.

fila 1, que estão localizados no próprio Cern e em outros 11 grandes institutos do mundo, incluindo o Fermilab e o Brookhaven National Laboratory, nos Estados Unidos, assim como centros na Europa, Ásia e Canadá. Assim, os dados não processados terão duas cópias, uma no Cern e outra distribuída pelo mundo todo. Cada um dos centros de nível 1 também abriga um conjunto completo de dados em forma compacta estruturada para que os físicos possam realizar as suas análises. 30

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

A Grade de Computação do LHC completa também tem centros de nível 2, que são centros de computação menores, em universidades e institutos de pesquisa. Os computadores desses centros terão uma capacidade de processamento que será distribuída por toda a grade para a análise de dados.

PEDRAS DO CAMINHO Com todas as novas tecnologias preparadas para entrar on-line, não é de surpreender que o LHC tenha experimentado alguns percalços – e alguns reveses mais sérios – ao longo da sua jornada. Em março de 2007 um dos ímãs utilizados para manter os feixes de prótons focalizados na frente do ponto de colisão (chamado de quadrupolo) sofreu uma avaria séria durante um teste para verificar sua capacidade de resistir a um certo tipo de força significativa possível se, por alguma razão, a bobina do ímã perder sua supercondutividade durante a operação do feixe (um avaria chamada de resfriamento súbito). Parte dos suportes do ímã colapsou sob a pressão do teste, produzindo um forte estrondo como uma explosão e provocando vazamento de hélio. (A propósito, quando os técnicos ou jornalistas visitantes entram no túnel, são obrigados a carregar pequenos equipamentos para respiração, como medida de segurança.) Esses ímãs são montados em grupos de três, para comprimir o feixe, primeiro na horizontal, depois na vertical e finalmente de novo na horizontal, sequência que serve para focalizar o feixe ao máximo. O LHC utiliza 24 desses ímãs, um tripleto de cada lado dos quatro pontos de interação. De início os cientistas do LHC não sabiam se seria necessário retirar todos os ímãs da máquina e colocá-los no chão para serem modificados, procedimento que consumiria muito tempo e poderia atrasar ainda mais a programação. O problema era uma falha no projeto: os projetistas do ímã (pesquisadores do Fermilab) haviam cometido um engano na avaliação de todos os tipos de forças que os ímãs têm de suportar. Os pesquisadores do Cern e do Fermilab trabalharam como loucos para identificar o problema e estabelecer uma estratégia para reparar os ímãs danificados no túnel. (O ímã triplo danificado no teste foi removido para ser consertado.) Em junho de 2007, o diretor-geral do Cern, Robert Aymar, anunciou que, devido ao defeito, além de um acúmulo de problemas menores, AULA ABERTA

SLIM FILMS (ILUASTRAÇÃO); FRED MERZ REZO (SALA DE PROCESSADORES)

[MANIPULAÇÃO DE DADOS]

ele teria de adiar o início do funcionamento do acelerador de novembro daquele ano para março/abril de 2008. A energia do feixe terá de ser aumentada mais rapidamente para tentar manter o cronograma e começar a “trabalhar com a física” a partir de julho. Embora alguns técnicos em detectores tivessem me dado a impressão de que estavam contentes por dispor de mais tempo, a data sempre adiada de início do funcionamento era uma preocupação a mais, porque, quanto mais tempo o LHC levar para produzir uma quantidade mensurável de dados, mais oportunidades o Tevatron terá – ele ainda está funcionando – de conseguir um “furo”. O Tevatron poderia encontrar evidências do bóson de Higgs ou algo igualmente espetacular, caso a Natureza tivesse resolvido, somente agora, conferir-lhe a massa suficiente para fazê-lo aparecer da montanha crescente de dados do Fermilab. Obstáculos como esses também podem provocar problemas pessoais sérios, como o preço pago pelos alunos e cientistas por ter carreira estagnada, na expectativa de dados. Outro problema potencialmente grave surgiu em setembro de 2007, quando os engenheiros descobriram que pequenas peças deslizantes de cobre, dentro da canalização do feixe, conhecidos como módulos de encaixe, tinham amassado depois que um setor do acelerador foi resfriado à temperatura criogênica exigida para seu funcionamento e, em seguida, aquecido novamente até a temperatura ambiente. De início não foi possível avaliar a gravidade do problema. Todo o setor onde o teste de resfriamento havia sido feito reunia 366 módulos de encaixe, e abrir cada um deles para fazer a inspeção e provável conserto seria um trabalho insano. Em vez disso, o grupo encarregado de resolver o problema desenvolveu um esquema para inserir uma bola ligeiramente menor que uma bola de pingue-pongue na canalização do feixe – pequena o suficiente para se ajustar e ser conduzida ao longo da canalização por meio de ar comprimido e suficientemente grande para ser bloqueada por um encaixe danificado. A esfera continha um radiotransmissor de 40 MHz – a mesma frequência em que os grupos de prótons viajarão ao longo da canalização, quando o acelerador estiver rodando com sua capacidade máxima – permitindo o rastreamento de seu deslocamento pelos sensores do feixe instalados AULA ABERTA

a cada 50 metros. Para alívio geral, esse procedimento revelou que apenas seis módulos do setor estavam com defeito, um número razoável para ser aberto e consertado. Quando a última conexão entre os ímãs aceleradores foi concluída, em novembro, completando o círculo e abrindo caminho para dar início ao resfriamento de todos os setores, o chefe do projeto, Lyn Evans, comentou: “Para uma máquina dessa complexidade as coisas estão indo bem demais, e estamos ansiosos para pôr a mão na massa em julho próximo”.

Graham P. Collins é editor de Scientific American

PARA CONHECER MAIS The Large Hadron Collider. Chris Llewellyn Smith, em SCIENTIFIC AMERICAN, vol. 283, no 1, págs. 70-77, julho de 2000. Discovering the quantum Universe. Disponível em www.interactions.org/quantumuniverse/qu2006 Páginas do Cern disponíveis para o público estão em http://public.web.cern.ch/public Links para o experimento do LHC podem ser encontrados em http://lhc.web.cern.ch/lhc/LHC_Experiments. htm Blogs americanos do LHC: Monica Dunford, Pamela Klabbers, Steve Nahn e Peter Steinberg, disponíveis em www.uslhc.us/blogs Acompanhe diariamente o processo de “cozimento” do acelerador em http://lhc.web.cern.ch/lhc SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

MILHARES DE PROCESSADORES do Cern estão conectados para fornecer a capacidade computacional necessária para o gerenciamento dos dados, à medida que são produzidos pelos experimentos

PARA O PROFESSOR ▼ Conteúdos

trabalhadas segundo a Matriz de Referência do Enem • Dominar a norma culta da Língua Portuguesa e fazer uso da linguagem matemática. • Construir e aplicar conceitos das várias áreas do conhecimento para a compreensão de fenômenos naturais e da produção tecnológica. • Selecionar, organizar, relacionar, interpretar dados e informações representados de diferentes formas, para tomar decisões e enfrentar situações-problema. • Relacionar informações, representadas em diferentes formas, e conhecimentos disponíveis em situações concretas, para construir argumentação consistente. • Compreender as ciências naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. • Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas. • Identificar a presença e aplicar as tecnologias associadas às ciências naturais em diferentes contextos. • Relacionar informações apresentadas em diferentes formas de linguagem e representação usadas nas ciências físicas, químicas ou biológicas, como texto discursivo, gráficos, tabelas, relações matemáticas ou linguagem simbólica. 32

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

• • • • • • •

Noções de ordens de grandeza Notação científica Física de partículas Natureza da matéria Origem do Universo Escalas Unidades de energia

▼ Atualizações sobre o LHC: Para obter informações acerca do início do funcionamento, adiamento e reinício das atividades do LHC, recomenda-se a leitura pelos professores e alunos, com a discussão em classe, das seguintes notícias publicadas no site da SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL: • "Começa a funcionar o Grande Colisor de Hádrons" (10/9/2008) www2.uol.com.br/sciam/noticias/ comeca_a_funcionar_o_grande_colisor_ de_hadrons_imprimir.html • "Reinício do LHC adiado para fins de 2009" (16/2/2009) www2. uol.com.br/sciam/noticias/reinicio_do_ lhc_adiado_para_fins_de_2009.html • "Afinal, LHC realiza as primeiras colisões de partículas" (30/03/2010) www2.uol.com.br/sciam/ noticias/afinal_lhc_realiza_as_primeiras_ colisoes_de_particulas.html UM EVENTO SIMULADO no detector de CMS, com o aparecimento do Bóson de Higgs.

AULA ABERTA

CERN/CREATIVE COMMONS (AO LADO); SOLARNU/CREATIVE COMMONS (OUTRA PÁGINA)

▼ Competências

FÍSICA

Ciências da Natureza e suas tecnologias

PROPOSTAS PEDAGÓGICAS UM DOS DUTOS que confinam feixes de partículas do LHC

▼ Introdução Professor, antes de iniciar as atividades com os alunos, faça uma introdução sobre as potências de 10, comumente utilizadas na Física, e apresente as dimensões envolvidas na física de partículas, comparandoas, através de uma escala, com as presentes em nosso dia a dia até as dimensões astronômicas (variação de 10-19 m a 1024 m). Há material (em inglês) no endereço: http://cdsmedia.cern.ch/ img/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf

▼ Atividades EM GRUPO Professor, antes da leitura do texto, questione e promova uma discussão entre os alunos a respeito do que sabem, leram ou ouviram sobre o LHC. Em seguida, divida a turma em grupos, segundo os temas abaixo, orientando a leitura do artigo e das notícias mais atuais indicados anteriormente. • O que é um acelerador de partículas e qual a sua utilidade? É possível encontrar aceleradores de partículas no nosso dia a dia? A partir do título do artigo, vê-se que o LHC é uma “máquina de descobertas”. O que se pretende descobrir? • Reconheça ao longo do texto as dimensões de energia e comprimento envolvidas e estabeleça comparações com “coisas da Natureza”. AULA ABERTA

• Quais os problemas encontrados na montagem e testes do LHC? Quais as atualidades relativas ao LHC? Estabeleça uma linha do tempo posterior à publicação desta reportagem, considerando as primeiras atividades, problemas e retorno às operações em 2010. • Quais os aspectos político-sociais e econômicos envolvidos na construção, manipulação e administração do LHC? • Qual a importância do estudo das partículas elementares? INDIVIDUALMENTE Uma atividade a ser proposta aos alunos é de converter em joules a energia de 7 TeV (7 trilhões de eletrons-volts = 7 x 1012 eV) gerada na colisão dos feixes no interior do LHC no dia 30/3/2010 e comparar com energias presentes em nosso dia a dia, como, por exemplo, a energia produzida na colisão frontal de dois carros a alta velocidade (com massa de 1000 kg e velocidade de 100 km/h) ou à energia de um objeto de 1 kg que cai de uma altura de 1 m, lembrando que 1 e V = 1.602 x 10–19 J. Destaque para os alunos que, por mais que a energia produzida no experimento seja muito menor do que as presentes em nosso dia a dia, a sua concentração é o fato que surpreende na colisão de partículas.

Leituras adicionais LIVROS: – O discreto charme das partículas elementares. Maria Cristina Batoni Abdalla. 2004 Editora Unesp – Capítulo 3 (páginas 162 a 190); – A matéria uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do conhecimento. Luis Carlos de Menezes. 2005 Editora Livraria da Física – Capítulo 7. REPORTAGEM: – "O ponto de encontro": http://revistapesquisa.fapesp. br/?art=3513&bd=1&pg=1 – Trata dos aspectos sociais, políticos e econômicos relacionados à construção e funcionamento do LHC. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

A AIDS TEM CURA? Para eliminar o vírus do organismo é necessário removê-lo de seus esconderijos e evitar que voltem a ocupar essa proteção. Um desafio enorme, mas não impossívell Por Mario Stevenson

o contrário das tentativas fracassadas para a obtenção de uma vacina contra o vírus da imunodeficiência humana, o HIV, os esforços para oferecer terapias medicamentosas são um sucesso. Até agora, já foram aprovados mais de 25 agentes que, combinados corretamente, conseguem suprimir a replicação do vírus e manter sua contagem no sangue tão baixa, que chegam a escapar à detecção em testes comuns. A chamada terapia antirretroviral altamente ativa (Haart), que abrange esses poderosos coquetéis de drogas, vem prolongando a vida e a saúde de inúmeros soropositivos. Mas, lamentavelmente, os tratamentos atuais não erradicam a infecção. E, se por alguma razão, a terapia for interrompida, o vírus rapidamente recrudesce. Um dos principais desafios dos pesquisadores é descobrir como o HIV persiste no organismo, apesar de drogas tão potentes. Na última década os pesquisadores vêm reunindo informações básicas para resolver esse mistério. Torcemos para que a resposta possa finalmente esclarecer se a erradicação total do vírus nos pacientes é mesmo viável. Para compreender a natureza dos esconderijos, ou reservatórios, do HIV e o que é necessário para erradicá-lo, é preciso entender o comportamento dele no organismo humano. Como os demais vírus, o HIV invade as células do corpo para proliferar. A seguir, o invasor explora o mecanismo das células para produzir cópias de seu próprio genoma e para traduzir seus genes em proteína. Assim, gera novas cópias virais, chamadas vírions, que se espalham para outras células. Mas, diferentemente da maioria dos vírus humanos, o HIV realmente insere seu genoma na célula, assim, quando ela se reproduz, os genes virais são copiados e passados às células filhas, garantindo a permanência do vírus, pelo tempo que a célula e sua progênie sobreviverem no organismo.

HIPERLINK

HIV INVADE AS CÉLULAS PARA PROLIFERAR Vírus são organismos acelulares e parasitas intracelulares obrigatórios. Sua replicação depende de uma célula hospedeira. 34

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

ZYGOTE MEDIA GROUP, INC. E MARK HOOPER

BIOLOGIA

AFINAL,

À ESPREITA: Mesmo depois de o tratamento reduzir o HIV a níveis não detectáveis no sangue, o vírus fica à espreita em outro local, aguardando a chance para voltar com ênfase.

O sistema imunológico costuma, de alguma forma, eliminar os vírus destruindo as células infectadas. Ele identifica rapidamente essas células pela presença de blocos de proteínas virais, ou antígenos, presentes em sua superfície para sinalizar a presença de intrusos. No caso do HIV, o sistema imunológico tem dificuldade para erradicar as células infectadas sozinho, em parte porque o vírus ataca elementos do próprio sistema imunológico. O corpo reage por determinado período, gerando anticorpos saudáveis aptos a reconhecer o vírus e outros agentes infecciosos. Nos pacientes não tratados, no entanto, o vírus assume o controle com o tempo, desencadeando a aids. AULA ABERTA

HIPERLINK

SISTEMA IMUNOLÓGICO

Os potentes coquetéis de drogas atuais protegem o sistema imunológico ao coibir a replicação do HIV e limitar a disseminação do vírus para novas células. Em teoria, esses tratamentos deveriam permitir às partes ainda saudáveis do sistema imunológico expulsar todas as células infectadas e eliminar a infecção. Mas por que o sistema imunológico reforçado pelas drogas não dá conta do recado? Boa parte da culpa parece dever-se à persistência de células que, embora aptas geneticamente, não produzem novos vírions e, assim, passam despercebidas pelo sistema imunológico. Segundo observou David I. Watkins em artigo sobre a busca de uma vacina, o HIV infecta SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Ou imunitário – constituído por células de defesa (glóbulos brancos ou leucócitos) e por órgãos de produção e maturação dessas células (medula óssea vermelha, timo, linfonodos, tonsilas, adenoides e baço). CONCEITO

COQUETÉIS DE DROGAS Aplicação combinada de medicamentos antivirais distintos, geralmente três.

CONCEITO

LINFONODOS Pequenos órgãos distribuídos em diversos pontos do sistema linfático, rede que produz e transporta o fluido linfático dos tecidos para o sistema circulatório.

CONCEITO

DNA É a composição química dos genes, os quais carregam o código que determina a síntese de moléculas funcionais, como o RNA e as proteínas. Alguns vírus carregam sua informação genética em DNA, como nós. Mas outros, como o da gripe, possuem apenas RNA.

primeiramente os leucócitos denominados linfócitos T facilitadores, que residem sobretudo nos linfonodos e no tecido conectivo do trato gastrointestinal, que também ocupam outros linfonodos e circulam pelo sangue. Durante o combate à maioria dos tipos de infecções virais, a maior parte das células T facilitadoras morre quando não mais necessárias. Ainda assim, um subgrupo sobrevive, agora como células T de memória duradoura, prontas a se multiplicar e a convocar os reservas diante de sinais de reinfecção. São essas células T de memória que parecem produzir a maioria dos vírus em pacientes infectados com o HIV. Conforme se preparam para se dividir na luta contra patógenos conhecidos, elas duplicam seu próprio DNA e proteínas e produzem novos vírions de HIV rapidamente. A maioria das células de memória infectadas morre em decorrência do vírus, ou é atacada pelo sistema imunológico, mas umas poucas retornam a um estado de dormência. Nesse ponto, o HIV permanece vivo apenas como DNA viral, calmamente à espera do genoma das células. Esse DNA viral não é copiado e forma proteínas virais, logo,nenhuma

[OBSTÁCULO À CURA]

FORMAÇÃO DE ESCONDERIJOS Grande parte do HIV no sangue parece derivar de anticorpos conhecidos como linfócitos T de memória que foram infectados com o vírus. Essas células, que apresentam partes do HIV em sua superfície, normalmente morrem da própria infecção ou de um ataque imunológico cujo alvo são os fragmentos visíveis. Contudo, alguns deles sobrevivem e entram em dormência (extrema direita). Nesse estado escondem o genoma do HIV em seu DNA e podem produzir novas cópias do vírus se reativados, ainda que permaneçam em silêncio por anos.

Anticorpos anti-HIV Células T de memória infectadas Fragmento viral exposto Genoma viral

Componentes virais Células T infectadas dormentes

Vírus recémproduzido

Células T mortas

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

porção do DNA fica aparente na superfície. Como consequência, drogas contra o HIV não agem sobre as células, e o sistema imunológico continua a ignorá-las. Estudos publicados em 1997 já alertavam sobre isso. Equipes independentes lideradas por Robert Siliciano, da Johns Hopkins University, Anthony Fauci, do NHI, o Instituto Nacional de Saúde americano, e Doug Richman, da University of California em San Diego, constataram que linfócitos T inativos isolados de pacientes soropositivos não produzem o HIV. No entanto, quando essas células são despertadas, os vírus dormentes voltam a se replicar. Esse tipo de latência não é exclusividade do vírus HIV. Uma gama de vírus pode entrar nesse tipo de estado silencioso. Na verdade, alguns, como o vírus da herpes, produzem proteínas que o levam a tornar-se latente. Estimativas baseadas no tempo de vida das células T de memória sugerem que levaria mais de cinco décadas para que todo o estoque de células infectadas com o HIV latente morra naturalmente. Os pesquisadores também começam a compreender que não são apenas as células T facilitadoras latentes que trazem o HIV de volta com o fim da terapia. Aparentemente, apesar da ausência do vírus no sangue, algumas células T facilitadoras e outras células continuam a produzir novos vírus em escala mínima, mesmo com o bom andamento da terapia. Essa atividade escapa aos testes de acompanhamento, pois ou o vírus se esconde por completo no interior das células ou, quando liberado, continua preso aos tecidos e não chega à corrente sanguínea. Em 2007, por exemplo, pesquisas revelaram a redução acentuada de linfócitos T facilitadores no intestino, poucas semanas depois de o paciente ter contraído o HIV e mesmo antes de o vírus ser detectado no sangue. Portanto, é possível que durante o tratamento o vírus continue a se replicar em tecidos como os do intestino − uma atividade que pode passar despercebida por bastante tempo, até que ocorra a disseminação pelo sangue.

OUTRO CÚMPLICE INVOLUNTÁRIO Muitas das pesquisas sobre a aids se concentraram nas células T facilitadoras. Como elas circulam no sangue, são facilmente isoladas nos estudos. Contudo, recentemente, os pesquisadores notaram que outros leucócitos infectados pelo AULA ABERTA

[ONDE O VÍRUS SE ESCONDE]

OS MUITOS DEPÓSITOS DE HIV DEPÓSITOS CELULARES

Células T de memória dormentes nos linfonodos e no sangue

Macrófagos e células dendríticas em diversos tecidos (principalmente nos linfonodos, no intestino e no sistema nervoso central)

DEPÓSITOS ANATÔMICOS Sistema nervoso central

Trato gastrointestinal

TAMI TOLPA

Trato genital

HIV – macrófagos e células dendríticas − também contribuem para o reaparecimento do vírus depois que a terapia contra o HIV é interrompida ou depois que o vírus desenvolve resistência a ela. Pouco se sabe sobre macrófagos e células dendríticas, pois eles se localizam estritamente nos tecidos, mas novos estudos sugerem que a terapia medicamentosa pode não interromper a reprodução do HIV nessas células. E mesmo com nível baixo o bastante para fazer com que o vírus atinja o sangue e seja identificado, a quantidade é suficiente para atingir os linfócitos T e repor continuamente os estoques de células T de memória infectadas dormentes. Além disso, alguns macrófagos infectados conseguem escapar da eliminação pelo vírus em seu interior e por outros componentes do sistema imunológico. Os macrófagos, então, ficam a postos, prontos a estimular a replicação, quando interrompida a terapia com medicamentos. Em 2001, por exemplo, Malcolm Martin, do NIH, e colegas relataram que embora macacos infectados com vírus da imunodeficiência símia (SIV) perdessem a maior parte de seus linfócitos T facilitadores poucas semanas depois de infectados, o vírus continuou a ser produzido em larga escala. Verificou-se que macrófagos geraram o vírus. O tratamento posterior dos macacos com drogas que inibem a replicação viral − e previnem a infecção de novas células − não conseguiu diminuir de modo significativo a quantidade de vírus no sangue desses animais, ou seja, os macrófagos não morreram durante o AULA ABERTA

Além de se esconder em células T de memória dormentes, o HIV pode se reproduzir em pequena escala em determinadas células do sistema imunológico – em especial em macrófagos e células dendríticas, que, até certo ponto, demonstram capacidade inata para se esquivar da resposta imunológica e de drogas que combatem o HIV. Além disso, células infectadas pelo HIV em umas poucas partes do corpo parecem ter certo grau de proteção física contra o sistema imunológico e determinadas drogas. O HIV produzido em depósitos celulares anatômicos alcança o sangue de imediato em pacientes submetidos a tratamentos agressivos, mas pode provocar infecção importante se interrompido o tratamento.

processo de liberação de novas cópias do vírus. O HIV aparentemente também se replica de um modo diferente em macrófagos se comparado às células T, de forma a representar vantagem extra ao vírus. Enquanto nas células T os componentes dos vírus se instalam próximo da superfície da célula – e posteriormente se separam dela –, nos macrófagos alguns fragmentos virais ficam depositados nos vacúolos, compartimentos internos das células. Com o tempo, os vacúolos podem migrar até a superfície celular para liberar os fragmentos de vírus guardados. A estocagem do vírus em compartimentos bem fechados contribui para que o HIV burle a detecção imunológica, impedindo a exposição de antígenos na superfície da célula, que alerta o sistema imunológico sobre a presença de intrusos. Não são apenas as propriedades anatômicas das células T facilitadoras e dos macrófagos que garantem a persistência do HIV frente a uma terapia intensiva. Algumas dessas células ainda ficam em compartimentos anatômicos que podem protegêlas de várias drogas ou de respostas imunológicas, ou de ambas. Para eliminar o HIV por completo é preciso alcançá-lo nesses locais. O sistema nervoso central (SNC) é um desses compartimentos. Há tempo os pesquisadores sabem que o SNC é suscetível à infecção pelo HIV. Os problemas neurológicos que aparecem em estágios avançados da aids se devem à produção de neurotoxinas liberadas por macrófagos cerebrais SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

MACRÓFAGOS E CÉLULAS DENDRÍTICAS Células especializadas do sistema imunológico, que alertam outros componentes desse sistema sobre uma invasão em curso. Também conhecidas como células acessórias, pois expõem proteínas do agente invasor em sua membrana de forma que os linfócitos T possam identificá-lo.

O AUTOR Mario Stevenson é professor emérito da cadeira David Freelander de Pesquisa de Aids do Programa de Medicina Molecular da Faculdade de Medicina da University of Massachusetts. É pós-graduado pela University of Strathclyde em Glasgow, onde pesquisou o efeito da droga lipossomal sobre os macrófagos.

MICRÓGLIA A glia é um conjunto de células não nervosas alojadas no sistema nervoso que provêm suporte para as células nervosas, mantendo sua homeostase. Dentre essas células, algumas são especializadas na defesa imunitária dos neurônios do SNC. Esse conjunto, denominado micróglia, é composto por macrófagos especializados que rapidamente fagocitam o invasor.

infectados. Para entrar no cérebro, toda molécula ou célula deve cruzar a barreira hemantoencefálica – uma membrana permeável essencialmente seletiva que regula o trânsito de células e outras substâncias do sangue para o SNC. Os macrófagos – que, infectados pelo HIV em tecidos fora do SNC, aparentemente conseguem transpor a barreira hemantoencefálica e se instalam no SNC – passam a infectar macrófagos especializados conhecidos como micróglia, que residem permanentemente no SNC. Há indicações de que a infecção de células no SNC pode fornecer certo grau de proteção ao vírus contra as drogas, pois parte delas − conhecidos inibidores da protease, vitais para o processamento adequado de novas proteínas virais − não atravessa eficientemente a barreira sangue-cérebro. Além

disso, a maioria dos outros anticorpos em circulação permanece fora do cérebro. Não se sabe se as células cerebrais infectadas podem enviar o HIV para outras regiões do corpo, mas, se os macrófagos infectados por vírus puderem cruzar a barreira hemantoencefálica no SNC, supõe-se que possam fazer também o caminho de volta. Para livrar pessoas infectadas pelo HIV completamente seria necessário remover todas as células T infectadas latentes. Uma das linhas de ação que vem sendo explorada com foco nos depósitos latentes é tratar os pacientes com compostos que estimulam a divisão dos linfócitos T infectados dormentes, na esperança de que as células produzirão novos vírus, tornando-se assim vulneráveis à terapia antiretroviral. No entanto, testes limitados a humanos

[NOVAS IDEIAS]

ABORDAGENS PROMISSORAS DE TRATAMENTO Para remover completamente o HIV do organismo é preciso, no mínimo, induzir as células T infectadas dormentes a produzir proteínas virais – ação que desencadearia a destruição por drogas ou pelo sistema imunológico. Esses tratamentos seriam administrados em conjunto com drogas padrão que bloqueiam a disseminação do vírus célula a célula. Novas evidências indicam que o controle da replicação do HIV – ao atingir novos alvos virais ou celulares –

também pode ser útil. Alguns alvos terapêuticos em potencial para chegar a esses alvos (laranja) estão descritos à direita. As drogas já comercializadas estão focadas no envelope protéico do vírus e no receptor CCR5 das células T (para impedir que o vírus entre na células) e tentam inibir a transcriptase reversa do HIV, as enzimas integrase e protease (para interromper, respectivamente, a duplicação do genoma do HIV, sua inserção no DNA da célula e a maturação das proteínas do HIV). Protease

Envelope

ALVOS DE DROGAS EXISTENTES

HIV

CÉLULAS T INFECTADAS CCR5 Transcriptase reversa A3G Vpu

Vif

ALVOS DAS DROGAS EM POTENCIAL

Integrase LEDGF

Cromatina

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

TAMI TOLPA

CONCEITO

para pôr à prova essa abordagem, usando drogas previamente aprovadas para tratar outras doenças, apresentaram resultados variados. Os agentes ideais estimulariam as células T apenas o suficiente para reavivar a produção de proteínas virais que ficam expostas na superfície celular, mas não o bastante para que as células façam novas cópias do vírus. Para esse fim os pesquisadores vêm explorando o potencial de drogas que induzam a síntese de proteínas do HIV, alterando a organização da cromatina (DNA longo e fino, localizado na célula interfásica) em células T infectadas dormentes. Ainda assim, mesmo esses ditos remodeladores de cromatina teriam uso limitado, caso agissem apenas em células T e o vírus também fosse encontrado em macrófagos.

ALVOS TERAPÊUTICOS EM POTENCIAL Vif (fator de infectividade viral) Uma proteína celular chamada A3G reduz a viabilidade do HIV alterando significativamente seus genes. No entanto, a proteína Vif do HIV impede isso. Logo é preciso inibir de alguma forma a ação da proteína Vif, protegendo o A3G para que ele desempenhe sua função antiviral.

LEDGF (fator de crescimento derivado do epitélio) Em células infectadas com o HIV, a LEDGF, uma proteína celular, ajuda a integrase a ligar o DNA do HIV ao genoma da célula. Algumas descobertas indicam que a inibição do LEDGF reduz a replicação do HIV.

CROMATINA (DNA longo e fino, localizado na célula interfásica) As drogas intituladas remodeladores de cromatina supostamente alteraram a organização da cromatina em células T infectadas dormentes de um modo que ativa a síntese proteica do HIV – tornando as células mais suscetíveis às drogas antivirais e às defesas imunológicas.

SARA CHEN E EDWARD BELL

Vpu (proteína viral U) As células infectadas com o HIV atam os vírus recém-produzidos à superfície, mas a proteína Vpu do HIV os libera. Um inibidor da Vpu impede que o vírus se espalhe para as outras células.

AULA ABERTA

Uma segunda frente de ataque para eliminar o HIV do organismo seria bloquear a replicação viral, fazendo com que o HIV desaparecesse não só do sangue, mas de todos os tecidos e de todos os tipos de células que o acolhem. As drogas atualmente em uso costumam interferir em uma das duas enzimas: a transcriptase reversa, que converte o material genético do vírus de RNA para DNA, para a inserção no genoma celular; ou a protease, que contribui para a maturação dos vírions. Depois de semanas do início de um tratamento, a quantidade do vírus no sangue do paciente cai a índices não detectáveis. A variação da queda é bastante consistente de paciente a paciente, o que leva os pesquisadores a crer que as terapias inibem totalmente a replicação viral. Pesquisas recentes mostram ainda que a administração de medicamentos associada ao raltegravir, uma nova droga cujo alvo é uma enzima viral não atingida por agentes anteriores (a enzima viral integrase, que une o DNA do HIV ao DNA da célula hospedeira), na verdade acelera a redução viral. Esse sucesso é um sinal de que as células infectadas podem ser atingidas mais depressa e com maior agressividade do que vem acontecendo. Se esse pressuposto estiver correto, a pesquisa sugere ainda que, ao intensificar o tratamento do HIV, será possível limitar o tamanho do depósito latente original, impedir que ele volte a se renovar e – espera-se – reduzir a replicação a um ponto que o sistema imunológico consiga de fato eliminar todos os depósitos que produzem vírus restantes, quando as células de memória infectadas forem eliminadas. Desde 2007 diversas novas drogas que interferem com as etapas não alvo na replicação do vírus estão em teste clínico. Além do inibidor da integrase, outra droga bloqueia a infecção interferindo na capacidade do vírus em atacar um receptor molecular chamado CCR5, que fica na superfície celular. As pesquisas sugerem ainda que certas proteínas celulares podem ser excelentes alvos terapêuticos. Embora o HIV induza algumas dessas proteínas a ajudar na sua replicação (o CCR5, por exemplo), sabe-se agora que outras proteínas celulares – ou restrições celulares, como são chamadas – atualmente antagonizam a replicação viral. Se for possível produzir medicamentos que complementem e potencializem os efeitos dos tratamentos existentes, poderemos, enfim, esgotar os depósitos latentes significativos e erradicar o vírus. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

TRANSCRIPTASE REVERSA O processo de transcrição consiste na formação de RNA a partir de DNA. Alguns vírus, como o HIV, conseguem realizar a transcrição reversa, ou seja, síntese de DNA a partir de RNA por intermédio da enzima transcriptase reversa. Por isso são denominados retrovírus.

CONCEITO

GENOMA Sequência de DNA completa do conjunto dos cromossomos de um organismo. Ou, no caso de alguns vírus, é toda a informação hereditária que está codificada em seu RNA.

PARA CONHECER MAIS Isolation of a human gene that inhibits HIV-1 infection and is suppressed by the viral vif protein. A. M. Sheehy et al, em Nature, vol. 418, págs. 646650, 8 de agosto de 2002. Antiretroviral therapy with the integrase inhibitor raltegravir alters decay kinetics of Hiv, signiﬁcantly reducing the second phase. J. M. Murray et al., em AIDS, vol. 21, no 17, págs 2315-2321, 12 de novembro de 2007. Tetherin inhibits retrovirus release and is antagonized by HIV-1 Vpu. S.J.D. Neil et al, em Nature, vol. 451, págs. 425-430, 24 de janeiro de 2008.

PARA O PROFESSOR ▼

• • • •

•

Vírus Sistema Imunitário Transcrição reversa Mutações gênicas

•

▼ Competências

trabalhadas segundo a Matriz de Referência do Enem •

•

Compreender interações entre organismos e ambiente, em particular aquelas relacionadas à saúde humana, relacionando conhecimentos científicos, aspectos culturais e características individuais. Apropriar-se de conhecimentos de Biologia para, em situaçõesproblema, interpretar, avaliar ou planejar interações científicotecnológicas.

52 40

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

•

Habilidades envolvidas Identificar padrões em processos vitais dos organismos, como manutenção do equilíbrio interno, defesa, relações com o ambiente e sexualidade, entre outros. Interpretar modelos e experimentos para explicar fenômenos ou processos biológicos em qualquer nível de organização dos sistemas biológicos. Avaliar propostas de alcance individual ou coletivo, identificando aquelas que visam à preservação e à implementação da saúde individual, coletiva ou do ambiente.

▼ Propostas

pedagógicas

ANTES DA LEITURA Pergunte aos alunos quais tipos de vírus conhecem e como se replicam em nosso organismo. Certifique-se de que saibam que os vírus não têm célula própria e usam as células dos organismos invadidos para se replicar. Em seguida, aborde o caso do HIV, identificando o conhecimento prévio que tenham sobre a enfermidade que pode provocar. Explique que o artigo apresenta os desafios do desenvolvimento de um tratamento que elimine o HIV do organismo infectado. Questione-os sobre a dificuldade em obter tal tratamento: qual seria a grande barreira para a produção de um antiviral que impeça a proliferação do vírus no organismo? Use esse levantamento para comparar com as informações adquiridas após leitura do artigo. AULA ABERTA

▼ Conteúdos

BIOLOGIA

Ciências da Natureza e suas tecnologias

DURANTE A LEITURA Monte com a turma um esquema da ação combinada dos diversos elementos do sistema imunitário conforme aparecem no texto. Solicite que analisem o infográfico “Abordagens promissoras de tratamento” e o relacionem com as informações do texto. APÓS A LEITURA Retome a questão sobre a dificuldade de desenvolvimento de um antiviral e certifique-se de que tenham compreendido que o maior empecilho é a falta de alvos, já que os vírus quase não carregam estruturas próprias, utilizando o arcabouço da célula invadida. Assim, é muito difícil atacar os vírus sem efeitos colaterais para as células da pessoa. A maioria das drogas desenvolvidas é, portanto, específica a ponto de ter pouco efeito no organismo, mas também a ponto de não atacar outros vírus. A especificidade é tanta que, com algumas mutações do vírus para que foram desenvolvidas, elas podem deixar de funcionar. Estimule os alunos a estabelecer a relação entre mutação do vírus e o uso do coquetel de drogas para combater o HIV. Verifique se percebem que o objetivo é diminuir as chances de selecionar linhagens mutantes às drogas da combinação. AULA ABERTA

▼

Atividades

Apresente uma lista dos principais antivirais utilizados e em desenvolvimento e um esquema do ciclo do HIV na célula infectada. Peça que associem os antivirais às etapas desse ciclo, identificando seu local de ação. Para isso, você pode utilizar como modelo as figuras 1 e 12 disponíveis em http://www. scielo.br/scielo.php?pid=S010040422003000300014&script=sci_arttext.

▼

Pesquisa

A história da descoberta da aids é cercada por disputas entre cientistas e altamente entremeada à descoberta da transcriptase reversa, também merecedora de um Prêmio Nobel. Encomende aos alunos uma pesquisa sobre esses estudos premiados e peça que identifiquem a complementaridade entre eles. Em 1970, David Baltimore e Howard Temin descobriram de forma independente a enzima transcriptase reversa, que permite que os retrovírus possam transcrever seu genoma feito de RNA em DNA e se incorporar no genoma das células hospedeiras. Essa descoberta foi tão importante que eles receberam o Prêmio Nobel de Medicina apenas cinco anos depois, em 1975. Já Luc Montagnier e Françoise Barré-Sinoussi compartilharam o Prêmio Nobel de Medicina ou Fisiologia em 2008. Em 1984, eles isolaram vírus obtidos em células de indivíduos com aids. O vírus foi identificado em células humanas cultivadas pelos cientistas, nas quais eles detectaram a atividade da enzima transcriptase reversa – que acusava a replicação de um retrovírus. A partir disso, discuta com os alunos como, graças a essas pesquisas e outras subsequentes, foi possível demonstrar que o HIV era o agente causador da aids, desenvolver testes de diagnóstico e produzir antivirais para combatê-lo, reforçando a ideia de construção coletiva do conhecimento científico. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

QUÍMICA

METANO, PLANTAS E MUDANÇAS CLIMÁTICAS

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

A descoberta surpreendente de que plantas vivas liberam metano não lança dúvida sobre a causa do aquecimento global. As atividades humanas – e não as plantas – são a origem do aumento desse e de outros gases de efeito estufa Por Frank Keppler e Thomas Röckmann

KENN BROWN

ue você faria se fosse cientista e descobrisse algo que contradiz os livros didáticos? Nós dois enfrentamos esse problema quando experimentos que conduzimos em 2005 demonstraram que plantas vivas produzem o gás de efeito estufa metano. A teoria então em vigor defendia que apenas micróbios que se desenvolvem sem oxigênio (bactérias anaeróbicas) são capazes de produzir esse gás. Mas nossos testes revelaram que também as plantas verdes liberam metano – e em quantidade razoável. A primeira coisa que fizemos foi procurar erros em nosso modelo experimental e qualquer situação concebível que pudesse ter interferido em nossas conclusões. Depois de nos certificarmos da validade de nossos resultados, porém, percebemos que havíamos encontrado algo muito especial e começamos a ponderar sobre as consequências de nossas descobertas e como apresentá-las a outros pesquisadores. Por mais difícil que tenha sido aceitar a ideia, tentar convencer a comunidade científica e o público era quase impossível – em boa parte porque tínhamos de explicar como uma fonte tão importante de metano pôde ser negligenciada durante décadas por tantos pesquisadores competentes que estudam o gás e tentam desvendar a questão das mudanças climáticas. A maioria das pessoas conhece o metano (em geral identificado pela fórmula química CH4) como gás natural. Encontrado em jazidas de petróleo e de carvão e em campos de gás natural, ele tornou-se uma fonte de energia importante, e é muito provável que continue a sê-lo, dadas as reservas limitadas de petróleo no planeta. Cerca de 600 milhões de toneladas métricas – de origem antropogênica (resultado de atividade humana) e natural – são liberadas na atmosfera todos os anos. Acreditava-se que a maior parte dessas emissões era proveniente da decomposição de material orgânico não fóssil como resultado da atividade de bactérias anaeróbicas. Terrenos alagadiços como pântanos, brejos e plantações de arroz são responsáveis pelo maior quinhão. Gado bovino, ovelhas e cupins também produzem metano como subproduto da digestão microbiana anaeróbica em seu intestino. Incêndios em florestas e savanas liberam metano, assim como a queima de combustíveis fósseis (ver ilustração na pág. 45). Com o passar dos anos, pesquisadores fizeram descobertas importantes sobre o ciclo global do metano, e o consenso de 2001 do Painel Intergovernamental sobre Mudança do Clima (IPCC, na sigla em inglês) era que as principais fontes provavelmente haviam sido identificadas (embora a proporção da contribuição de cada fonte ainda fosse incerta). Mesmo assim, algumas observações eram difíceis de explicar. Por exemplo, grandes flutuações de metano atmosférico durante as eras glaciais e os períodos mais quentes, que foram reconstituídas a partir de bolhas de ar de dentro de blocos de gelo, permaneciam um mistério. Nenhum cientista em 2001, porém, incluiria como causa as emissões de metano pelas plantas, pois ninguém suspeitava que

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

EFEITO ESTUFA Quando a radiação solar atinge a superfície terrestre, parte é absorvida e parte é refletida para o espaço, inclusive sob forma de radiação infravermelha, associada ao calor. Alguns gases, como dióxido de carbono, metano e ozônio, absorvem parte dessa radiação infravermelha refletida. Por causa disso, o calor fica retido na atmosfera, aumentando a temperatura do planeta. CONCEITO

METANO O metano (CH4) é o hidrocarboneto (composto que tem apenas carbono e hidrogênio em sua estrutura) mais simples. É um gás inodoro e incolor, também conhecido como biogás. Tem papel importante no efeito estufa. CONCEITO

DECOMPOSIÇÃO DE MATERIAL ORGÂNICO O carbono, presente em materiais orgânicos, fixado fotossinteticamente, é depois degradado pelos microrganismos e resulta em dois principais estados de oxidação: metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2).

HIPERLINK

AQUECIMENTO DA TERRA Isso é explicado pelo chamado Potencial de Aquecimento Global (GWP, na sigla em inglês). Trata-se de uma medida de como determinada quantidade de gás do efeito estufa contribui para o aquecimento global. O GWP é uma medida relativa que compara o gás em questão com a mesma quantidade de dióxido de carbono (cujo potencial é definido como 1).

HIPERLINK

CLOROMETANO É um gás clorado, típico CFC (clorofluorcarbono), que pela ação da radiação solar na estratosfera libera átomos de cloro, que por sua vez destroem o ozônio.

HIPERLINK

PECTINA As pectinas formam um grupo complexo de polissacarídeos estruturais encontrados na parede celular primária e nas camadas intercelulares de plantas terrestres. Estão associadas à celulose, hemicelulose e lignina e são mais abundantes em frutos e tecidos jovens.

a produção biológica desse gás tivesse outra origem além dos processos anaeróbicos microbianos. Saber quais são as fontes de metano e a quantidade que emitem é importante, uma vez que o metano é um gás de efeito estufa extremamente eficaz. Uma quantidade muito maior de dióxido de carbono é lançada na atmosfera todos os anos, mas 1 kg de metano aquece a terra 23 vezes mais que 1 kg de dióxido de carbono. Como consequência da ação humana, a concentração de metano na atmosfera quase triplicou nos últimos 150 anos. Essa concentração continuará a aumentar no século XXI? As emissões podem ser reduzidas? Os climatologistas precisam responder a essas perguntas e, para isso, é necessário saber qual a origem e o destino desse importante gás.

DESCOBERTAS SURPREENDENTES A ideia de investigar as plantas como fonte de emissão do metano surgiu de pesquisas com o clorometano, um gás clorado que destrói o ozônio. Acreditava-se que a origem principal dele eram os oceanos e as queimadas nas florestas. Alguns anos atrás, trabalhando no Departamento de Agricultura e Ciência dos Alimentos da Irlanda do Norte, descobrimos que plantas já de certa idade emitem a maior parte do clorometano encontrado na atmosfera. Já que o metano, como o clorometano, é liberado durante a queima de biomassa, passamos a suspeitar que plantas intactas também emitiam metano. Para satisfazer nossa curiosidade, reunimos 30 tipos diferentes de folhas de árvores e gramíneas de regiões tropicais e temperadas e as colocamos em pequenas câmaras com concentrações normais de oxigênio atmosférico. Para nossa surpresa, todos eles produziram metano. Em geral, 1 grama de material vegetal seco libera entre 0,2 e 3 nanogramas (1 bilionésimo de grama) de metano por hora. Essas quantidades relativamente pequenas eram difíceis de monitorar, mesmo com equipamento de ponta bastante sensível. A tarefa foi ainda mais desafiadora, pois tivemos de fazer a distinção entre o metano produzido pelos tecidos vegetais e os altos níveis dos valores de referência normalmente presentes no ambiente. Acreditamos que foi essa dificuldade que impediu os biólogos de observar esse fenômeno antes. O segredo de nossa descoberta reside em termos removido a interferência no valor de referência do metano natural limpando as câmaras com ar livre de metano antes do início de cada experiência. Fomos então capazes de medir o metano liberado pelo tecido da planta. 44

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Nossa curiosidade aumentou, e realizamos experiências parecidas com plantas vivas. Descobrimos que as taxas de produção de metano aumentavam de forma drástica, pulando de 10 para 100 vezes em relação às de folhas soltas (ver ilustração na pág.46). Com uma série de experiências, excluímos a hipótese de que bactérias que se desenvolvem em ambientes sem oxigênio tivessem produzido esse metano. Por fim, ficamos convencidos de que plantas vivas liberam metano em quantidades significativas. Não tínhamos como fornecer respostas imediatas sobre o mecanismo ddisso, embora suspeitássemos do envolvimento da pectina – substância encontrada nas paredes celulares das plantas. Decidimos que a resposta a essa pergunta teria de esperar pela realização de experiências posteriores, em andamento. Mas, devido ao papel do metano nas alterações climáticas, percebemos que era essencial começar a levar em consideração a quantidade de gás emitido na atmosfera por essa fonte recém-descoberta. Até que ponto as plantas estariam contribuindo para o total geral de metano no planeta? Logo ficou óbvio para nós que, embora uma única folha ou planta produzisse uma quantidade ínfima de metano, em conjunto elas podiam liberar rapidamente uma grande quantidade desse gás, pois uma parcela significativa do planeta é coberta por vegetação. Contudo, estávamos espantados com o número obtido por nossos cálculos: entre 60 milhões e 240 milhões de toneladas métricas de metano provinham das plantas todos os anos – isso representa de 10% a 40% da emissão global anual. A maior parte, cerca de dois terços, é oriunda dos trópicos cobertos por vegetação. Sabíamos, claro, que inferir estimativas globais de uma amostra limitada a números obtidos no laboratório era passível de erro. Ainda assim, o resultado final parecia muito alto – se aquilo era surpresa para nós, para muitos de nossos colegas cientistas seria uma verdadeira heresia. Felizmente para nós, logo tivemos ajuda de uma fonte inesperada. Um grupo de cientistas ambientais de Heidelberg, na Alemanha, observava a atmosfera da Terra a partir do espaço. Em 2005, os dados obtidos pelo satélite dos pesquisadores revelaram “nuvens” de metano sobre florestas tropicais (ver ilustração na pág. 47). Eles relataram que suas observações não podiam ser explicadas pela compreensão vigente da contabilidade global de metano. Entretanto, levando em conta nossas descobertas, o trabalho deles fazia sentido: a vegetação era a fonte das nuvens de metano. AULA ABERTA

A VERSÃO DOS LIVROS DIDÁTICOS

LAURIE GRACE E JANA BRENNING

Metano (partes por bilhão)

Nos últimos 150 anos, as emissões de metano na atmosfera Concentração de metano na atmosfera praticamente triplicaram (gráfico) , e hoje cerca de 600 milhões de toneladas métricas são liberadas no ar todos os anos. Esse aumento é 2.000 motivo de preocupação, pois o metano, como o dióxido de carbono, retém o calor na atmosfera da Terra e, portanto, contribui para o 1.500 aquecimento global. Até a publicação das recentes descobertas do trabalho dos autores 1.000 e colegas, a explicação tradicional era que todas as emissões naturais tinham como origem a atividade de bactérias que se desenvolvem em 500 ambientes úmidos e carentes de oxigênio. Meios desse tipo são 1000 1200 1400 1600 1800 2000 encontrados em pântanos e plantações de arroz, e ainda no sistema ano digestivo de cupins e ruminantes. Análises das fontes desse gás no ambiente (gráficos circulares) indicam que o aumento drástico nas concentrações de metano a partir Emissões de metano de meados do século XIX teve como Período pré-industrial: Hoje: origem a atividade industrial do 233 milhões de toneladas métricas por ano 600 milhões de toneladas métricas por ano homem (como o uso de combustíveis fósseis para obter energia) e o aumento da área cultivada com arroz Queima de biomassa Produção de Áreas alagadiças Ruminantes energia (20) e da pecuária (em razão do (168 milhões de (115) (110) toneladas crescimento populacional). O Aterros sanitários métricas) (40) Cupins trabalho dos autores não deixa (20) Tratamento de esgoto nenhuma dúvida sobre a causa do Terrenos (25) aumento das concentrações de alagadiços Oceano Queima de biomassa (40) (225) metano na atmosfera, mas (15) estimativas sobre as contribuições Cupins (20) Hidratos Oceano (15) relativas aos níveis de metano vindas (10) Hidratos (10) de fontes naturais terão de ser

Há pouco tempo, o trabalho de Paul J. Crutzen, vencedor do Prêmio Nobel em 1995, e de seus colegas veio reforçar nossa proposição. Depois de nossas descobertas serem publicadas, em janeiro de 2006, eles reanalisaram dados obtidos em 1988 a partir de amostras do ar da savana venezuelana e concluíram que de 30 milhões a 60 milhões de toneladas métricas de metano eram liberadas pela vegetação dessas regiões por ano. Crutzen afirmou: “Analisando os dados de 1988, poderíamos ter feito essa descoberta, mas, ao aceitar a teoria vigente de que o metano só poderia ser produzido em condições anaeróbicas, acabamos dormindo no ponto”. Apesar do reforço ao nosso trabalho, muitos cientistas permanecem céticos com relação às emissões de metano pelas plantas, em especial com a nossa estimativa sobre a quantidade de metano proveniente da vegetação. Vários colegas do meio científico estão, portanto, refazendo a contabilidade da vegetação como fonte de metano, usando métodos diferentes dos empregados por nós, mas adotando nossas taxas de emissão. E, é claro, esperamos anAULA ABERTA

siosamente por uma verificação independente de nossas descobertas laboratoriais.

PARA RESOLVER UM VELHO QUEBRA-CABEÇA Nossos achados explicariam uma tendência que intrigava os climatologistas: as flutuações nos níveis de metano em paralelo com as alterações na temperatura global. O gelo funciona como arquivo natural armazenando informações sobre a composição atmosférica e a variação climática que remetem a quase 1 milhão de anos atrás. Minúsculas bolhas de ar presas em seu interior revelam as concentrações relativas dos gases atmosféricos do passado (ver quadro na próxima pág.). Analisando o ar no interior do gelo, é possível perceber, por exemplo, que variações dos níveis de dióxido de carbono estão intimamente ligadas a mudanças na temperatura global. Durante as glaciações, a concentração de dióxido de carbono era baixa; durante os períodos quentes, ela aumentava. Em geral, as concentrações de metano seguem a mesma tendência do dióxido de carbono, mas a proporção não é clara. Tentou-se elaborar SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

OS AUTORES FRANK KEPPLER e THOMAS RÖCKMANN descobriram as emissões de metano pelas plantas quando trabalhavam juntos no Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg, na Alemanha. Keppler obteve seu Ph.D. em geoquímica ambiental na Universidade de Heidelberg em 2000. Recentemente, ele recebeu o prêmio Jovem Pesquisador Europeu (EURYI) para montar seu próprio grupo de pesquisa no Instituto Max Planck de Química de Mainz. Röckmann obteve seu Ph.D. na Universidade de Heidelberg. Em 2005, foi designado professor titular do Instituto de Pesquisa Atmosférica e Marinha de Utrecht, na Holanda.

A NOVA TEORIA nas temperaturas globais (gráficos). Os cientistas acompanharam essas alterações estudando o interior de blocos de gelo, nos quais bolhas de ar retidas preservam informações sobre a composição da atmosfera até cerca de 1 milhão de anos atrás; as concentrações de deutério no gelo fornecem informações sobre a temperatura. É bem provável que altas concentrações de dióxido de carbono e temperaturas crescentes levaram a um aumento considerável da vegetação, o que pode ter sido acompanhado por emissões de metano igualmente grandes. Temperatura Dióxido de carbono Metano (valores (partes por milhão) (partes por bilhão) relativos)

A equipe dos autores investigou os gases emitidos por detritos de plantas e plantas vivas. Para surpresa deles, os cientistas descobriram que tanto os restos de plantas quanto a vegetação em crescimento produzem metano. Essa fonte importante de emissão havia sido negligenciada até a equipe realizar experiências em câmaras nas quais o metano era eliminado do ar, o que permitiu aos pesquisadores medir as quantidades mínimas de gás que as plantas produziam. A nova teoria pode explicar as intrigantes flutuações nos níveis de metano que refletem alterações nos níveis de dióxido de carbono e

Padrões paralelos

1.600 1.200 800 400 350 300 200

A experiência dos autores detectou quantidades minúsculas de metano produzidas pela vegetação (na foto, o azevém).

Presente

650 mil anos atrás Tempo

Blocos de gelo (na extrema esquerda) contêm bolhas que revelam a composição atmosférica de tempos antigos. As bolhas de gás no micrógrafo para um corte fino (à esq.) têm cor escura e entre 1 e 3 milímetros de comprimento.

HIPERLINK

HIDRATOS DE METANO São substâncias sólidas, semelhantes ao gelo, compostas por água e gás natural (metano), que se formam em condições de alta pressão e baixa temperatura, como as encontradas nas regiões profundas do oceano. Calculase que mais de 50% de todo o carbono existente no planeta está no fundo do mar, sob a forma de hidratos de metano.

modelos de terrenos alagadiços (a única grande fonte natural de metano que se acreditava existir) para reconstruir as curiosas variações dos antigos níveis de metano. Mesmo assim, descobriu-se que era difícil reproduzir as diferenças registradas nos níveis atmosféricos de metano entre os períodos glaciais e interglaciais. Outra explicação sugerida envolve o gás em uma forma conhecida como hidratos de metano (ver “Flammable ice”, por Erwin Suess, Gerhard Bohrmann, Jens Greinert e Erwin Suess, em Scientific American, novembro de 1999). Essa substância se forma em condições de alta pressão como as encontradas no fundo do oceano. Uma quantidade desconhecida, mas possivelmente muito grande de metano está retida sob essa forma nos sedimentos do 46

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

oceano. A liberação súbita de grandes volumes de metano oriundos desses sedimentos na atmosfera foi sugerida como uma possível causa para os eventos de aquecimento global rápido ocorridos no passado distante do planeta. Ainda assim, resultados recentes de estudos com blocos de gelo polares demonstram que os hidratos de metano marinhos ficaram estáveis pelo menos ao longo dos últimos 40 mil anos, indicando que eles não estiveram envolvidos nos aumentos súbitos de metano atmosférico ocorridos durante o último ciclo glacial. Sabemos que a vegetação terrestre é muito sensível às mudanças ambientais e, assim, a quantidade total de vegetação no planeta varia à medida que o clima esfria e esquenta durante os ciclos glaciais. Levando em consideração nosAULA ABERTA

FRANK KEPPLER INSTITUTO MAX PLANCK DE ENERGIA NUCLEAR EM HEIDELBERG (FOTOGRAFIA DO LABORATÓRIO); ADAPTADO DE“TINY BUBBLES TELL ALL”, POR EDWARD J. BROOK, EM SCIENCE, VOL. 310; 25 DE NOVEMBRO DE 2005, USADO COM PERMISSÃO DA AAAS (GRÁFICOS); AFP/GETTY IMAGES (NÚCLEO DE GELO); W. BERNER UNIVERSIDADE DE BERNA (FOTOGRAFIA AO MICROSCÓPIO)

250

RETIRADO DE “SATELLITE CHARTOGRAPHY OF ATMOSPHERIC METHANE FROM SCIAMACHY ON BOARD ENVISAT: ANALYSIS OF THE YEARS 2003 AND 2004,” POR C. FRANKENBERG ET AL., EM JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 111; 2006

sas descobertas, tais variações deveriam ser encaradas com seriedade como possível causa do declínio nos níveis de metano durante os períodos glaciais e da elevação durante os interglaciais. No último pico glacial – cerca de 21 mil anos atrás – a floresta amazônica ocupava apenas metade da extensão atual, e a vegetação tropical pode ter liberado, portanto, muito menos metano. Desde essa época, a temperatura da superfície global e as concentrações de dióxido de carbono aumentaram, levando a um maior crescimento das plantas e, como poderíamos esperar, a uma emissão cada vez maior de metano pela vegetação. Condições climáticas parecidas podem ter ocorrido durante outros períodos, em especial nos eventos de extinção em massa, como nos limites entre o Permiano e o Triássico (há 250 milhões de anos) e entre o Triássico e o Jurássico (há 200 milhões de anos). Concentrações altas de dióxido de carbono na atmosfera e temperaturas crescentes teriam acarretado um aumento dramático na biomassa vegetal. Esses períodos de aquecimento global podem ter sido acompanhados por uma liberação maciça de metano pela vegetação e por mais aquecimento. Se a hipótese de que as emissões no passado foram até dez vezes maiores que as de hoje estiver correta, tais emissões, junto com as de gás dos pântanos e talvez do fundo do mar, poderiam ser encaradas como uma força propulsora nas alterações climáticas.

MÍDIA EQUIVOCADA Infelizmente, a extensa cobertura dos meios de comunicação pode levar a exageros e, no nosso caso, resultou em conclusões errôneas sobre os resultados. Em particular, muitas matérias afirmavam que as plantas podiam ser responsáveis pelo aquecimento global. Chegamos a ler na primeira página de um jornal de renome a seguinte manchete: “Aquecimento global – a culpa é das florestas”. Quando começamos a receber telefonemas de pessoas perguntando se deveriam cortar as árvores do jardim para combater o aquecimento global, percebemos que algo estava muito errado na comunicação com o público. Sentimos que era necessário distribuir outro comunicado à imprensa para esclarecer a confusão. Em nosso segundo press release, enfatizamos que, se nossa descoberta for verdadeira, as plantas têm lançado metano na atmosfera AULA ABERTA

1.640

1.670

1.700

1.730

1.760

1.790

1.820 Metano (partes por bilhão)

Imagens de satélite da atmosfera terrestre forneceram suporte para a polêmica descoberta dos autores. Em 2005, cientistas ambientais identificaram nuvens de metano sobre florestas tropicais. Embora o modelo padrão de produção de metano não consiga explicar essa observação, a descoberta dos autores fazia sentido em relação às curiosas nuvens: a vegetação verde abundante dos trópicos estava emitindo metano

há centenas de milhões de anos. Essas emissões contribuíram com o efeito estufa natural, sem o qual a vida como a conhecemos não seria possível. As plantas, no entanto, não são responsáveis pelo aumento dramático nas concentrações de metano desde o começo da industrialização. Esse surto foi provocado pela atividade do homem. Nossa descoberta também levou a uma intensa especulação de que as emissões de metano pelas plantas poderiam diminuir ou até sobrepujar o efeito do armazenamento de carbono de programas de reflorestamento. Mas nossos cálculos mostram que os benefícios climáticos resultantes de novas florestas para absorver dióxido de carbono superam de longe o impacto negativo relativamente pequeno de lançar mais metano na atmosfera (o que pode reduzir a absorção total de carbono pelas árvores em 4% no máximo). O potencial de redução do aquecimento global com a plantação de árvores é de fato muito positivo. No calor dos debates, as pessoas esquecem um fato crucial: as plantas são o pulmão verde de nosso planeta – elas fornecem o oxigênio que torna possível a vida como a conhecemos. Elas realizam também muitos outros serviços. Por exemplo, proporcionam um ambiente natural que promove a biodiversidade e controlam o ciclo tropical de água. O problema não são as plantas, mas sim a combustão em larga escala de combustível fóssil no mundo. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

PARA CONHECER MAIS The changing atmosphere. Thomas E. Graedel e Paul J. Crutzen, em Scientific American, vol. 261, no. 3, págs. 58-68, setembro de 1989. Climate change 2001: the scientific basis. Editado por J.T. Houghton,Y. Ding, D. J. Griggs, M. Noguer, P. J. van der Linden, X. Dal, K. Maskell e C.A. Johnson. Cambridge University Press, 2001. Disponível on-line no site www.lpcc.ch/ Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions. Frank Keppler, John T. G. Hamilton, Marc Bra e Thomas Röckmann, em Nature, vol. 439, págs. 187-191, 12 de janeiro de 2006. Methane finding baffles scientists. Quirin Schiermeler. Ibid., pág. 128.

PARA O PROFESSOR • • • • • •

• • • • •

•

Estrutura molecular Ligações Oxirredução Soluções Termoquímica Características, principais funções, estrutura e propriedade dos compostos orgânicos Fermentação Macromoléculas naturais Polímeros Relações da Química com as tecnologias, a sociedade e o meio ambiente Energias químicas no cotidiano

•

▼

▼ Competências e habilidades

trabalhadas segundo a Matriz de Referência do Enem •

•

Compreender as ciências naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e no desenvolvimento econômico e social da humanidade. Identificar a presença e aplicar as tecnologias associadas às ciências naturais em diferentes contextos. Associar intervenções que resultam em degradação ou conservação ambiental a processos produtivos e sociais e a instrumentos ou ações científico-tecnológicos. 48

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Compreender interações entre organismos e ambiente, em particular aquelas relacionadas à saúde humana, incluindo conhecimentos científicos, aspectos culturais e características individuais. Relacionar propriedades físicas, químicas ou biológicas de produtos, sistemas ou procedimentos tecnológicos às finalidades a que se destinam. Apropriar-se de conhecimentos da física, química e biologia para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas.

Contextualização

O tema principal do artigo é a divulgação e o esclarecimento do trabalho de pesquisa sobre a liberação de metano pelas plantas e o aquecimento global. O artigo relata a investigação e a descoberta de que as plantas verdes liberam metano para o meio ambiente, questionando a teoria até então em vigor de que apenas as bactérias anaeróbias são capazes de produzir esse gás. O texto enfatiza, no entanto, que as plantas não contribuem para o aumento recente nos níveis de metano nem para o aquecimento global. O conteúdo do artigo pode ser trabalhado de diversas maneiras, entre elas explorando-se o modismo nas questões ambientais na mídia, o risco de alarmismo, a vulgarização e a saturação junto à população. Tais questões prejudicam as ações AULA ABERTA

▼ Conteúdos

QUÍMICA Ciências da Natureza e suas tecnologias de efetivo impacto e eficácia e a verificação de que o conhecimento científico é importante para a compreensão dos processos que ocorrem a nossa volta, assim como para mudanças de postura das pessoas. Outro conteúdo citado no artigo, que também pode ser trabalhado, é o aquecimento global. A taxa de metano na atmosfera cresce 1% ao ano, sendo ainda pouco conhecidas as causas desse aumento. Algumas delas podem ser o crescimento dos rebanhos domésticos, a expansão de cultura de arroz e principalmente os vazamentos de gás natural ou aterros. A permanência do metano na atmosfera é pequena (menos de dez anos), pois é consumido na própria atmosfera e, em menor escala, no solo. O metano tem um potencial de aquecimento 20 vezes maior que o dióxido de carbono. Pode-se diminuir a liberação de metano na atmosfera mudando algumas posturas, como reciclar o lixo, pois o que não é reciclado acaba em um aterro, gerando metano. Também se podem desenvolver fontes de energia combustível não fóssil.

▼ Pesquisa Programa de Grande Escala da Biosfera-Atmosfera (LBA) na Amazônia. AULA ABERTA

▼ Atividades •

Efeito estufa

MATERIAL NECESSÁRIO • • • • • •

Duas garrafas PET incolores, vazias e limpas Um pouco de terra ligeiramente úmida Um pedaço de filme plástico Um elástico Dois termômetros iguais Fita adesiva

PROCEDIMENTO 1 - Com cuidado, corte as duas garrafas PET aproximadamente com 20 cm de altura. 2 - Ponha terra nos dois recipientes, em quantidades iguais, até aproximadamente 5 cm do fundo. 3 - Posicione os termômetros verticalmente na parede interna das garrafas com o bulbo a aproximadamente 2 cm da superfície da terra. Coloque-os com a escala virada para fora, de forma que a temperatura possa ser lida pelo lado de fora. 4 - Tampe uma das garrafas com o plástico, fixando-o com o elástico. 5 - Deixe sob o sol por aproximadamente 2 horas e observe o que ocorre nas paredes das garrafas. 6 - Observe a temperatura indicada pelos termômetros. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

MATEMÁTICA

CONJUNTOS, A NECESSIDADE DO

SUPÉRFLUO Parte significativa da matemática está sustentada pela noção de conjunto. Esse conceito centenário tem ampliado consideravelmente o campo de atividade dos matemáticos e encontrado aplicações na física, biologia e economia Por Adonai S. Sant’Anna conceito de conjunto tem sido estudado por alunos do ensino médio durante toda a sua formação. No entanto, parece que as pessoas raramente o compreendem de fato. Mesmo estudantes universitários da área de ciências exatas com frequência ficam perdidos no que se refere às propriedades de conjuntos, bem como à sua real utilidade. A despeito disso, estudos na matéria encontram fascinantes aplicações tanto na matemática quanto em outras áreas do conhecimento científico. Neste artigo procuramos discutir o papel dos conjuntos na matemática e em algumas de suas áreas de aplicação. Uma das características notáveis da abordagem conjuntista para a matemática é que ela acaba entulhando diversos sistemas formais com inúmeros conceitos supérfluos. Um exemplo é o conceito de espaço-tempo em teorias clássicas de campos, como a relatividade geral de Einstein. Do ponto de vista lógico-matemático, não é necessário mencionar explicitamente o espaço-tempo. Isso pode ser evitado ao se adotar o conceito de função como entidade matemática mais elementar, em detrimento dos conjuntos.

O 56

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

PAULO CESAR PEREIRA

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

QUE É UM CONJUNTO? Um conjunto é uma das ideias mais simples e primitivas da matemática. É uma coleção de zero ou mais objetos distintos que não estão associados, necessariamente, a um tipo de ordenação. CONCEITO

PARADOXO É uma situação contraditória, assim julgada segundo a análise lógica dos fatos. CONCEITO

AMORFO Sem forma.

Mas, afinal, que é um conjunto? A princípio, é uma coleção de objetos ou elementos, mas a rigor não existe um conceito preciso, amplamente aceito pelos matemáticos, para caracterizá-lo. Existem várias teorias de conjuntos na literatura especializada, e o estudo delas abre terreno para uma discussão sobre os fundamentos da matemática. Aquela que se aprende no ensino médio é fortemente inspirada na teoria intuitiva de conjuntos, concebida no final do século XIX pelo matemático alemão Georg Cantor. Suas idéias eram geniais, mas tinham problemas. Em decorrência de análises críticas promovidas por vários matemáticos, incluindo o próprio Cantor, surgiram alguns paradoxos pondo em xeque as idéias do matemático alemão. Como Cantor lidava com o conceito de infinito, isso o conduziu a certas inconsistências. Foi somente no início do século XX que esses problemas foram contornados com o surgimento das primeiras teorias formais de conjuntos, e a primeira delas foi a de Ernst

O TEOREMA DE TYCHONOV O TEOREMA DE Andrey Tychonov que levou seu nome estabelece que o produto arbitrário de espaços compactos também é compacto. O resultado é bastante técnico, mas tem um significado intuitivamente surpreendente. Espaços compactos são espaços topológicos (conjuntos dentro dos quais faz sentido falar sobre vizinhanças de pontos) comumente associados a espaços limitados. O produto arbitrário entre espaços topológicos, em certo sentido, gera espaços “mais amplos” do que aqueles correspondentes aos fatores do produto. Por exemplo, se a e b são espaços topológicos, o produto entre eles é um espaço c que, de certo modo, é mais amplo do que a ou b. Como o teorema de Tychonov permite produtos arbitrários, isso inclui a possibilidade de fazer o produto entre infinitos espaços topológicos. É como se disséssemos que ampliar espaços limitados (via produto entre espaços topológicos) sempre resultará em espaços limitados. O interessante é que o axioma da escolha e o teorema de Tychonov são equivalentes. Do ponto de vista lógico, um implica o outro, e vice-versa.

DOIS PONTOS em um espaço tridimensional, com suas respectivas vizinhanças (áreas ovais). Vizinhança é um conceito topológico

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Friedrich Ferdinand Zermelo. Suas ideias foram desenvolvidas por outros matemáticos, e hoje a mais popular teoria formal é a de ZermeloFraenkel (ZF), que ainda admite inúmeras variações. Sempre é possível acrescentar ou modificar axiomas de ZF de modo a obter versões diferentes para a noção de conjunto. Essas versões diferentes podem ser úteis em variados contextos. No estudo de topologia geral, por exemplo, o clássico teorema de Tychonov só pode ser demonstrado em ZF se acrescentarmos um axioma conhecido como axioma da escolha (ver quadro ao lado). Essa nova teoria de conjuntos (ZF mais o axioma da escolha) é conhecida como ZFC, sendo a letra C referente à palavra choice , que, em inglês, significa escolha. Mas aquilo que todas as teorias de conjuntos, formais ou intuitivas, têm em comum é a noção de que um conjunto é uma coleção de objetos quaisquer. Esses objetos podem ser construtos matemáticos como números e mesmo conjuntos, ou objetos reais como tijolos e pessoas, entre outras possibilidades. No entanto, conjuntos em si não são objetos reais visíveis e palpáveis. Conjuntos não têm, por exemplo, forma. O conjunto de leitores deste artigo é bem definido, independentemente do local onde se encontrem agora ou de onde estavam no ano passado. O conjunto será sempre o mesmo porque é amorfo. Os elementos de um conjunto podem ter forma, como é o caso dos leitores do artigo. Mas o conjunto em si é um conceito abstrato, sem forma (ver quadro na pág. à dir.). Apesar de todas as teorias de conjuntos de alguma forma resgatarem a noção intuitiva e abstrata de coleção, nem todas concordam entre si sobre as propriedades que tais coleções devem satisfazer. Há teorias que permitem cadeias infinitas de pertinência, ou seja, algo como um conjunto x que pertence a um conjunto y, que, por sua vez, pertence ao conjunto x, e assim por diante. Mas há as teorias que não permitem tais encadeamentos. Há teorias nas quais o número de subconjuntos de um dado conjunto x sempre excede o número de elementos de x. E há teorias nas quais isso AULA ABERTA

não acontece. Há também teorias em que não faz sentido falar na noção de igualdade, contrariando pressupostos básicos da teoria intuitiva de conjuntos e de teorias formais como ZF e ZFC. Enfim, há uma vasta gama de concepções para a noção de conjunto. Isso só vem confirmar a qualidade de visionário de Cantor, quando afirmou que “a essência da matemática reside em sua liberdade”. POR TRÁS DA DEFINIÇÃO Então é impossível definir conjunto? Depende da teoria. Em ZF o conceito de conjunto é não definível. Mas existem teorias nas quais se define precisamente o que é um conjunto. Em ZF, conjuntos são termos a partir dos quais é

possível definir a noção de função. Na teoria de conjuntos de John von Neumann, publicada em 1923, acontece o contrário: funções são termos a partir dos quais se define a noção de conjunto. As ideias originais de Von Neumann sofreram muitas modificações ao longo dos anos, e hoje priorizar a noção de função em relação à de conjunto é pouco usual (ver quadro na pág. 54). No entanto, a princípio, há vantagens em tal tipo de abordagem. Em sua dissertação de mestrado de 1997, Analice Gebauer Volkov, então na Universidade de São Paulo (USP), menciona algumas: “A noção intuitiva de função pode ser formalizada, em teoria dos conjuntos, como uma tripla ordenada f = (a,b,r), onde r

ESFERA SEM FORMA QUANDO UM PROFESSOR descreve uma esfera em um sistema de três eixos ortogonais xyz, tal esfera é matematicamente descrita como um conjunto de pontos do R3 (conjunto de todas as possíveis coordenadas em um espaço tridimensional) que estão equidistantes de um dado ponto do mesmo espaço R3 (figura abaixo). Ou seja, uma esfera em tal sistema, por ser um conjunto, não tem forma. É um erro achar que a esfera, como usualmente descrita em geometria analítica, é “redonda”. Esferas de metal como a que aparece na gravura Sphere, de M. C. Escher (à dir.), são aproximadamente redondas. Mas esferas no R3 são amorfas. Uma pedra, citando um último exemplo, não é um conjunto de átomos. O conjunto de átomos que compõem a pedra existe somente no abstrato âmbito matemático. Pedras são visualizáveis e palpáveis. Conjuntos não são. O estranho é que o matemático pode perfeitamente usar a equação de uma esfera no R3 para modelar uma bola de metal. Na prática, a noção amorfa de conjunto frequentemente é usada para descrever o mundo de formas no qual vivemos. Essa relação entre construtos matemáticos e o mundo real é um assunto altamente não trivial.

z PAULO CESAR PEREIRA

REPRESENTAÇÃO de esfera em gráfico tridimensional

COLEÇÃO PARTICULAR

SPHERE, de M. C. Escher AULA ABERTA

SCIE SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

UMA TRIPLA ORDENADA Outras áreas também utilizam a ideia de conjunto em suas definições, como exemplo, a teoria dos campos conceituais, de Gérard Vergnaud, que emprega três conjuntos como elementos de um conjunto maior.

DOMÍNIO DA FUNÇÃO

EM 1923 JOHN VON NEUMANN criou uma teoria axiomática na qual conjuntos são definíveis a partir de funções, ao contrário do que acontece em ZF e teorias intuitivas comuns, nas quais funções se definem a partir de conjuntos. Na visão de Von Neumann, um conjunto não passa de uma função-característica. O problema da teoria de Von Neumann é que ela é muito complicada. Houve desenvolvimentos posteriores das ideias dele, as quais incluíam uma distinção entre classes e conjuntos. Esses desenvolvimentos culminaram em uma teoria hoje conhecida como NBG (Von Neumann-BernaysGödel), na qual a distinção entre classes e conjuntos se manteve, mas a ideia de priorizar funções sobre conjuntos acabou sendo abandonada. Talvez uma revisão das ideias de Von Neumann permitisse uma formulação mais enxuta de teorias matemáticas, com menos conceitos e menos axiomas. JOHN VON NEUMANN (1903-1957) revolucionou a teoria dos conjuntos

HIPERLINK

PARES ORDENADOS Na definição anterior, de produto cartesiano, vimos a representação de um par ordenado. O nome sugere: par lembra dois, ordenado lembra ordem. Assim, a ordem importa: (2,3) é diferente de (3,2), eles representam diferentes pontos no plano cartesiano. HIPERLINK

TRANSFORMAÇÕES As transformações no plano mais conhecidas são a rotação, a reflexão e a translação. Na rotação o objeto sofre um giro a partir de um ponto que pode estar no objeto ou fora dele; na reflexão o objeto é refletido por um eixo e na translação o objeto é transladado em uma direção qualquer.

(um subconjunto do produto cartesiano entre a e b) é uma relação de a em b (o gráfico de f), tal que para todo x pertencente a a existe um e apenas um y pertencente a b tal que (x,y) pertence a r”. O conceito de tripla ordenada (a,b,r) mencionado por Volkov é simplesmente um conjunto com três elementos, no qual a ordem deles é relevante. Já pares ordenados são conjuntos igualmente ordenados, mas que contam com apenas dois elementos. O objetivo do matemático tradicional é diferenciar claramente domínio a, contradomínio b e “regra” r na tripla ordenada que define a função. A regra r, como mencionado acima, é um subconjunto do produto cartesiano entre a e b. Esse produto cartesiano é o conjunto de todos os possíveis pares ordenados (x,y), em que x é um elemento de a e y é um elemento de b. Volkov prossegue em sua análise crítica: “Nessa definição, função é um conjunto, um objeto fixo, estático. Isso não reflete o caráter ‘operacional’, de ‘transição’ que faz parte do seu conceito intuitivo. Expressões como ‘aplicar uma função a um argumento’ ou ‘uma função agindo em um domínio’ transmitem a ideia de 54

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

ação, movimento, o que é evidenciado pelo uso do símbolo de seta. É similar à ideia transmitida ao se falar em uma força física agindo sobre um objeto. Em matemática aplicada, força pode ser descrita como um campo de vetores da variedade que modela o espaço-tempo, ou seja, é um certo operador (função) cujo domínio é um determinado espaço de funções. Além disso, em geometria, transformações (rotações, reflexões, dilatações etc.) são, também, certas funções que sugerem algo como ‘movimento’. O caráter dinâmico que temos frisado aqui é parte essencial da palavra função como usada em matemática. A definição conjuntista de função como conjunto de pares ordenados não tem em si esse caráter. Ela é um ‘modelo conjuntista’ da ideia de função, que captura alguns de seus aspectos, mas não o seu completo significado intuitivo”. É possível privilegiar a noção de função como algo de caráter mais dinâmico e menos estático em uma abordagem matemática via teorias de categorias (ver quadro na pág. 57, no alto), objeto de estudos de Volkov. Mas a teoria de conjuntos de Von Neumann e algumas de suas variantes também oferecem essa possibilidade. ALÉM DO INFINITO Para que servem as teorias de conjuntos? Elas têm estimulado discussões tanto no escopo da matemática quanto em ciências puras e AULA ABERTA

OS PAIS DA TEORIA de categorias, Saunders MacLane (19092005), na foto maior, e Samuel Eilenberg (1913-1998)

engenharias, ao lidar com objetos reais como prédios ou circuitos eletrônicos, fazem uso do cálculo diferencial e integral e da álgebra linear, que se concentram fortemente no estudo de funções reais e complexas. Estas nada mais são do que conjuntos.

O AUTOR

DEBATE ATUAL Qual o futuro das teorias de conjuntos? Essa é uma questão difícil de responder. A matemática, como qualquer atividade intelectual, tem uma dinâmica difícil de antecipar. Recentemente, Thomas Forster, da Universidade de Cambridge, publicou no prestigiado Journal of Symbolic Logic uma variante de ZF em que foi acrescentado um axioma segundo o qual todo conjunto tem o mesmo “tamanho” de um conjunto bem fundado (aqueles que não permitem cadeias intermináveis de pertinência). Isso significa que variantes de ZF ainda são consideradas um assunto “quente”. Victor Maslov, da Universidade Estatal de

Adonai S. Sant’Anna é chefe do Departamento de Matemática da Universidade Federal do Paraná. Doutor em filosofia pela Universidade de São Paulo, foi bolsista de pós-doutorado na Universidade Stanford e pesquisador visitante na Universidade da Carolina do Sul, ambas nos Estados Unidos. Autor de dezenas de artigos em revistas especializadas, tem sido constante colaborador da SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL. Sant’Anna lançou em 2007 O que é um conjunto. Será o terceiro volume da série Lógica Matemática, da Editora Manole, que já publicou O que é um axioma (2003) e O que é uma definição (2005).

UNIVERSIDADE DE CHICAGO; UNIVERSIDADE COLUMBIA (DETALHE)

aplicadas e até mesmo na filosofia. Um dos primeiros impactos que a noção de conjunto causou foi o fato de que Cantor forneceu as primeiras ideias para uma caracterização precisa para a noção de “quantias infinitas”. Hoje, aprende-se nas escolas que existem conjuntos infinitos como o dos números naturais. Mas, quando Cantor lançou suas ideias, essa concepção encontrou forte resistência de alguns matemáticos. A idéia de que algo poderia ser infinitamente grande já não era exclusividade de filósofos e teólogos. Os matemáticos ampliaram o domínio de seus estudos para novos mundos, chegando a admitir a existência de diferentes tipos de infinitos, alguns maiores do que outros (ver quadro na pág. 57). Novas matemáticas surgiram, e com elas apareceram as aplicações. Em teorias clássicas de campos, na física teórica, o espaço-tempo é tratado como uma variedade tetradimensional que satisfaz certas condições. Essa concepção é simplesmente um conjunto munido de uma estrutura muito específica. Os próprios campos, bem como seus eventuais potenciais e correntes associadas, são funções que, por sua vez, são casos particulares de conjuntos, pelo menos do ponto de vista das teorias usuais. Quase todas as modelagens matemáticas comuns de fenômenos físicos, químicos, biológicos e econômicos são fundamentalmente descritas no escopo de alguma teoria de conjuntos. Mesmo áreas tecnológicas como as

A PERSPECTIVA DAS CATEGORIAS AS TEORIAS DE CATEGORIAS nasceram em 1945 com trabalhos de Samuel Eilenberg e Saunders MacLane sobre axiomatização das teorias de homologia e cohomologia. O tratamento categorial de algum ramo da matemática fornece um método de abordagem diferente do conjuntista. Enquanto a matemática conjuntista se preocupa com conjuntos munidos de certas estruturas internas, as teorias de categorias se ocupam das relações existentes entre tais objetos. As ideias de fundamentar as teorias de categorias na noção de conjunto ou de fundamentar conjuntos via categorias têm sido amplamente discutidas desde então.

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Moscou, está mais interessado em aplicações. Ele introduziu o conceito de densidade em conjuntos finitos e demonstrou um teorema geral para permitir uma abordagem conjuntista que refina as distribuições de Gibbs e de Bose-Einstein, ferramentas úteis em estudos estatísticos em física. Seu trabalho se aplica também a teorias econômicas, como as elaboradas por Vilfredo Pareto, que

ESTATÍSTICAS QUÂNTICAS UM EXEMPLO IMPORTANTE de aplicação de teoria dos conjuntos é no mundo microscópico das partículas elementares de matéria e campo, no qual usualmente se considera que tais partículas são não rotuláveis (ver “Uns mais iguais do que os outros”, por Adonai S. Sant’Anna, SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL, fevereiro de 2005). Isso significa que um gás de fótons tem um comportamento estatístico diferente de um gás clássico, como uma porção de moléculas de um gás ideal, por exemplo. Dois fótons só podem ser distribuídos de três maneiras entre dois estados, conforme a figura abaixo (como os fótons são não rotuláveis, eles são representados por “bolinhas” sem nome): DISTRIBUIÇÃO QUÂNTICA DE BOSE-EINSTEIN ESTADO A

ESTADO B

Ou seja, podemos ter duas partículas no estado A, duas no estado B ou uma em cada estado. Em qualquer situação o número total de partículas é sempre o mesmo. No caso da distribuição quântica de Fermi-Dirac, duas partículas não podem ocupar o mesmo estado ao mesmo tempo. Por isso, duas partículas que satisfazem esse tipo de distribuição só podem ser distribuídas de uma única maneira entre dois estados, conforme a figura abaixo: DISTRIBUIÇÃO QUÂNTICA DE FERMI-DIRAC ESTADO A

ESTADO B

Já duas partículas de um gás clássico podem ser distribuídas de quatro maneiras distintas entre dois estados, pois as partículas podem ser distinguidas por rótulos “1” e “2” em nosso exemplo: DISTRIBUIÇÃO CLÁSSICA DE MAXWELL-BOLTZMANN ESTADO A

ESTADO B

Ou seja, podemos ter ambas as partículas no estado A, ambas no estado B, ou uma em cada estado. Como as partículas são distinguíveis por seus rótulos, podemos ter a partícula 1 no estado A ou a 2 no mesmo estado. Novamente o número total de partículas se conserva.

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

estudou no século XIX a distribuição de riquezas entre indivíduos de uma sociedade. Além disso, o teorema de Maslov permite uma dedução da lei de Zipf-Mandelbrot, aplicada em áreas diversas como mercado de ações e linguística. Há também discussões pouco ortodoxas sobre conjuntos, como o estudo das chamadas teorias de quase-conjuntos, originalmente concebidas pelo lógico brasileiro Décio Krause. Cantor dizia que os elementos de um dado conjunto devem ser objetos distintos. No entanto, nas teorias de quase conjuntos essa condição é derrogada, pois elas lidam com objetos sobre os quais não faz sentido afirmar se são distintos entre si ou não. Krause, Volkov e eu elaboramos uma aplicação das teorias de quase conjuntos na dedução das distribuições quânticas de Bose-Einstein e de Fermi-Dirac (ver quadro na próxima pág.). Em 2000, a União Matemática Internacional publicou o livro Mathematics: frontiers and perspectives, no qual 31 matemáticos de renome discutem as tendências da disciplina no século XXI. Um dos autores, David Mumford, da Universidade Brown, chama a atenção para o fato de que variáveis aleatórias são definidas em termos de medidas, as quais são conceituadas a partir de números reais, que, por sua vez, são fundamentados nas teorias de conjuntos. Para ele, as variáveis aleatórias deveriam servir de fundamentação tanto da lógica quanto da própria teoria de conjuntos. Isso possibilitaria uma formulação mais transparente daquilo que Mumford chama de ponto de vista estocástico. Ele (e muitos outros) percebe um papel de alta relevância da estatística na matemática e na física. Tanto os estudos de fundamentos quanto as aplicações têm sido exaustivos, e muitos resultados criativos têm surgido na literatura especializada. Os exemplos citados de pesquisas concluídas e em desenvolvimento fazem parte de uma minúscula fração de tudo o que tem sido feito. PALCO DA MATEMÁTICA Precisamos de conjuntos? Eu e o lógico Newton da Costa, do Instituto de Estudos Avançados da USP, publicamos recenteAULA ABERTA

mente artigos nos quais mostramos que em formulações axiomáticas usuais de teorias físicas bem conhecidas o espaço-tempo é um conceito supérfluo e, por isso, dispensável do elenco de conceitos primitivos. Isso vale para a relatividade geral de Einstein, para o eletromagnetismo de Maxwell, o elétron de Dirac e a mecânica hamiltoniana. Também se aplica às chamadas teorias de gauge. Além disso, o tempo é igualmente dispensável de certas formulações bastante naturais para a mecânica newtoniana de partículas e a termodinâmica. Os conceitos verdadeiramente indispensáveis em tais teorias são os de força, campo, potencial, corrente e todos aqueles normalmente descritos como funções, cujos domínios estão diretamente associados ao espaço-tempo. O meio no qual os eventos físicos ocorrem e usualmente serve de domínio para tais funções pode ser definido como espaço-tempo a partir das próprias funções, sem risco de qualquer circularidade. Ou seja, o aspecto dinâmico de funções que descrevem forças e campos, por exemplo, em certo sentido é mais relevante do que o caráter estático do meio no qual os eventos físicos ocorrem. Na matemática pura algo semelhante acontece. É perfeitamente possível descrever, por exemplo, um espaço vetorial sem jamais mencionar o conjunto de vetores, limitandose apenas às operações e relações entre eles. Pode-se falar também em topologia, sem men-

cionar os chamados espaços topológicos. Para o matemático profissional, basta saber que os domínios das funções já estão embutidos nas próprias funções. Em outras palavras, é como se sugeríssemos que as funções podem sobreviver por si mesmas, sem a necessidade de reduzi-las a seus componentes, entre os quais estão os domínios delas. Isso gera problemas. Afinal, o matemático precisa da noção de conjunto para formular o que é uma função e, em particular, seu domínio conjuntista (um dos ingredientes usuais de funções), para depois chegar à conclusão de que o domínio não precisa ser explicitamente mencionado em sua teoria. Existiria uma maneira mais simples, mais econômica, de fazer matemática, na qual a noção de conjunto não sirva como uma espécie de agente intermediário no desenvolvimento de teorias matemáticas ou físicas? Afinal, a prática tem mostrado que tanto na matemática quanto na física o que de fato interessa em inúmeras situações é o conceito de função. Conjuntos têm servido como palco para a atuação de funções. Uma analogia artística pode residir no filme Dogville, de Lars von Trier, no qual o palco da história tem papel explicitamente secundário. O que interessa são as relações dinâmicas entre os personagens. Talvez arte e ciência caminhem juntas como reflexos sociais de nossa maneira de ver e pensar sobre o mundo em que vivemos.

PARA CONHECER MAIS O que é uma deﬁnição. Adonai S. Sant’Anna. Manole, 2005. Introdução aos fundamentos axiomáticos da ciência. Décio Krause. EPU, 2002. Teoria dos conjuntos, intuitiva e axiomática. Augusto J. F. de Oliveira. Escolar, 1982. The mathematical role of time and spacetime in classical Physics. Newton C. A. da Costa e Adonai S. Sant’Anna, em Foundations of Physics Letters, vol. 14, págs. 553-563, 2001. Um bom site sobre conjuntos é http://plato.stanford.edu/ entries/set-theory

PAULO CESAR PEREIRA

O TAMANHO DO INFINITO O CONJUNTO DOS NÚMEROS naturais N = {0,1,2,3,4,5...} tem infinitos elementos. O conjunto dos números naturais pares P = {0,2,4,6,8,10,...} também tem infinitos elementos. No entanto, estes dois infinitos são de “mesmo tamanho”, pois é possível estabelecer uma correspondência um-a-um entre respectivos elementos de cada conjunto. Com efeito, basta associar cada número natural n ao seu dobro 2n. Em compensação, o conjunto R dos números reais (os quais podem ser associados a medidas de comprimentos de segmentos de uma reta) tem um “tamanho” maior do que N ou P. Isso porque qualquer tentativa de estabelecer uma relação um-a-um de N com R seria fracassada. Sempre sobrariam números reais que não estão em correspondência com qualquer elemento de N. Essa é uma maneira de dizer que a quantia infinita de elementos de R é maior do que a quantia infinita de elementos de N. A rigor, existem infinitos tipos de infinitos.

AULA ABERTA

5 ...

10 ...

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

... 57

PARA O PROFESSOR ▼ Conteúdos Conjuntos

▼ Competências e habilidades

trabalhadas segundo a Matriz de Referência do Enem •

•

Construir significados para os números naturais, inteiros, racionais e reais. Reconhecer, no contexto social, diferentes significados e representações dos números e operações – naturais, inteiros, racionais ou reais. Resolver situação, problema envolvendo conhecimentos numéricos. Avaliar a razoabilidade de um resultado numérico na construção de argumentos sobre afirmações quantitativas.

ANTES DA LEITURA Levante os conhecimentos que os alunos têm sobre o assunto. Questioneos, por exemplo, sobre: 1 - que conjuntos numéricos conhecem 2 - que definição dão a conjunto 3 - se identificam alguma aplicação de conjuntos na própria matemática ou no cotidiano 4 - se conhecem algum matemático que fez grandes descobertas relacionadas a conjuntos Oriente-os sobre o gênero e suas marcas e sobre a finalidade da leitura. Explore o contexto da produção: a qualidade da revista (o portador do texto), a data em que o texto da revista foi produzido, quem são os autores, para quem o texto foi produzido e com que finalidade. Durante a leitura (levantar e checar hipóteses; parar para os questionamentos que serão feitos e para as orientações de texto) Depois da leitura (checar hipóteses, explicar, resumir, emitir juízo de valor etc.) DURANTE A LEITURA Oriente os alunos para levantar e checar hipóteses sobre o texto; para fazer antecipações e inferências, para anotar dúvidas, conclusões e descobertas importantes, por exemplo. É importante fazer a leitura por etapas, pois o texto traz muitas

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

•

PROPOSTAS PEDAGÓGICAS

MATEMÁTICA

Ciências da Natureza e suas tecnologias

informações que provavelmente serão desconhecidas pelos alunos. DEPOIS DA LEITURA Verifique com os alunos as hipóteses que eles levantaram e se estavam corretas, as antecipações e inferências que fizeram, as dúvidas, as descobertas etc. Sugira que façam um resumo do texto e deem opiniões.

▼ Atividades 1. Um paradoxo muito interessante na matemática é o de Aquiles e a tartaruga. Nele Aquiles aposta uma corrida com uma tartaruga. Como ele é um bom sujeito, dá à tartaruga uma vantagem de 100 metros. É dada a partida. Para Aquiles cobrir os 100 metros que o separam da tartaruga, precisa antes cobrir metade da distância que falta. Contudo, quando ele atinge os 50 metros, a tartaruga, que devagar chega lá, já andou um pouquinho. Agora, para alcançá-la, Aquiles precisa cobrir a distância remanescente de 50 metros e mais esse pouquinho. De novo, para fazer isso, ele precisa chegar à metade da distância, ou seja, 25 metros e metade do pouquinho que a tartaruga andou. Contudo, quando Aquiles chega lá, a tartaruga já andou mais um pouquinho, e assim sucessivamente. Dessa forma Aquiles conclui que nunca alcançará a tartaruga. Explique o paradoxo anterior. Dê sua opinião sobre ele, se realmente Aquiles não alcançará a AULA ABERTA

tartaruga. Na matemática, o paradoxo de Aquiles e a tartaruga revelou-se uma simples antinomia, resolvida pela introdução do conceito de infinitesimais, e é possível concluir que Aquiles ultrapassará, sim, a tartaruga. Como se explica isso? 2. Um silogismo é um argumento com duas proposições iniciais (chamadas premissas) e uma conclusão (também chamada de terceira preposição, obtida a partir das 2 primeiras). Um silogismo pode ser um argumento bem construído (válido) ou um sofisma (argumento que não é válido). Veja um exemplo de silogismo não válido: Tudo o que é verde tem clorofila. Meu carro é verde. Ele tem clorofila. a) Explique o silogismo anterior. b) Analise o silogismo seguinte, classificando-o em argumento válido ou sofisma: Alguns índios são carecas. Alguns brasileiros são carecas. Alguns índios são brasileiros. Obs.: Você pode facilitar a análise dos silogismos utilizando ideias de conjuntos (mais precisamente os diagramas de Euler-Van). Assim, para o primeiro silogismo teríamos: 3. Utilizando as ideias e propriedades de conjunto (relações de contém, está contido, intersecção, reunião etc.), resolva o problema seguinte: De todos os alunos de uma escola, 100 gostam de física, 150 gostam de matemática, 20 gostam de física e matemática e 110 não gostam nem de física nem de matemática. Quantos alunos há na escola? SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

PRIVACIDADE FUTURO

e a Internet Quântica Graças a algumas das mais estranhas leis da física, será possível um dia pesquisar e surfar na rede sem que ninguém colete nossos dados Por Seth Lloyd

HIPERLINK

difícil ter privacidade hoje em dia, particularmente na internet, pois cada vez que alguém faz uma pesquisa no Google seus interesses ficam gravados para a posteridade – ou, pelo menos, para os publicitários. As empresas de busca da internet afirmam proteger a privacidade de seus clientes criptografando informações pessoais com números em vez de nomes para que seus usuários permaneçam anônimos. O problema é que o anonimato nem sempre é efetivo.A usuária da AOL no 4417749 descobriu isso da maneira mais dura em 2006, quando a empresa decidiu publicar on-line uma lista de 20 milhões de buscas na rede, inclusive as dela e de outros 657 mil usuários. Repórteres conseguiram rastrear a viúva de 62 anos de Lilburn, no estado da Geórgia, ao analisar o conteúdo de suas buscas. Por sorte, Thelma Arnold estava relativamente à vontade para revelar sua identidade e interesses íntimos. Quantos de nós fariam o mesmo? As leis da física, no entanto, poderiam nos salvar. A comunicação através de “canais quânticos” especiais já permite aos bancos e outras instituições enviar dados com criptografia praticamente inviolável. Assim, já existe a tecnologia para proteger nossas

FÍSICA QUÂNTICA

Área da física que se propõe descrever a Natureza para escalas do diâmetro atômico (10-10m). O princípio básico é a dualidade onda-partícula, que determina que as partículas atômicas podem se comportar tanto como corpos materiais, quanto como ondas. HIPERLINK

CANAIS QUÂNTICOS Garantem segurança a informações transmitidas pela internet. O emissor envia uma série de fótons com diferentes polarizações, que serão medidos pelo receptor de modo a formar uma chave secreta – que pode ser alterada a cada envio de mensagem.

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

buscas contra intrusos que eventualmente interceptem as informações. Mas no futuro uma nova versão “quântica” da internet poderá garantir que qualquer um faça pesquisas e receba respostas com a certeza de que ninguém – nem mesmo o Google – saberá quais consultas você fez. Além do mais, as mesmas tecnologias que garantirão a privacidade de busca permitiriam tornar confidenciais todas as atividades realizadas on-line. É claro que os motores de busca armazenam e analisam os dados dos usuários para que possam exibir anúncios dirigidos. É assim que as empresas do ramo cobrem seus custos e obtêm lucro. Se decidirem manter em segredo os dados dos usuários, precisarão de um novo modelo de negócio. E os usuários podem ter de decidir se estão dispostos a pagar pelas pesquisas ou se as fariam de graça, mas liberando suas informações e interesses. PERGUNTAS QUÂNTICAS A capacidade de a física quântica oferecer total privacidade surge de um fato simples: os sistemas no universo quântico (que incluem desde partículas elementares até moléculas) podem existir em estados múltiplos. Em qualquer instante, um átomo pode estar AULA ABERTA

MICROZOA GETTY IMAGES; SCIENTIFIC AMERICAN (IMAGEM NO COMPUTADOR)

em vários lugares diferentes; uma partícula de luz, ou fóton, pode ser polarizada vertical e horizontalmente ao mesmo tempo; o momento magnético de um elétron pode apontar para cima e para baixo, e assim por diante. Como consequência, enquanto os bits de dados clássicos (em oposição aos quânticos) registram ou o valor 0 ou 1, bits quânticos talvez registrem 0 e 1 ao mesmo tempo. Além disso, quando um bit quântico apresenta simultaneamente os valores 0 e 1, não há como fazer uma cópia exata desse bit, e qualquer tentativa mudará seu estado quântico. Essa regra, conhecida como o teorema da não clonagem, se aplica também a cadeias de bits quânticos, que podem, por exemplo, representar palavras ou frases. Como consequência, se alguém quiser colocar uma “escuta” em um canal quântico – tipicamente uma fibra óptica que transporta fótons em estados múltiplos de polarização – não será capaz de “ouvir” a comunicação sem perturbá-la, revelando, assim, a invasão. Existem várias técnicas diferentes de criptografia quântica para trocar dados com total privacidade graças à não clonagem. Ainda assim, essas técnicas presumem que se permita aos receptores ler os dados enviados a eles: mandar ao Google uma busca criptografada simplesmente não ajudaria. No ano AULA ABERTA

passado, porém, meus colegas italianos Vittorio Giovannetti, da Escola Normal Superior de Pisa, e Lorenzo Maccone, da Universidade de Pavia, e eu descobrimos que o teorema da não clonagem permite realizar buscas confidenciais. No protocolo que criamos, um usuário precisa ser capaz de enviar ao motor de busca uma “pergunta quântica” – uma cadeia de bits quânticos que contenha simultaneamente a pergunta real e mais outra qualquer. (Não importa qual seja a segunda questão: o computador até poderia enviar uma aleatória automaticamente.) O motor de busca pesquisa a base de dados atrás de respostas para questões múltiplas e combina perguntas e respostas em um novo pacote quântico, enviado novamente ao usuário. Se o motor de busca quiser registrar uma cópia das perguntas, o usuário saberá que sua privacidade foi violada, porque o estado quântico de suas perguntas originais terá sido perturbado de maneira detectável pelo computador. O ponto fundamental é que o motor de busca pode fornecer respostas sem detectar fisicamente (e menos ainda clonar) a cadeia de bits que codifica as questões, ou seja, ele nem fica sabendo quais perguntas foram feitas. Embora essa mágica seja impossível com os com-

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

CONCEITO

TEOREMA DA NÃO CLONAGEM Teorema que se sustenta no Princípio da Incerteza de Heisenberg, que garante que é impossível determinar simultaneamente todos os estados físicos de uma partícula sem interferir nela.

CONCEITO

ESTADO QUÂNTICO Qualquer configuração possível em que um sistema possa se encontrar. Os parâmetros que o definem são a energia do sistema, a forma e a orientação orbital e o spin (rotação em torno do próprio eixo).

[MEMÓRIA PARA MOTORES DE BUSCA QUÂNTICOS]

Psiu! Não Espalhe Para oferecer privacidade absoluta, motores de busca terão de armazenar informação acerca do conteúdo da internet em um sistema chamado memória RAM quântica. Usuários enviarão questões múltiplas sob a forma de um único “pacote quântico”. A memória RAM quântica acrescentará as respostas ao pacote e as retornará. Qualquer perturbação no estado quântico do pacote alertará o usuário a respeito da violação de privacidade. A RAM quântica precisará de uma arquitetura chamada bucket brigade no lugar da arquitetura das memórias RAM usuais.

RAM COMUM Bytes de dados são dispostos em um arranjo ramificado semelhante a uma árvore. A recuperação de um único byte requer ativar todas as chaves do arranjo. Para uma RAM quântica, ativar um número muito grande de chaves seria impraticável: devido à fragilidade dos estados quânticos, a frequência de erros seria alta demais. Bit

1 O endereço do byte ● desejado é enviado a todas as chaves

Linha de endereço “0”

Byte 2 A resposta é ● recuperada

“1”

RAM TIPO BUCKET BRIGADE Nesse sistema, para recuperar um byte basta ativar as chaves ao longo de um único caminho. Espera “0”

1 A linha de endereço ● é enviada

●

2 O primeiro bit altera o nível 1 para “0” e os bits restantes seguem o caminho acima

“1”

3 O segundo bit altera o nível 2 para “1”... ●

4 ...até o caminho ser ●

aberto para o byte desejado, permitindo a recuperação dos dados ao longo do caminho aberto. 5 A resposta é recuperada ●

putadores, bases de dados e hardware de rede atuais, percebemos que isso não está tecnologicamente fora de alcance. O primeiro requisito para um sistema de buscas quântico confidencial é uma internet quântica rudimentar. A tecnologia para a troca de mensagens quânticas através de uma linha dedicada já existe e é usada em sistemas de comunicação segura. Já uma internet quântica completa não pode ser uma simples linha entre dois pontos, mas sim uma rede cujos nós encaminham pacotes de dados de modo que qualquer pessoa possa alcançar outro usuário ou qualquer servidor da rede. Acontece que encaminhar dados sem fazer cópias temporárias – ou seja, sem sofrer as consequências do teorema da não clonagem – é uma tarefa complicada e requer uma tecnologia sofisticada que atualmente está em estágio experimental, chamada roteador quântico. Um protótipo dessa rede pode estar disponível dentro de cinco a dez anos. A segunda exigência para um sistema de buscas privado é que os usuários e os servidores disponham de computadores quânticos rudimentares, ou seja, computadores capazes de armazenar e manipular os bits quânticos. Infelizmente, esses bits são muito instáveis e tendem a perder espontaneamente seus estados quânticos múltiplos em uma fração de segundo. Computadores quânticos experimentais, que guardam os bits quânticos nos estados magnéticos de íons individualmente suspensos no vácuo, por exemplo, podem armazenar até o momento apenas em torno de 8 bits de uma só vez. Um computador quântico completo requereria centenas ou até milhares de bits quânticos, o que ainda está muito longe de acontecer, mesmo como demonstração em laboratório. Felizmente, porém, para a realização de buscas quânticas privadas, cerca de 30 bits já são suficientes: se codificados apropriadamente, uma pesquisa de 30 bits pode conseguir uma resposta a partir de uma base de dados com mais de 1 bilhão de entradas. É possível que esses “microprocessadores quânticos” estejam disponíveis dentro de cinco a dez anos.

Na RAM de bucket brigade quântica, dois caminhos podem ser abertos para recuperar dois blocos de dados, que podem ser enviados junto com as questões originais. 1 Duas respostas recuperadas ● simultaneamente.

2 Respostas enviadas de volta ● junto com as perguntas originais, que permanecem confidenciais.

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

NÃO TÃO ALEATÓRIO Até aqui, tudo bem: buscas quânticas confidenciais requerem apenas computadores quânticos simples e sistemas quânticos de comunicação. Agora vem a parte difícil. Para responder a uma pergunta do usuário que tenha várias possibilidades, a base de dados de um motor de busca deve ser capaz de fornecer a AULA ABERTA

JEN CHRISTIANSEN

VERSÃO QUÂNTICA

resposta a cada componente da pergunta simultaneamente. Para que isso seja feito é preciso um novo tipo de armazenamento de dados chamado memória de acesso aleatório quântica, ou RAM quântica. A memória RAM é simplesmente um dispositivo que serve para armazenar dados, arranjado em uma estrutura semelhante a uma árvore. Cada dado é uma sequência de 8 bits, ou 1 byte, e tem um endereço que também é uma sequência de bits. Os bytes são como as folhas da árvore; o endereço controla o caminho do tronco até a folha específica. O primeiro bit do endereço determina qual de dois ramos deve ser percorrido, no nível mais baixo da árvore. O segundo bit controla a ramificação secundária, e assim por diante. Os ramos se duplicam a cada nível, e, em uma RAM tradicional, com endereços de 30 bits, recuperar dados requer acionar 230 (mais de 1 bilhão) de chaves. É possível projetar uma versão quântica da RAM tradicional. A única diferença é que as chaves que direcionam a informação através da árvore binária precisariam agora ser capazes de encaminhar a informação por dois ramos simultaneamente, pois cada bit de uma pergunta quântica pode especificar duas rotas diferentes. Esses interruptores quânticos podem ser fabricados com tecnologias já existentes, como espelhos semitransparentes que “dividem” os fótons, fazendo-os seguir dois caminhos diferentes ao mesmo tempo. O problema é que circuitos quânticos são muito sensíveis a ruídos e erros: se apenas uma das chaves estiver com problemas, a privacidade do bit correspondente será perdida. Como um bit de endereços típico controla um número enorme de chaves, a probabilidade de perder a privacidade é muito alta. Giovannetti, Maccone e eu criamos um projeto diferente de endereçar a RAM (tanto clássica como quântica), em que muito menos chaves são ativadas a cada acesso da memória. O segredo é encaminhar os bits de endereço nos mesmos ramos da árvore que os dados devem seguir, em vez de utilizar linhas de endereço separadas. Como os bits de endereço passam sequencialmente pela matriz de memória, demos o nome de RAM tipo bucket brigade (“brigada de baldes”, analogia a uma fileira de pessoas que passam baldes cheios de água de mão em mão para apagar um incêndio) (ver quadro na página ao lado). A arquitetura de bucket brigade requer ativar apenas uma chave a cada nível do arranjo, enquanto AULA ABERTA

a RAM convencional ativa todas as chaves em todos os níveis.A economia é notável: uma RAM tipo bucket brigade com 1 bilhão de posições de memória ativa 30 chaves para cada acesso da memória, em contraste com a ativação de 1 bilhão de chaves a cada acesso na RAM convencional. E os benefícios da arquitetura de bucket brigade, tanto em frequência de erros como em economia de energia, crescem exponencialmente com o número de bits. A MATERIALIZAÇÃO DA INTERNET QUÂNTICA De início, nós achamos que a ideia da bucket brigade teria potencial para revolucionar a indústria de memórias RAM clássicas, e imagens de cifrões já começaram a dançar em nossa mente. Mas logo descobrimos que outros já haviam pensado em projetos semelhantes, e o formato era muito lento para a RAM clássica (embora pudesse ser uma solução de baixo consumo energético para memórias não voláteis, como aquelas usadas em câmeras digitais). Mas o formato bucket brigade seria fundamental para buscas quânticas, pois sua arquitetura tolera uma frequência de erros de 1 em 30, em vez de 1 em 1 bilhão. O meio para fabricar uma memória RAM quântica consistiria em um suporte físico convencional. Por exemplo, os dados poderiam ser armazenados em bilhões de pequenos espelhos como os que compõem a superfície de um CD comum.A parte verdadeiramente quântica da RAM é o arranjo de chaves, que poderia ser composto por interruptores que desviam individualmente bits quânticos ao longo dos dois ramos ao mesmo tempo. Essas chaves quânticas já existem e apresentam frequências de erro suficientemente baixas para construir uma memória RAM quântica com 1 bilhão de posições ou mais.

PARA CONHECER MAIS Os segredos mais bem guardados. Gary Stix, Scientific American Brasil no 33, págs. 38-45, fevereiro de 2005. Quantum random access memory, Vittorio Giovannetti, Seth Lloyd e Lorenzo Maccone, em Physical Review Letters, vol. 100, no 16, págs. 160501-160504, 25 de abril de 2008. Quantum private queries. Vittorio Giovannetti, Seth Lloyd e Lorenzo Maccone, em Physical Review Letters, vol. 100, no 23, págs. 230.502-230.505, 13 de junho de 2008. The quantum internet. H. J. Kimble em Nature, Vol. 453, págs. 1023-1030, 19 de junho de 2008. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

O AUTOR Seth Lloyd é professor de engenharia mecânica (ou “mecânico quântico”, como prefere se descrever) do Massachusetts Institute of Technology e diretor do W. M. Keck Center for Extreme Quantum Information Theory do MIT. Ele desenvolveu um dos primeiros modelos teóricos para a computação quântica e está trabalhando com vários grupos para construir computadores quânticos.

APLICAÇÕES TOTALMENTE NOVAS • Uma futura internet quântica permitirá aos usuários formas de interação simplesmente impossíveis com a tecnologia atual. • Em uma eleição com vários candidatos, o voto quântico (em que os eleitores expressam todas as suas preferências entre quaisquer pares possíveis de candidatos) favorecerá o candidato que satisfizer o maior número de eleitores. • De maneira semelhante, leilões quânticos maximizarão o número de usuários que conseguirão comprar o que desejarem a um preço justo. • Os futuros computadores quânticos farão download de softwares quânticos descartáveis capazes de resolver certos problemas exponencialmente mais rápido do que qualquer outro software comum. • Em um futuro distante, uma internet quântica poderá até realizar o teletransporte de objetos físicos.

BIOLOGIA MODERNA Cientistas estão próximos de criar vida, com consequências tanto boas como ruins Por Lawrence M. Krauss

u vi o futuro, e ele já chegou. Essas palavras me vieram à mente mais uma vez há pouco tempo, enquanto ouvia Craig Venter, um dos líderes nas novas áreas de genômica sintética e biologia sintética. Cada vez que ouço uma palestra sobre o assunto, parece que um novo limite para a manipulação artificial e, em última análise, criação de vida, foi ultrapassado. Vamos considerar apenas alguns dos progressos associados ao Instituto J. Craig Venter. Em 2003, seus pesquisadores criaram uma versão sintética do bacteriófago phiX174. Em 2007, transformaram, com sucesso, uma espécie de bactéria em outra por transplante de genoma. Mais recentemente, desenvolveram métodos para a montagem inteiramente sintética do genoma da bactéria Mycoplasma genitalium. As técnicas atualmente desenvolvidas fazem a proeza realizada em 2001, o sequenciamento do genoma humano, parecer pré-histórica. O custo e a velocidade de sequenciamento não apenas evoluíram mais rápido que os chips de

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

computador, mas a habilidade no uso de química e biologia para sintetizar novos organismos complexos também passou por uma revolução nos últimos cinco anos. As instruções embutidas nas sequências genéticas sintéticas podem agora ser implantadas em células de outra espécie e fazer com que expressem proteínas; essas proteínas, por sua vez, constroem novas cópias funcionais das formas de vidas cujo manual de instrução está nas sequências embutidas. Venter chama esse ciclo de “software que cria seu próprio hardware”. Espero ouvir em breve notícias sobre a criação bem-sucedida da primeira forma de vida completamente artificial, construída do zero, não viva até ter sido montada pelos cientistas. Exaltou-se a nanotecnologia dos semicondutores por mais de uma década, mas acredito que ela empalidecerá frente à habilidade da biotecnologia em transformar a vida e a sociedade. Imaginem o impacto de pegar uma carona na majestade da Natureza e projetar sistemas vivos que podem desempenhar tarefas não encontradas nela, de micróbios que fazem gasolina ou comem dióxido AULA ABERTA

FOTOGRAFIA POR JOHN BOSWELL; ILUSTRAÇÃO POR MATT COLLINS

ENSAIO

Promessas da

de carbono para criar materiais de construção de plástico não biodegradáveis a organismos projetados para operar cirúrgica e estrategicamente em células cancerígenas. Espero que em menos de 50 anos a economia mundial seja dominada, não por informações geradas por computador, mas por software gerado biologicamente. É claro que, como diria o Homem-Aranha, com grandes poderes vêm grandes responsabilidades. Os hackers atualmente criam vírus de software que incapacitam, periodicamente, grandes redes de computadores. Com a habilidade de construir sequências de DNA ao gosto do freguês, surgiu o espectro de hackers de fundo de quintal com poder de aterrorizar o mundo – intencionalmente ou por acidente – ao recriar o vírus Ebola ou o vírus da gripe espanhola de 1918. Cada um desses organismos patogênicos tem um código genético muito menor do que a M. genitalium, recentemente sintetizada. Também podemos imaginar a produção, mais uma vez, mesmo que não intencional, de vírus imunes às vacinas existentes. Algumas pessoas podem temer a existência de novas formas de vida com poder de atacar toda a vida na Terra, ou ao menos a vida humana. Esse medo está provavelmente fora de lugar. A vida sobreviveu por mais de 3 bilhões de anos porque é robusta, e quase nenhuma mutação pode sobrepujar com facilidade os mecanismos de defesa construídos em eras de exposição a patógenos em potencial. O argumento de Venter, de que novas doenças naturalmente surgidas são uma ameaça muito maior do que novas doenças artificiais, soa relativamente convincente. Entretanto, até pouco tempo atrás havia um monitoramento muito precário da reprodução irrestrita de informações genéticas. À medida que, no entanto, a habilidade de sintetizar sistemas biológicos mais complexos aumentou, a comunidade científica promoveu um sistema de restrições voluntárias, como o preenchimento de pedidos comerciais para sequências genéticas que correspondam a porções de organismos potencialmente letais. Hoje em dia, o conhecimento tecnológico, associado ao desenvolvimento de laboratórios de biologia sintética com intenções malévolas, está provavelmente acima da capacidade até mesmo de redes terroristas sofisticadas. Além disso, é importante não deixar que o medo AULA ABERTA

do Armagedon restrinja de forma indevida um trabalho científico com grande potencial para beneficiar a humanidade. Sempre tive a impressão de que, excetuandose pesquisas que violem convenções morais humanas universais, quando se trata de aplicações tecnológicas o que pode ser feito vai ser feito. Nossa tarefa é procurar antecipar, com rigor, como minimizar riscos e maximizar benefícios. Precisamos avançar para o futuro, não importando quanto ele seja preocupante, com olhos abertos, se quisermos que a sociedade acompanhe a tecnologia.

Lawrence M. Krauss, físico teórico, comentarista e autor, é professor-fundador e diretor da Iniciativa Origem (Origins Initiative, em inglês) na Arizona State University (http://krauss.faculty.asu.edu). SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Buracos negros são elementos fundamentais dos desafios da física contemporânea Por Luís Carlos Bassalo Crispino

a infância, ao atirarmos objetos para cima, facilmente nos convencíamos de que eles sempre deveriam retornar. Nas aulas de física, no entanto, aprendemos que há uma velocidade mínima a partir da qual objetos atirados da Terra não mais retornariam à sua superfície. Este valor, denominado velocidade de escape, é, na Terra, pouco mais de 11 km/s. Em 1783, cerca de 100 anos após o matemático e filósofo natural inglês Isaac Newton ter proposto sua teoria de gravitação, o geólogo inglês John Michel imaginou a situação de corpos celestes com atração gravitacional tão intensa que mesmo a velocidade da luz – que hoje sabemos ser 300 mil km/s – seria inferior à velocidade de escape. Essa ideia foi revisitada alguns anos depois pelo matemático e astrônomo francês Pierre Laplace, que denominou esses objetos, nos quais a luz ficaria aprisionada, de estrelas escuras. Mas foi somente em 1916, cerca de um ano após o físico nascido na Alemanha Albert Einstein ter proposto sua teoria revolucionária que relaciona a presença de matéria com a curvatura do espaçotempo, que o astrofísico alemão Karl Schwarzschild encontrou as soluções das equações da relatividade geral que descreviam mais precisamente esses corpos bizarros. Em meados do século 20, os buracos negros eram tão controversos que o próprio Einstein chegou a concluir, baseando-se em argumentos físicos, que eles não poderiam existir na realidade física. Hoje há evidências observacionais 66

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

de que esses objetos estejam presentes em sistemas estelares binários emissores de raios X – assim como no centro das galáxias. No início da década de 70 o físico inglês Stephen Hawking demonstrou que buracos negros não só seriam indestrutíveis, como também não diminuiriam de tamanho por qualquer processo clássico. Poucos anos mais tarde, combinando ingredientes da relatividade geral e da mecânica quântica, o próprio Hawking mostrou que esses objetos, indestrutíveis do ponto de vista clássico, poderiam evaporar, emitindo uma radiação térmica cuja temperatura é inversamente proporcional à sua massa. Com o passar dos anos esse foi um dos resultados mais populares da física. Os estágios finais da evaporação de buracos negros também têm proporcionado intensos debates na comunidade científica. Uma estrela preparada de forma a determos a máxima informação sobre seu estado inicial, colapsada em um buraco negro e que evaporasse completamente por emissão de radiação térmica, implicaria uma perda líquida de informação no Universo, o que é incompatível com a mecânica quântica. A resposta a esse enigma pode estar ou em correlações sutis na radiação resultante, ou no fato de o buraco negro não evaporar completamente, ou mesmo em eventuais modificações na própria mecânica quântica.

Luís Carlos Bassalo Crispino, físico, é pesquisador da Universidade Federal do Pará (UFPA). AULA ABERTA

ARQUIVO PESSOAL

FRONTEIRAS

Chaves para desvendar o Universo

Aula Aberta 4 O prazer de ensinar ciências

ANO I - NO 4 - 2010 - R$ 6,90

ALTAS ENERGIAS

O FUTURO DA FÍSICA

Cientistas reproduzem condições do nascimento do Universo no Grande Colisor de Hádrons BIOLOGIA

A aids tem cura? Pesquisadores adotam novas estratégias para chegar à vacina QUÍMICA

Plantas liberam metano, mas o aquecimento global é culpa nossa

MATEMÁTICA

Conceito de conjunto invade outros campos