Scientific American Brasil - aula aberta 5

Page 1

Aula Aberta 5 O prazer de ensinar ciências

ANO I - NO 5 - 2010 - R$ 6,90

BIOLOGIA

AS RAÍZES PROFUNDAS DA VIDA Fonte termal no fundo do mar sugere novas explicações para a evolução

MATEMÁTICA

O incrível computador dos gregos antigos que previa eclipses QUÍMICA

FÍSICA

Nitrogênio, de fertilizante a poluidor

Chuvas de verão em áreas de risco acabam em tragédia

Pilar de rocha branca em Lost City, equivalente a um edifício de 20 andares, guarda segredos da evolução




Brasil www.sciam.com.br

EDITORIAL

DIRETOR-GERAL: Miguel Civita COMITÊ EXECUTIVO: Jorge Carneiro, Luiz Fernando Pedroso, Miguel Civita e Lula Vieira DIRETORA DE REDAÇÃO: Ana Claudia Ferrari

Aula Aberta 5

EDITOR: Ulisses Capozzoli EDITOR EXECUTIVO: Paulo Eduardo Nogueira COLABORADORES: Editora Moderna Sérgio Quadros (diretor geral); Sônia Cunha de Souza Danelli (diretora editorial); Miguel Thompson (diretor de serviços educacionais); 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). Diagramação Luciana Tezoni redacaosciam@duettoeditorial.com.br EDITOR-CHEFE: Ulisses Capozzoli EDITOR EXECUTIVO: Paulo Eduardo Nogueira EDITORA DE PUBLICAÇÕES ESPECIAIS: Liliana Pinheiro EDITORA DE ARTE: Simone Oliveira Vieira ASSISTENTES DE ARTE: João Marcelo Simões, Ana Salles e Flavia Couto EDITORA DE IMAGEM: Silvia Nastari PESQUISA ICONOGRÁFICA: Gabriela Farcetta e Lorena Travassos (assistente) ASSISTENTE DE REDAÇÃO: Elena Regina Pucinelli SUPERVISORA DE REVISÃO: Edna Adorno COLABORADORES: Luiz Roberto Malta e Maria Stella Valli (revisão) TRATAMENTO DE IMAGEM: Carina Vieira 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 FINANCEIRA: Arianne Castilha SUPERVISORA DE PLANEJAMENTO: Dilene Cestarolli CIRCULAÇÃO DIRETORA: Cristina Albuquerque Circulação Avulsa GERENTE: Ana Paula Gonçalves PRODUÇÃO GRÁFICA: Wagner Pinheiro 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 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.

P

egue o metrô no fim do dia, observe a multidão de pessoas circulando como formigas apressadas e então faça uma viagem retroativa no tempo. Você observará, supondo que trocou os assentos do metrô pela máquina do tempo, de H. G. Wells, imagens desfocadas pela velocidade com que retrocede mais e mais no tempo até que se veja, ainda que sem suas formas conhecidas, nas profundezas do mar. O que aconteceu? Em nossa viagem fantástica você escapou da “prisão dos sentidos”, a que se referiu o poeta inglês William Blake, para retornar ao começo da vida, que pode ter se iniciado no fundo do mar. Uma das evidências mais convincentes de que tudo pode ter se iniciado nas profundezas foi descoberta em dezembro de 2000. Um grupo de pesquisadores, explorando o Maciço Atlantis – a meio caminho entre as Ilhas Bermudas, no Oeste, e as Canárias, no Leste –, localizou uma estrutura de porte equivalente a um edifício de 20 andares. O que foi identificado como uma fonte termal, com a ajuda de veículos automatizados, há muito é suspeita de ter abrigado o berço da vida. Essas formações, situadas próximas a bordas de placas tectônicas – as jangadas rochosas que formam a superfície da Terra, a litosfera, mesmo cobertas por águas oceânicas –, reúnem em suas proximidades animais exóticos de uma variedade de formas. Pela complexidade química do entorno e pela surpresa da fonte de energia – o calor do coração da Terra – essas fontes sugerem ter de fato gestado as primeiras formas de vida. As raízes mais profundas da vida, tema de capa desta edição, são apenas um dos temas surpreendentes que você tem nas mãos. Se preferir trocar as profundezas do mar pelas imensidões do oceano cósmico, viajará entre as galáxias, estruturas que o filósofo alemão Emanuel Kant batizou de “universos-ilhas” antes que os astrônomos pudessem saber de que se tratava. Entre elas destaca-se a Via Láctea, a galáxia que abriga o Sistema Solar – entre outros 200 bilhões de estrelas. Criaturas sociais entre o que os astrônomos chamam de “animais do zoológico cósmico”, as galáxias se agrupam em aglomerados e superaglomerados, atraídas pela gravidade e, em conjunto, bailam majestosamente no grande salão do Cosmos. Outra questão surpreendente desta edição são os ornitorrincos, mamíferos que nascem de ovos. Se você não se deu conta de imediato deste paradoxo, leia o artigo e chegue às suas próprias conclusões. Por fim, entre outros temas, temos os deslizamentos de terras, especialmente nas encostas com alta declividade, que a cada verão custam a vida de muita gente. Acidentes da Natureza? Pouco provável, na maior parte dos casos. Negligência do poder público, quase sempre. Boa leitura.

IMPRESSÃO: Ediouro Gráfica Aula Aberta no 5, ISSN 2176163-9. Distribuição com exclusividade para todo o Brasil: DINAP S.A. Rua Doutor Kenkiti Shimomoto, 1678.

Ulisses Capozzoli é editor-chefe de Scientific American Brasil AULA ABERTA


SUMÁRIO 34

SCIENTIFIC AMERICAN redacaosciam@duettoeditorial.com.br BRASIL – AULA ABERTA NO 5 – 2010

BIOLOGIA

AS RAÍZES MAIS PROFUNDAS DA VIDA Por Alexander S. Bradley

Análises de um tipo de fonte termal descoberta no leito marinho sugerem novas explicações para a evolução

CAPA: CORTESIA DE DEBORAH S. KELLEY, UNIVERSITY OF WASHINGTON, IFE, URI-IAO, NOAA

6

14

NOTAS Como os estranhos mamíferos que põem ovos conseguiram sobreviver LIVROS Ameaças ao planeta e dependência de drogas

26

FÍSICA Movimentos gravitacionais de massa e as chuvas

44

QUÍMICA Nitrogênio, de fertilizante a poluidor

54

MATEMÁTICA O incrível computador da Antiguidade

16

ENTREVISTA Professora Maria da Gloria Martini

65

ENSAIO O perigo do fim dos tempos

22

ASTRONOMIA Galáxias, cidades cósmicas

66

FRONTEIRAS A água e seus diferentes domínios

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

5


NOTASNOTASNOTA EVOLUÇÃO

Salvos pela Água

O ORNITORRINCO e o outro mamífero ovíparo, a equidna, devem sua existência ao fato de seus ancestrais terem se adaptado à água, evitando assim a competição com os marsupiais.

R

estam hoje apenas duas espécies de mamíferos ovíparos no planeta – o ornitorrinco, que apresenta um bico semelhante ao dos patos, e a equidna, ou tamanduá espinhoso. Esses monotremados exóticos dominavam a Austrália até que seus primos com bolsas abdominais, os marsupiais, invadiram o território australiano entre 71 milhões e 54 milhões de anos atrás e os venceram. Novas pesquisas sugerem que esses dois tipos de criaturas conseguiram sobreviver porque seus ancestrais se refugiaram na água. Antes de chegarem à Austrália, os marsupiais migraram da Ásia para as Américas e Antártida. Obrigados a competir com todos os animais pelo caminho, os marsupiais foram preparados para a competição, o que lhes proporcionou um sucesso extraordinário quando chegaram ao território australiano, explica o biólogo evolucionário Matthew Phillips, da Australian National University em Canberra. “A questão é: ‘Por que os monotremados sobreviveram?’” 6

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Phillips e seus colegas sugerem que os ornitorrincos e equidnas sobreviveram à invasão dos marsupiais porque seus ancestrais procuraram refúgio onde aqueles não poderiam segui-los: na água. Quando os marsupiais nascem precisam mamar constantemente por semanas e, assim, os recém-nascidos se afogariam se suas mães tivessem de nadar por certo período. A teoria parece plausível para os ornitorrincos, criaturas anfíbias. As equidnas, no entanto, vivem somente em terra. Os investigadores utilizaram a genética para encontrar uma resposta. Descobriram que as equidnas se desviaram dos ornitorrincos apenas entre 19 milhões e 48 milhões de anos atrás, o que significa que tiveram ancestrais semiaquáticos e posteriormente recolonizaram a terra. Uma série de características das equidnas como corpos hidrodinâmicos, membros posteriores que se projetam para trás de forma a poderem servir de leme, e os contornos de um bico como o dos patos durante o desenvolvimento embrionário indicam que podem ter tido um precursor anfíbio semelhante ao ornitorrinco. Um estudo anterior com fósseis mais antigos de monotremados sugeriu que o ornitorrinco e a equidna distanciaram-se há mais de 110 milhões de anos, bem antes do que indica a análise genética. A equipe de Phillips, entretanto, reanalisou 439 características desses fósseis antigos e concluiu que equidnas e ornitorrincos recém-evoluídos eram melhor agrupados juntos que em relação a fósseis mais antigos. A reconstrução das linhagens sustenta as descobertas genéticas dos pesquisadores, divulgadas on-line na Proceedings of the National Academy of Sciences USA. “Agora os genes e ossos parecem estar contando a mesma história, o que é encorajador”, observa o mamologista Robin Beck, do Museu Americano de História Natural em Nova York, que não participou da pesquisa. AULA ABERTA

IMAGENS: NICOLE DUPLAIX GETTY IMAGES (ORNITORRINCO); DOXEPINE/CREATIVE COMMONS (TNF-ALFA)

ESTRANHOS MAMÍFEROS QUE PÕEM OVOS CONSEGUIRAM SOBREVIVER A SEUS COMPETIDORES QUE GESTAM FILHOTES


ASNOTASNOTASNO Até agora os pesquisadores não encontraram evidência fóssil da transição de uma equidna a partir da água. Os registros fósseis dos monotremados são ainda bem incompletos, comenta Beck. No entanto, um bom número de sítios arqueológicos na Austrália data de 20 milhões a 25 milhões de anos atrás, a partir de quando os cientistas acreditam que as equidnas tenham evoluído. “Com um pouco de sorte, futuras expedições a esses sítios encontrarão fósseis de equidnas que documentem a ocorrência de uma transição a partir de uma forma semelhante à do ornitorrinco”, acrescenta. A presença em monotremados da postura de ovos e outros traços primitivos de ancestrais dis-

tantes, como a cintura escapular reptiliana, são sempre citados como razão para sua aparente inferioridade, observa Phillips. As novas descobertas ajudam a dar novo enfoque, agora positivo, a essas características arcaicas. Por exemplo, embora ombros reptilianos sejam inadequados para correr rápido, permitem braçadas fortes, de forma que os ombros grandes e a musculatura do braço ajudam a equidna a cavar a terra e o ornitorrinco, a manobrar na água. “Muitos répteis possuem esses traços ‘primitivos’ e, ainda assim, em termos de número de espécies, são mais bem-sucedidos que qualquer grupo de mamíferos”, conclui Phillips. POR CHARLES Q. CHOI

MEDICINA E SAÚDE

Pistas Inflamadas CADA VEZ MAIS, EVIDÊNCIAS RELACIONAM DIABETES NÃO APENAS À OBESIDADE, MAS TAMBÉM A INFLAMAÇÕES

C

erca de 21 milhões de americanos sofrem de diabetes tipo 2, e todo ano mais 800 mil novos casos são diagnosticados. Considerando esses números crescentes, cientistas tentam encaixar as peças do quebra-cabeça da doença. As pessoas que a adquirem são, em geral, obesas, resistentes à insulina (o hormônio que retira o açúcar do sangue e o armazena como energia) e sofrem de inflamação crônica. Há anos ninguém sabe exatamente se e como essas três características se relacionam. Alguns estudos recentes, entretanto, sugerem que elas estão intimamente vinculadas à ação de células imunes inflamatórias específicas e a uma alteração genética original. A esperança é que a compreensão dessas relações possa abrir as portas para novas possibilidades terapêuticas. Há varias décadas cientistas notaram que pessoas com diabetes tipo 2 têm respostas imunes excessivas, deixando seus organismos repletos de substâncias inflamatórias. No início dos anos 90, pesquisadores da Harvard University identificaram um dos principais elementos imunes como AULA ABERTA

TNF-alfa, substância secretada pelas células do sistema imunológico, ativa e aumenta a expressão de proteínas SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

7


NOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASN CIÊNCIA SOLAR ESPETACULAR Um novo observatório solar começou a operar em abril, com a apresentação de suas primeiras imagens e vídeos. O Observatório Solar Dinâmico, lançado pela Nasa em fevereiro, envia imagens de 16 megapixels do Sol quase continuamente, divide emissões solares em comprimentos de onda individuais, rastreia a propagação de ondas através da superfície solar e mapeia o campo magnético do Sol sempre em constante variação. A foto abaixo é uma imagem do Sol em extremo ultravioleta tirada em 30 de março. Cores atribuídas indicam diferentes temperaturas dos gases: vermelhos são relativamente frios (cerca de 60 mil graus); azuis e verdes são mais quentes (pelo menos 1 milhão de graus). Com toda essa informação, cientistas acreditam que o observatório poderá fazer pela heliofísica o que o Telescópio Espacial Hubble fez pela astrofísica em geral. – John Matson

a TNF-alfa, substância secretada pelas células do sistema imunológico. Esses compostos geralmente são chamados de citocinas. Foram encontrados altos níveis de citocina no tecido adiposo de ratos com diabetes tipo 2 e, quando se criaram ratos obesos que não produziam a citocina, não se observou o desenvolvimento de diabetes. Os pesquisadores têm então demonstrado que a TNF-alfa – e, em termos gerais, a inflamação – ativa e aumenta a expressão de diversas proteínas que suprimem as vias de sinalização da insulina, tornando o corpo humano menos reativo e aumentando o risco de resistência a ela. Então o que causa as inflamações? Embora a diabetes tipo 2 possa se desenvolver em pacientes com peso normal, a maioria dos cientistas concorda que “a obesidade é um fator desencadeante”, observa Jerrold Olefsky, endocrinologista da University of California em San Diego. As células de gordura, depois de terem se expandido com o ganho de peso, às vezes não conseguem obter oxigênio suficiente do sangue e começam a morrer, explica, e a morte celular recruta células imunes para o local. A resistência à insulina também provoca inflamação. Em um estudo publicado em agosto na versão on-line de Diabetes, H. Henry Dong e colegas da University of Pittsburgh demonstraram que a proteína Foxo1 funciona como principal interruptor que liga a expressão de outra citocina inflamatória chave, a interleucina 1-beta, que também interfere na sinalização da insulina. Normalmente a insulina controla a Foxo1, ela “rapidamente inibe a Foxo1” movendo-a para fora do núcleo de forma que possa ser alvo de degradação, explica Dong. Entretanto, quando uma pessoa se torna resistente à insulina e as células pancreáticas não produzem mais o suficiente para superar a resistência, a atividade da Foxo1 aumenta. Os resultados de Dong sugerem que a inflamação e a resistência à insulina são reforçadas em um ciclo vicioso de retroalimentação positiva. Ele afirma que, de fato, ambas ocorrem simultaneamente. A artrite reumatoide – doença inflamatória – , por exemplo, eleva o risco do desenvolvimento de resistência à insulina. As descobertas podem levar ao desenvolvimento de novas terapias. Dong informa que “estamos tentando criar uma molécula antagonista para inibir a atividade da Foxo1”, que seja eficiente para acabar com a diabetes, mas não 8

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

impeça os outros papéis que a Foxo1 desempenha no organismo, entre os quais auxiliar o crescimento das células musculares. As células imunes que liberam citocinas são alvo de outros cientistas. Em 2003, pesquisadores da Columbia University e da Millennium Pharmaceuticals descobriram um estoque substancial de macrófagos – células imunes cujo principal papel é engolfar patógenos – nas reservas de gordura de pessoas com diabetes tipo 2. Posteriormente, Olefsky e seus colegas modificaram geneticamente ratos que não produziam esses macrófagos e demonstraram que “os animais eram protegidos da resistência à insulina provocada pela obesidade”, mesmo que fossem gordos, observa. “Isso gera a ideia de que se fosse possível encontrar uma forma menos nociva de inibir a programação inflamatória desses macrófagos em humanos, teríamos uma terapia.” A chave seria assegurar que a droga utilizada não interferisse nas atividades essenciais do sistema imunológico, acrescenta. Talvez a principal questão ainda seja se a inflamação sempre vem antes da resistência à insulina. “Não sabemos, na verdade, quem vem primeiro”, observa Aruna Pradhan, epidemiologista do Brigham and Women’s Hospital, em Boston. A resistência à insulina pode desenvolver-se primeiro e então estimular inflamações por seu efeito na Foxo1. “É a questão do ovo ou da galinha”, coloca Dong. “Ninguém sabe.” Entretanto, a inflamação e a resistência à insulina não são os únicos fatores a considerar: influências genéticas e ambientais, como a nutrição, também influenciam a diabetes. Em setembro de 2009, Pradhan e seus colegas publicaram um estudo surpreendente na Journal of the American Medical Association, mostrando que medicamentos que reduzem a resistência à insulina têm pouco efeito nos níveis inflamatórios. Estranhamente, pessoas que receberam placebos apresentaram menos sinais de inflamação no fim do estudo que aquelas que haviam tomado o medicamento, sugerindo uma complexa influência de fatores. Portanto, mesmo os cientistas tendo apresentado uma visão mais clara sobre a inflamação e a diabetes, novas peças do quebra-cabeça parecem acrescentar mais complexidade a essa doença já tão complexa. POR MELINDA WENNER AULA ABERTA


SNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTAS CIÊNCIA E TECNOLOGIA

Numerologia Climática QUAL É O NÍVEL “SEGURO” DE DIÓXIDO DE CARBONO ATMOSFÉRICO?

JAMES L. STANFIELD GETTY IMAGES

E

m dezembro, líderes mundiais reuniram-se em Copenhague para esquentar ainda mais o debate sobre o clima. Isso porque, embora estejam claros os impactos que a humanidade gostaria de evitar – incêndios, enchentes, secas –, continua indefinida a estratégia correta para frear o aquecimento global. Apesar de décadas de esforços, cientistas não sabem quantificar o perigo – em termos de temperatura ou concentrações de gases de efeito estufa na atmosfera. Quando se trata de definir a vulnerabilidade do clima em relação a pressões como os crescentes níveis de dióxido de carbono, por exemplo, “não sabemos muito mais do que em 1975”, admite o climatólogo Stephen Schneider, da Stanford University, que cunhou o termo “sensibilidade climática”, na década de 70. “O que sabemos é que, se acrescermos watts por m2 ao sistema, vai esquentar.” E os gases de efeito estufa adicionam esses watts, ao agirem como um cobertor que absorve o calor do Sol, e já aquecerem a Terra em cerca de 0,75ºC no século passado. Os cientistas conseguem medir quanta energia os gases acrescentam agora (aproximadamente 3 watts por m2); o que impede um cálculo preciso é o papel desempenhado por outros fatores – a resposta das nuvens ao aquecimento, a ação resfriante dos aerossóis, o calor e os gases absorvidos pelos oceanos, a transformação da paisagem pelo homem e até a variação natural da intensidade do Sol. “Talvez tenhamos de esperar 20 ou 30 anos até que os dados registrados no século 21 nos permitam determinar a sensibilidade com precisão”, diz Gavin Schmidt, do Instituto Goddard de Estudos Espaciais, da Nasa. Apesar de todas essas variáveis, cientistas sabem há mais de um século que duplicar as concentrações pré-industriais de CO2 na atmosfera, de 280 partes por milhão (ppm), provavelmente aumentará as temperaturas médias globais em cerca de 3ºC. O que não se sabe é quanto aquecimento e acréscimo de CO2 são seguros para a civilização. Políticos europeus concordaram que até 2100 as temperaturas médias não devem subir mais que 2ºC acima dos níveis pré-industriais. Isso equivale a uma concentração de gases de efeito estufa de 450 ppm. AULA ABERTA

“Atualmente estamos em 387 ppm e subindo 2 ppm por ano”, informa o geoquímico Wallace Broecker, da Columbia University. “Isso significa que o limite de 450 ocorrerá daqui a 30 anos. Teríamos sorte se conseguíssemos parar em 550 ppm.” James Hansen, do Instituto Goddard, argumenta que as concentrações atmosféricas têm de retornar a 350 ppm ou menos – e rapidamente. “Dois graus centígrados [de aquecimento] constituem um desastre garantido”, frisa, apontando para a aceleração dos impactos que se manifestaram nos últimos anos. “Se quisermos que alguns desses fenômenos parem de ocorrer – como, por exemplo, o derretimento do mar de gelo no Ártico – precisaremos restabelecer o equilíbrio energético do planeta.” Outros cientistas, como o físico Myles Allen, da University of Oxford, examinam o problema do lado oposto: quanto mais CO2 a atmosfera consegue absorver em segurança? De acordo com Allen e sua equipe, a humanidade pode se permitir o luxo de injetar no ar 1 milhão de toneladas de CO2 na atmosfera até 2050 e manter o aquecimento abaixo de 2ºC – e ela já emitiu metade disso. Em outras palavras, apenas 25% das reservas conhecidas de carvão, petróleo e gás natural podem ser queimadas. “Para solucionar o problema, temos de eliminar completamente o volume líquido das emissões de CO2”, resume Allen. “As emissões precisam cair entre 2% e 2,5% ao ano a partir de agora.” O climatólogo Jon Foley, da University of Minnesota, integrante de uma equipe que definiu limites seguros para dez sistemas planetários, inclusive o clima, defende uma margem de erro por precaução. “A conservação de massa nos diz que, se quisermos gastar apenas isso, temos de fechar bastante a torneira, ou garantir que o escoamento seja maior. Uma redução de 80% [em CO2 até 2050] é praticamente o único caminho que podemos trilhar para alcançar esse tipo de estabilização.” POR DAVID BIELLO SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

9

PERIGO LIBERADO: Como gases industriais – retentores de calor – emitidos hoje aquecerão o planeta durante décadas, pesquisadores não sabem ao certo quanto mais emissões a Terra pode aguentar e continuar ecologicamente saudável.


NOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASN CIÊNCIA E TECNOLOGIA

De Volta aos Embriões

E

A LENDA do pugilismo Muhammad Ali, em foto de agosto de 2009, cogitou tratar sua doença de Parkinson com tecido embrionário, em 1987. Novas pesquisas reacenderam o interesse por essas células.

m discurso em uma cerimônia de graduação, em 1932, o presidente Franklin D. Roosevelt advertiu que “é de bom senso escolher um método e experimentá-lo. Se ele falhar, admita-o francamente e tente outro”. FDR tinha em mente o reaquecimento da economia depressiva dos Estados Unidos, mas cientistas que experimentam tratar disfunções cerebrais com transplantes de células embrionárias levaram seu aforismo a sério. Novos métodos transformam fracassos passados e os resultados parecem muito mais promissores desta vez. Essa terapia teve início seriamente em meados da década de 80, entre pesquisadores em busca de um tratamento para a doença de Parkinson. Os por-

10

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

tadores têm dificuldade em controlar seus espasmos musculares, em parte porque seu cérebro é destituído do neurotransmissor dopamina. Esperava-se que tecido mesencefálico fetal, implantado no cérebro de doentes, se transformaria em células produtoras de dopamina. Mas, pouco após a virada do século, a pesquisa fracassou quando um subgrupo de pacientes enxertados desenvolveu disfunções motoras incapacitantes, chamadas discinesias descontroladas. Em meio aos reveses, havia alguns pacientes – especialmente os mais jovens e menos afligidos – que se deram bem com as células embrionárias. “A questão é: como conciliar todas essas variedades díspares, os problemas com os ensaios e fazer a pesquisa progredir?”, indaga Roger Barker, neurologista da University of Cambridge, que está meta-analisando dados de transplantes anteriores na esperança de elaborar um ensaio melhor. Uma explicação viável para as diferentes descobertas é a contaminação: tecido transplantável que continha neurônios secretando serotonina pode ter mascarado os resultados. Embora células embrionárias possam necessitar de suporte de outras células vizinhas em um transplante de tecido, Barker admite que a técnica se encaminha para o transplante de células-tronco puras, em vez de tecido. Ele e outros de sua área foram particularmente encorajados pelos resultados seguros obtidos no ano passado, no primeiro ensaio com células-tronco neurais de embriões aprovado pelo FDA, o órgão do governo americano que controla alimentos e medicamentos. A fase 1 da pesquisa envolveu crianças com a doença de Batten, distúrbio congênito neurodegenerativo fatal, em que mutações genéticas incapacitam o organismo para produzir as enzimas necessárias para eliminar resíduos celulares. No ensaio, até 1 bilhão de células-tronco neurais embrionárias foram injetadas nos ventrículos cerebrais ou nos sulcos da substância branca encefálica de seis crianças. Nenhuma apresentou efeitos adversos e a autópsia de uma, que morreu em razão do curso natural da doença, indicou que as células enxertadas tinham se incorporado adequadamente ao cérebro. AULA ABERTA

CHRISTOPHER FURLONG GETTY IMAGES (MUHAMMAD ALI), RAYTHEON COMPANY/DIVULGAÇÃO (EXOESQUELETO)

RESSURGE INTERESSE NA UTILIZAÇÃO DE CÉLULAS EMBRIONÁRIAS PARA REPARAR CÉREBROS DANIFICADOS


SNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTAS Esse resultado é um grande avanço, afirma Robert Steiner, da Oregon Health and Science University. “Essa é uma abordagem muito mais sofisticada e pura de transplantes neurais, que recorreu apenas a células neurais de embriões em vez da mistura celular utilizada em ensaios anteriores”, destaca ele. Alcançar elevados graus de pureza – ou seja, garantir que a grande maioria das células enxertadas sejam apenas células-tronco neurais – exige um cuidadoso processo de seleção. A StemCells, Inc., em Palo Alto, Califórnia, que produziu o material para o teste, aplicou uma técnica que rotula as células-tronco neurais com um marcador fluorescente. Isso facilita sua visualização e separação das outras células. Com esse procedimento, a empresa afirma que pelo menos 90% de suas células proprietárias são células-tronco neurais – referência vital para a aprovação de testes clínicos pelo FDA. O sucesso do ensaio de segurança fez com que se autorizasse um segundo teste – dessa vez, para crianças com a doença Pelizaeus-Merzbacher (PMD), uma disfunção genética que compromete a produção de mielina, uma substância lipídica que envolve os axônios dos neurônios. No teste, células-tronco neurais serão injetadas nos cérebros de quatro crianças portadoras de PMD. Posteriormente, elas serão submetidas a exames de imagens por ressonância magnética para rastrear novas produções de mielina. Experimentos pré-clínicos em modelos animais de PMD demonstraram que as células podem se diferenciar em células produtoras

de mielina, chamadas oligodentrócitos, e formar camadas de mielina. Mas ainda precisam provar que são capazes de restaurar a função. Células mais desenvolvidas poderão levar a resultados funcionais. Steven Goldman, da University of Rochester, isolou células-tronco de origem embrionária que se diferenciaram nas células progenitoras dos oligodentrócitos. Quando injetadas em modelos de PMD em ratos, as células precursoras melhoraram a saúde das cobaias afetadas, que também tiveram longevidade normal. Cientistas debatem o melhor método para obter as células. Em vez de selecionar células primárias em vários estágios de diferenciação, por exemplo, a Geron Corporation, em Menlo Park, Califórnia, pode induzir as células precursoras apropriadas a partir de células-tronco embrionárias humanas (a Geron recebeu autorização do FDA para utilizar as células em testes no ano passado). Em última instância, só os testes clínicos poderão determinar as melhores estratégias. “Como agora temos meios melhores para identificar células potencialmente regenerativas em populações embrionárias, provavelmente conseguiremos realizar estudos mais vigorosos e direcionados que antes”, declara Charles ffrench-Constant, perito em neurociência regenerativa, da University of Edinburgh. Para os defensores dos enxertos, os transplantes de células embrionárias certamente estão emergindo de seus dias sombrios e entrando em uma revitalizante luz de holofotes. POR M. A. WOODBURY

TECNOLOGIA

Games Corporais ADEUS, CONTROLES: A NOVA VERSÃO DO XBOX JÁ RECONHECE GESTOS NATURAIS

Q

uando o videogame Nintendo Wii foi lançado, em novembro de 2006, seus “Wiimotes”, controles portáteis com sensores de movimento, tiraram os jogadores do sofá. Agora a Microsoft espera superar seu concorrente ao eliminar de vez os controles. Em janeiro foram revelados detalhes do Projeto Natal, que dará aos usuários do Xbox 360 a capacidade de manipular personagens na tela por meio do movimento natural do corpo. A tecnologia de aprendizagem de máquina possibilitará aos jogadores chutar uma bola de futebol digital ou rebaAULA ABERTA

ter uma bola com as mãos simplesmente imitando o movimento na sua sala de estar. A Microsoft, que anunciou o ambicioso plano de melhoramento do Xbox em junho de 2009, não marcou uma data de lançamento, mas muitos observadores esperam jogar com o Natal até o fim deste ano. Ele consiste em um sensor de profundidade que usa sinais infravermelhos para criar um modelo digital em 3D do corpo do jogador conforme ele se move, uma câmera de vídeo que captura detalhes mínimos como expressões faciais e SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

11

HOMEM DE FERRO Os Estados Unidos contarão na próxima década com uma nova classe de guerreiro, mais rápido, mais resistente e mais forte. Tudo isso com a ajuda de um exoesqueleto poderoso. Esse “homem de ferro” (XOS-2), desenvolvido pela Raytheon, permite que um soldado vestindo o exoesqueleto execute movimentos de forma mais livre que seu antecessor, o XOS-1, lançado em 2008. Pesando 95 kg, o XOS-2 é cerca de 40% mais forte que a versão anterior, consegue levantar 23 kg e usará 20% menos energia. O primeiro “homem de ferro” da Raytheon pode estar disponível em 2015. O exoesqueleto deve ser usado inicialmente para ajudar os soldados a carregar cargas mais pesadas em operações de combate ou de logística.


INÍCIO DE JOGO: A resposta da Microsoft ao Wii, chamado Natal, reage aos gestos dos jogadores, que neste jogo devem rebater uma rajada de bolas.

um microfone que pode identificar e localizar vozes individuais. Programar um sistema de jogo que consiga discernir as quase ilimitadas combinações de posições das juntas do corpo humano é um problema computacional assustador. “Cada um dos movimentos do corpo é uma inserção de dados, portanto seria necessário programar quase infinitas reações às ações”, explica Alex Kipman, diretor de inovações para o Xbox 360 da Microsoft. Em vez de tentar préprogramar ações, a Microsoft decidiu ensinar sua tecnologia de jogo a reconhecer gestos em tempo real, da mesma forma que os humanos fazem: inferindo da experiência anterior. Jamie Shotton, da Microsoft Research Cambridge, na Inglaterra, desenvolveu um algoritmo de aprendizagem de máquina para essa finalidade, que também reconhece posições e as traduz para o espaço de jogo na tela à razão de 30 quadros por segundo, mais que suficiente para simular um movimento suave. Essencialmente, o aprimorado Xbox-Natal captura o movimento em tempo real, sem necessidade dos trajes de elastano cravejado de espelhos, utilizados nos processos convencionais de captura de movimento. Treinar o Natal para essa tarefa exigiu que a Microsoft reunisse uma enorme quantidade de dados biométricos. Segundo Kipman, a empresa enviou observadores para lares ao redor do mundo, onde gravaram em vídeo movimentos básicos como virar um volante ou apanhar uma bola. Os pesquisadores da Microsoft, posteriormente, selecionaram cuidadosamente fotogramas-chave dentre as filmagens e marcaram cada articulação no corpo de cada pessoa. Kipman e equipe também foram até um estúdio de captura de movimento em Hollywood para reunir dados de movimentos mais acrobáticos. “Durante o treinamento precisávamos prover o algoritmo com duas coisas: imagens sintetizadas que parecessem realísticas e, para cada pixel, a parte do corpo correspondente”, explica Shotton. O algoritmo processa os dados e altera os valores dos diferentes elementos de forma a alcançar o melhor desempenho. 12

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Para manter a quantidade de dados sob controle, a equipe teve de descobrir quais eram mais relevantes para o treinamento. Por exemplo, o sistema não precisa identificar a massa completa do corpo de uma pessoa, apenas a localização de suas articulações ósseas. Após reduzir os dados aos movimentos essenciais, os pesquisadores mapearam cada posição única para 12 modelos representando idade, gênero e constituição física diferentes. O resultado final foi um gigantesco banco de dados de fotogramas com articulações de pessoas marcadas. Vinte por cento dos dados foram utilizados para treinar o cérebro do sistema a reconhecer movimentos. A Microsoft certamente não é a única empresa que está explorando interfaces gestuais. Em maio do ano passado, a Sony fez a demonstração de um protótipo que funciona com base em câmeras de vídeo estéreo e sensores de profundidade que, segundo ela, poderia ser utilizado para controlar o cursor de um computador, um avatar de jogo ou até mesmo um robô. A Canesta, empresa que produz hardware de visão computacional, demonstrou um sistema que permite a viciados em televisão controlar o aparelho com um aceno de mão e se associou às empresas de computadores Hitachi e GestureTek para criar controles gestuais para aplicações em computadores pessoais. No entanto, os controles não devem desaparecer de vez, observa Hiroshi Ishii, chefe do Tangible Media Group, do Laboratório de Mídia do MIT (Massachusetts Institute of Technology). “Acredito ser importante termos algo concreto nas mãos”, acrescenta. Os dispositivos “Wiimotes” propiciam também uma resposta tátil, como vibração e resistência, que torna a ação mais realística. Ele observa que mesmo para atividades como o “Ricochete”, jogo-demonstração do Natal semelhante ao futebol, o jogador pode sentir falta da sensação de contato com um objeto físico que os controles oferecem. Peter Molyneux, diretor de criação do Estúdio Europeu de Jogos da Microsoft, entretanto, aguarda com expectativa a nova geração de videogames, porque a eliminação dos controles de jogo abre espaço para mais possibilidades criativas. “O Natal está me forçando, como projetista, a pensar nisso como um relacionamento entre o jogador e um dispositivo tecnológico”, observa. “Estamos tentando fazer algo que pareça estar vivo.” POR SUSAN KUCHINSKAS AULA ABERTA

CORTESIA DA MICROSOFT (JOGO), CORTESIA DE JOÃO ZILHÃO UNIVERSITY OF BRISTOL (PINTURA NEANDERTAL)

NOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASN


SNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTASNOTAS IDEIAS E DESCOBERTAS

Má Fama, Arte Refinada OS NEANDERTAIS ERAM INTELECTUALMENTE SEMELHANTES A NÓS?

C

onchas pintadas de vieiras e berbigões recentemente descobertas na Espanha são a primeira evidência concreta de que os neandertais produziam adornos. Essas descobertas sugerem que os extintos parentes mais próximos dos humanos modernos foram, apesar de tudo, capazes de criar símbolos. Ornamentos corporais feitos de conchas perfuradas e pintadas datando de 70 mil a 120 mil anos vêm sendo encontrados há décadas na África e Oriente Próximo, e são sinal de pensamento simbólico entre os primeiros humanos modernos. A ausência de descobertas similares na Europa naquele período de tempo, quando os neandertais viviam no território, vinha sustentando a noção de que nossos primeiros parentes careciam de simbolismo, possível sinal de inferioridade intelectual que ajudaria a explicar por que os Homo sapiens acabaram por substituí-los. Embora tenham surgido pistas de arte e ornamentos neandertais, tais como pendentes feitos de dentes de animais entalhados e perfurados, eles foram frequentemente considerados como artefatos de humanos modernos mesclados no sítio ou como imitações produzidas sem a devida compreensão. Recentemente o arqueólogo João Zilhão, da University of Bristol, na Inglaterra, e seus colegas encontraram ornamentos de 50 mil anos em duas cavernas no sudoeste da Espanha, 10 mil anos antes de os humanos modernos terem chegado à Europa. A Cueva (caverna) Antón continha uma concha de vieira do Mediterrâneo, pintada com um pigmento laranja feito de goethita amarela e hematita vermelha, recolhida a cerca de 5 km do local do sítio. Entre o material desenterrado em Cueva de los Aviones, foram encontradas duas conchas de berbigões perfuradas e pintadas com traços de hematita vermelha, juntamente com artefatos de quartzo e sílex. Não foi encontrado corante em conchas de moluscos utilizados como alimento ou em ferramentas de pedra, sugerindo que o ornamento não foi pintado aleatoriamente.

AULA ABERTA

Essas descobertas, em conjunto com artefatos anteriores, indicam que “os neandertais tinham a mesma capacidade para o simbolismo, imaginação e criatividade que os humanos modernos”, observa Zilhão. O antropólogo Erik Trinkaus, da Washington University em St. Louis, que não participou do estudo, espera que as descobertas “comecem a substituir a ideia predominante há mais de 100 anos – de que os neandertais desapareceram porque eram imbecis”. O ornamento também levanta a suposição de que os neandertais possam ter ensinado nossos ancestrais a pintar – e vice-versa. Zilhão e sua equipe forneceram detalhes na edição on-line de 11 de janeiro da Proceedings of the National Academy of Sciences USA. POR CHARLES Q. CHOI

TRABALHO DE PINTURA NEANDERTAL pode ser visto na composição da imagem de uma concha de vieira. O lado externo (à direita) mostra resquícios de tinta laranja. A coloração talvez tenha sido uma tentativa de recuperar a aparência original ou combinar com o vermelho natural do lado interno da concha (à esquerda). SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

13


LIVROSLIVROSLIVR T TERRA FRÁGIL – O QUE ESTÁ ACONTECENDO COM O NOSSO PLANETA? V Vários autores. Senac, 304 páginas, 2009, R$ 70,00

C

om a reunião para discussões e encaminhamentos climáticos em Copenhague, no final do ano passado, a mídia global abriu espaço para preocupações ambientais em escala planetária. Na pior das hipóteses, essa abordagem faz com que, de uma ou outra maneira, as pessoas pensem sobre isso, ainda que, individualmente, se sintam impotentes para promover as ações necessárias. A percepção da dimensão do aquecimento global com mudanças climáticas, no entanto, acaba diluída numa infinidade de temas, abordagens, opiniões e contraopiniões. Em situações assim, enfoques sistêmicos, com determinação de oferecer um cenário geral envolvendo esses processos são sempre bem-vindos. A oportunidade, neste caso, é o livro Terra frágil – O que está acontecendo com o nosso planeta?, obra coletiva da editora Senac, com apresentação de sir Ranulph Fiennes.

Apenas para uma rápida localização, Fiennes é um explorador britânico, o primeiro homem e atingir, pela superfície, os dois polos da Terra, no interior continental da Antártida e sobre a calota flutuante de gelo do Ártico. Em maio passado, aos 65 anos, ele escalou o topo do Everest, o que, na interpretação do Guinness World Records, faz dele o maior aventureiro vivo. Terra frágil é um livro tão belo quando incômodo. De um lado revela, com imagens impressionantes, a complexidade de um mundo que abriga a vida em toda a sua diversidade, sustentada por uma infinidade de processos naturais que vão do vulcanismo – processo natural de reciclagem do gás carbônico, o que faz do planeta um mundo confortável do ponto de vista térmico, ao contrário do que pode ter ocorrido, por exemplo, com nosso vizinho Marte – a uma proximidade ideal com o Sol, entre outras “coincidências”. De outro lado, revela processos de desorganização e desestruturação, em boa parte dos casos devido a intervenções humanas. (Ulisses Capozzoli)

C CONHECENDO O MAR DO BRASIL C Cristiano Burmester. Senac, 165 págs., 2009, R$ 60,00

P

ara um país com litoral de quase 9 mil km e que desde sempre pode ter sido d povoado por ocupantes do p além-mar – isso independena temente da abordagem eurot peia p no século 16 – pode-se dizer, sem risco de exagero, d que conhecemos mal nosso mar. Como também conhecemos mal quase a totalidade de nosso patrimônio natural. Uma ideia da potencialidade do mar brasileiro está presente no trabalho do fotógrafo Cristiano Burmester, mergulhador profissional que se iniciou nessa área aos 12 anos e registrou aproximadamen14

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

te 500 espécies no ambiente marinho desde 1992. As aproximadamente 150 imagens de Conhecendo o mar do Brasil estão divididas por regiões, de acordo com a predominância das formas de vida marinhas. Vão das belas baleias jubarte, em Abrolhos, no litoral da Bahia, passando pelos golfinhos rotadores de Fernando de Noronha, na costa de Pernambuco, a garoupas, estrelas-do-mar, baiacus, donzelas e aranhas-do-mar no litoral do Espírito Santo, Rio de Janeiro e São Paulo. Com revisão técnica de uma bióloga e um geólogo, o trabalho, segundo seu autor, tem como objetivo sensibilizar para a preservação ambiental. (U.C.) AULA ABERTA


ROSLIVROSLIVROSL DEPENDÊNCIA DE DROGAS Sergio Dario Seibel, organizador. Editora Atheneu, 1.191 págs., 2009, R$ 217,00

T

rabalhos envolvendo dependência de drogas, tema de preocupação crescente no Brasil, são relativamente frequentes. Abordagens capazes de articular interdisciplinaridade e profundidade, sem ser herméticas a não especialistas, no entanto, costumam ser mais raras. Este é um dos méritos de Dependência de drogas, organizado pelo psiquiatra Sergio Dario Seibel, em segunda edição e com enorme abrangência temática ao longo de quase 1.200 páginas. À primeira vista pode parecer não muito difícil reunir nada menos que 106 especialistas para a produção de uma obra conjunta. A experiência, no entanto, mostra que não é assim, o que significa dizer que a iniciativa de Seibel é uma resposta necessária e promissora a um enorme desafio: fornecer inteligibilidade possível a um tema que, apesar de mudanças recentes, ainda aparece associado a interpretações policiais e policialescas. Dividido em 11 seções, Dependência de drogas inicia-se com uma necessária introdução feita pelo próprio Seibel sobre conceitos básicos e classificação geral de substâncias psicoativas. Sem a indicação desse “caminho das pedras” um não especialista, ou mesmo um profissional sem formação mais ampla, teria dificuldades em organizar ideias e tirar pleno partido do conteúdo do trabalho. Na introdução, Seibel fornece o que pode ser entendido como um pequeno glossário de terminologia específica nessa área: expressões que vão de “abuso” a “uso social”, passando por “politoxicomanias”, “reinstalação” e “síndrome” (amotivacional, de abstinência ou dependência). O objetivo desse trabalho, nas palavras de Seibel “não se constitui nem em um ataque ao uso de substâncias psicoativas (em vez de drogas, que induzem a uma imagem errônea por parte da maioria das pessoas) nem em apologia ao uso”. Para o organizador, “a história da humanidade nos ensina que o uso de drogas é apenas um modo de vida. As pessoas sempre as utilizaram, por motivos os mais diversos, e, sem dúvida, as seguirão utilizando”. Como é de esperar em um trabalho dessa AULA ABERTA

envergadura, alguns temas são, aparentemente, mais atraentes que outros, ao menos inicialmente, o que faz com que leitores interessados tenham, como primeira atitude, a curiosidade nada censurável de consultar atentamente o sumário e, a partir daí, decidir por onde começar uma vasta exploração. Afinal, quase 1.200 páginas, numa obra literalmente de peso (pelo menos um quilo e meio), não podem ser vencidas de um fôlego só. E isso também faz com que essa obra possa ser lida quase como um livro de contos, com a diferença de que se trata de uma narrativa de realidade, não de ficção. O artigo seguinte à introdução, “Breve histórico do uso de drogas”, do historiador Henrique Carneiro, da USP, faz o que agora se convencionou chamar de “link” entre o escrito de Seibel e o seguinte, “Antropologia, aspectos sociais, culturais e ritualísticos”, de Edward MacRae. Antropólogo e bacharel em psicologia social pela Sussex University, em Brighton, no Reino Unido, MacRae remete considerações para o capítulo seguinte,“Neurobiologia da dependência de substâncias psicoativas”, de Maria Lucia Souza Formigoni e Karina Passa Abrahão, farmacologista e biomédica, ambas da Unifesp. Mas uma leitura não sequencial também traz surpresas, caso do artigo do trio Yuan-Pang Wang, Francisco Bevilacqua Guarnier e Laura Helena Silveira Guerra de Andrade, do HC-USP, em “Suicídio e dependências de substâncias psicoativas”. Aqui se fica sabendo, por exemplo, que, no Brasil, a taxa de suicídios no período 1980/2000 aumentou 21% e, em concordância com um perfil internacional, homens se matam entre 2,3 e 4 vezes mais que mulheres. Pessoas acima de 65 anos representam as maiores taxas de suicídio, atingindo 14 casos por 100 mil habitantes. O preocupante, no entanto, é que o grupo jovem, de 15 a 24 anos, é o que tem maior crescimento relativo, com aumento de 1.900%, para homens, entre 1980/2000, e 300% para mulheres. (U.C.) SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

15


ENTREVISTA

O COELHO

DE ALICE Professora paulista conta sua experiência na “olimpíada” dos sonhos dos físicos: um curso no centro do Grande Colisor de Hádrons Por Evanildo da Silveira

GLORIA: uma temporada subterrânea inesquecível

16

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

ARQUIVO PESSOAL

P

or volta da meia-noite do dia 12 de julho, a física paulista Maria da Gloria Martini, mestre pela Universidade de São Paulo em ciências na modalidade ensino de física, e hoje professora da disciplina no ensino médio do Colégio Móbile, teve uma experiência que nunca vai esquecer. Em férias com o marido em Berlim, na noite daquele dia ela estava sem sono por causa da diferença de cinco horas no fuso horário e resolveu ligar o computador. Pela internet, ficou sabendo que havia sido aprovada para um curso na Escola de Física, mantida por um dos maiores centros de pesquisa do mundo, o Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern), que abriga o Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês de Large Hadron Collider). A Escola de Física faz parte de um programa na área de educação desenvolvido pelo Cern e destinado a professores de diversos países da Europa, do qual constam visitas às suas instalações e laboratórios, além de cursos sobre tópicos de física, ministrados no idioma dos participantes. A presença de brasileiros na Escola de Física tem sido possível graças ao Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP), de Portugal, que coordena a participação dos professores do país e abre mão de algumas de suas vagas em favor do Brasil e de outros países de língua portuguesa. Neste ano, participaram do curso na Suíça, onde se localiza o Cern, além dos 45 professores portugueses, 20 professores brasileiros, e 5 africanos, de Moçambique, Angola, São Tomé e Príncipe e Cabo Verde. A comemoração de Glorinha, como é conhecida entre seus amigos e colegas e alunos do Colégio Móbile, foi com choro e pulos na cama, assustando seu marido que dormia. Sua emoção ao saber que estava aprovada tem razão de ser. “Para nós, físicos, passar uma temporada no Cern equivale a ser convocado para uma olimpíada”, compara. Autora de livros didáticos e atuando na formação de professores em órgãos governamentais e na iniciativa privada, Gloria foi um dos


IMAGEM DE ALICE: traçado representa a modelagem de dados simulados pelo detector do LHC que recebeu o nome do personagem de Lewis Carroll

© CERN

20 docentes brasileiros selecionados entre os 260 que se candidataram para participar da edição 2010 da Escola de Física, que ocorreu entre 5 e 10 de setembro. Na entrevista a seguir ela conta sua experiência no Cern. AULA ABERTA Como a senhora foi parar no Cern? Como foi escolhida? GLORIA A divulgação de que haveria a Escola de Física em Genebra e os critérios de escolha dos candidatos chegou a mim por intermédio de um e-mail da Sociedade Brasileira de Física (SBF), da qual sou associada. Desde o início interessei-me pelo projeto e expus minha intenção de participar à direção do Colégio Móbile. Houve um significativo incentivo por parte da escola para que eu me submetesse ao processo seletivo. Esse processo constou de um texto no qual eu deveria justificar meu desejo em participar, salientando a importância de uma oportunidade como essa no âmbito da minha prática em sala de aula, além de um projeto em que fossem descritas ações posteriores AULA ABERTA

à Escola de Física, visando a irradiação dos frutos de minha aprendizagem no Cern. AULA ABERTA O que a senhora sentiu quando soube que havia sido aprovada? GLORIA Minha alegria ao ler meu nome na lista dos escolhidos é indescritível. Pulando na cama, acordei meu marido aos gritos. Chorei. Para nós, físicos, passar uma temporada no Cern equivale a ser convocado para uma olimpíada. Programas de formação, essencialmente dirigidos a professores do Ensino Médio, são muito raros e por isso a seleção teve mais de 200 inscritos. Nesse sentido, a iniciativa da Secretaria de Ensino da SBF, que conta com o apoio do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), é louvável e deve ser valorizada. AULA ABERTA Como os seus alunos receberam a notícia de sua viagem? GLORIA Ficaram muito felizes. Eles tinham conhecimento sobre o LHC, o Cern etc. pois haviam feito uma atividade muito interessante sobre o início dos SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

17


DETALHE DE UM túnel do LHC: colisões ocorrem em quatro detectores

AULA ABERTA Como era a rotina no Cern? GLORIA Em meu dia a dia me sentia como o coelho da Alice no país das maravilhas. Sempre com a sensação de estar atrasada, de estar perdendo algo. Como o grupo brasileiro não ficou alojado no Cern e sim em Saint Genny, uma pequena cidade francesa a alguns quilômetros de distância, nos levantávamos bem cedo para pegar o ônibus, quase sempre enviado pelo Cern, para chegar a tempo de tomar o café da manhã no refeitório. AULA ABERTA O que há de especial nesse refeitório? GLORIA Esse lugar é outra das magias do Cern. Trata-se de um local enorme (com mais ou menos uns 800 lugares) onde, de repente, você pode estar na fila para pegar comida (maravilhosa, diga-se de passagem), e sua bandeja se chocar com outra que está nas mãos de algum Prêmio Nobel de Física. As mesas são coletivas, comportam mais ou menos 20 pessoas em cada uma e todos fazem as refeições juntos, do estudante ao Prêmio Nobel. Há uma efervescência ímpar no lugar.

AULA ABERTA E depois do café da manhã, quais eram as atividades? GLORIA Pela manhã, assistíamos às exposições teóricas. Almoçávamos, e na parte da tarde as aulas continuavam com atividades nos próprios locais onde estão os detectores ou os centros de controle ou mesmo os aceleradores. No turno da noite, nos encontrávamos novamente e, em grupos, fazíamos a revisão do que fora aprendido no dia. Devíamos, então, anotar nossas dúvidas e propor questões aos professores coordenadores da Escola de Física. Finalmente, voltávamos para Saint Genny e íamos dormir, exaustos, porém felizes. AULA ABERTA Aulas de que a senhora tinha? Quais os temas? GLORIA O curso tratava essencialmente de temas ligados à física das partículas. Começou com uma introdução sobre o chamado modelo padrão de constituição da matéria e sobre a visão dos cientistas hoje sobre o Universo. Estudamos os princípios de detecção de partículas e como se estabelecem as interações entre a matéria e a radiação em eventos que envolvem altas energias. Apresentaram-nos as vantagens que um acelerador como o LHC tem sobre os outros já construídos e quais são as funções e o princípio de funcionamento dos quatro detectores que estão no túnel do LHC, nos quais ocorrem as colisões entre os feixes de prótons acelerados. Além disso, tivemos noções sobre métodos estatísticos e sobre como são dispostos

© MAXIMILIEN BRICE/CERN

Em meu dia a dia me sentia como o coelho de Alice, com a impressão de estar sempre atrasada

trabalhos do LHC, em março deste ano, seguida de uma palestra com um físico da Unesp, colaborador do Cern. As aulas que antecederam a viagem eram repletas de perguntas sobre como estavam os preparativos para o grande dia. Eles acompanharam minha estada, pois entravam no blog que eu criei com esse intuito e deixavam recados.

18

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA


os sistemas de aquisição e seleção dos dados provenientes das colisões. AULA ABERTA Além do conhecimento científico propriamente dito, os professores tentavam passar algo mais, alguma mensagem, ideia? GLORIA Sim. Durante as aulas, insistiram conosco sobre a ideia de que o Cern deve ser visto como um centro de pesquisa que produz ciência para além do que pode representar o LHC. De fato, hoje sabemos que a construção e o funcionamento do LHC geram uma série de subprodutos incrivelmente avançados tecnologicamente, que em breve estarão em nossas casas. Um exemplo muito importante dessa ação indireta é a World Wide Web (www), desenvolvida no Cern, em 1989, e originalmente concebida para atender a necessidade de rápido compartilhamento de informações entre os cientistas que trabalhavam em diferentes universidades e institutos de todo o mundo.

© PATRICE LOÏEZ/PETER RAKOSY/LAURENT GUIRAUD/CERN

AULA ABERTA Quer dizer, as pesquisas realizadas vão além do objetivo de conhecer de que é feita a matéria, mas também geram novas tecnologias? GLORIA Sim. Vimos de que maneira as pesquisas sobre astropartículas contribuirão para desvendarmos os mistérios sobre os raios cósmicos e sobre a matéria escura. Mas soubemos também que há uma verdadeira fábrica de radioisótopos radioativos produzidos no acelerador Isolda, localizado no território do Cern. Esses radioisótopos são muito utilizados na medicina. É também nessa área em que a pesquisa com aceleradores tem grande aplicabilidade, pois a tecnologia desenvolvida contribui para a construção de aceleradores clínicos cada vez mais modernos. Com isso, o diagnóstico médico por imagens e o tratamento de enfermidades utilizando esses equipamentos têm avançado significativamente. AULA ABERTA Onde eram dadas as aulas? Nos laboratórios? Em outros locais? GLORIA As aulas da manhã eram dadas em uma sala de aula espaçosa, em formato de arquibancada, em um dos 574 prédios do complexo do Cern. As tardes eram reservadas para visitas às instalações e completavam os conteúdos da parte da manhã. Dessa maneira, as exposições AULA ABERTA

dos professores continuavam em locais tais como as salas de controle tanto do Cern quanto do Linac (Linear Acellerator) e nos prédios dos detetores Atlas (A Toroidal LHC Apparatus), CMS (Compact Muon Solenoid), Alice (A Large Ion Collider Experiment) e LHCb – Large Hadron Collider beauty), transformados em salas de aula. Em uma tarde, por exemplo, tivemos aulas no detector LHCb, responsável por averiguar as assimetrias entre matéria e antimatéria em nosso universo. Ao resolver esse mistério, o experimento do LHCb pretende explicar a origem da matéria tal qual a conhecemos hoje. Aliás, no limite, todos os detectores do LHC foram projetados para encontrar o bóson de Higgs, a partícula responsável pela aquisição de massa dos corpos. AULA ABERTA E os brasileiros, como se saíam nas aulas? GLORIA Muito bem. O grupo do Brasil estava superpreparado em relação ao conhecimento em física das partículas e isso se tornou evidente com o passar dos dias. Eram os brasileiros os primeiros a perguntar nas aulas e os últimos a abandonar os professores. Tive muito orgulho de minha formação acadêmica naqueles momentos. Conversava com meus companheiros e eles conheciam os conteúdos expostos, reconheciam o que devia ser perguntado e avaliavam com precisão os conteúdos das aulas. AULA ABERTA O que a senhora aprendeu nas aulas, no Cern, que poderá repassar aos seus alunos? GLORIA O curso é fantástico, ainda que se trate de um intensivo do qual não se pode perder um minuto. As aulas são muito didáticas e os professores dão conta de traçar um panorama muito esclarecedor sobre suas especialidades. O fato de ser possível acessarmos os slides das aulas após nosso retorno ao Brasil revelou-se, em meu caso, muito útil. De posse de minhas anotações, consigo rememorar com certa faciliSCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

19

FEIXES DE RAIOS passam pelos dutos do LHC: desvendar mistérios


AULA ABERTA Quantos professores a senhora teve? Quem eram eles? GLORIA Os professores que nos acompanharam são pesquisadores de reconhecida excelência na área de física das partículas. Aprendi muito e me sinto privilegiada por ter tido acesso a esse lugar e a essas pessoas Meus conhecimentos sobre os temas das aulas eram menos apurados quando os comparo aos que tenho hoje. Além disso, há especificidades sobre os métodos de detecção de partículas utilizados nos experimentos do LHC que me eram desconhecidos. AULA ABERTA De que países eram os professores? GLORIA Como se tratava de uma escola de física em língua portuguesa, tivemos aulas com professores oriundos de Portugal, parte deles vinculados ao Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP), cuja colaboração é expressiva nos projetos dos detectores, e outra parte composta por pesquisadores portugueses que atualmente trabalham diretamente nos experimentos ligados ao LHC. Tivemos aulas, por exemplo, com o professor Augusto Barroso, mestre português da física das partículas. Uma exposição simplesmente maravilhosa. Um privilégio aprender com uma pessoa que formou tantos pesquisadores do Cern e trabalhou no projeto do LHC e de seus detectores. Senti-me novamente uma garota que se apaixona pela sabedoria de seu professor. Foi tanto, que pedi uma foto com ele. TRAÇADO EXEMPLIFICA modelagem de dados do detector Atlas

AULA ABERTA Há muitos pesquisadores de Portugal no Cern? GLORIA A participação portuguesa no Cern é significativa. São 17 anos de trabalho e, hoje, há mais de 45 cientistas de Portugal vinculados ao projeto do LHC. O detector no qual a participação do país é mais expressiva, é o CMS, responsável pelo maior campo magnético do LHC. Ele foi projetado com a participação de 36 países e teve 2 mil 20

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

cientistas colaboradores. É nele que se imagina vai ser detectado o primeiro bóson de Higgs. Encontra-se, assim como os outros detetores, a 100 metros abaixo do solo, em uma caverna. E eu fui lá. Desci 100 metros abaixo do solo e cheguei bem pertinho dele. Foi algo indescritível. AULA ABERTA E do Brasil, há algum professor ou pesquisador lá? A senhora teve contato com algum deles? GLORIA O Brasil não é país membro do Cern por não estar localizado na Europa. No entanto, alguns cientistas brasileiros estão participando dos experimentos na condição de colaboradores. Eles estão vinculados ao CBPF, à Universidade do Rio de Janeiro (UERJ) e à Universidade Estadual Paulista (Unesp). Uma de nossas aulas foi dada pelo físico brasileiro Victor Oguri, professor da UERJ que passou algum tempo no Cern participando do projeto do CMS. AULA ABERTA Como é o ambiente no Cern, além dos laboratórios? GLORIA É um lugar singular. São quase 8 mil pessoas de todas as partes do mundo, empenhadas em fazer dar certo um experimento que promete mudar a história da ciência. Há um orgulho evidente de todos, do guarda da portaria ao chefe de equipe, por estarem participando de um fazer científico dessa envergadura. O ambiente é instigante porque nos revela como se podem aumentar as fronteiras do conhecimento por meio da colaboração entre pessoas de muitos lugares diferentes, como se produz pesquisa científica de qualidade, como se desenvolvem as tecnologias que usaremos no futuro, mas para além de tudo isso, com o tempo passamos a perceber que o Cern é o lugar onde a missão de formar os cientistas e engenheiros do futuro é, de fato, levada a sério. Há no Cern, hoje, cerca de 2 mil estudantes do mundo inteiro. Nem todos eles serão físicos experimentais, mas todos eles saberão o que é fazer ciência de verdade, tenho certeza. AULA ABERTA O Cern é um lugar onde se realizam pesquisas de ponta, com equipamentos caríssimos. Espalhou-se até o temor de que os experimentos lá realizados poderiam gerar um buraco negro que engoliria a Terra. Como é a segurança lá, muito rígida? GLORIA Nada disso. Ao contrário. Logo que AULA ABERTA

© CERN

dade o que ouvi nas aulas, relacionando o que escrevi com o que vejo nos slides.


PROFESSORA GLORIA ao lado da concepção artística que mostra o túnel do LHC percorrendo grande área subterrânea

ARQUIVO PESSOAL

chegamos, o chefe do programa da Escola de Física do Cern, o inglês Mick Storr, nos disse: “Não temos segredos no Cern. Tudo pode ser fotografado, não há espaços inacessíveis, não há pessoas com as quais não se possa falar”. Constatamos que é a mais pura verdade. Mesmo nas visitas aos centros de controle dos detectores, onde há um monte de cientistas trabalhando, a chegada de um grupo barulhento de portugueses, brasileiros e africanos parece não os incomodar. Eles nos recebem sorrindo e continuam trabalhando como se não estivéssemos lá. É uma situação totalmente distinta de tudo o que se pode imaginar em relação a um centro de pesquisa dessa magnitude. Não há lugar proibido para fotos, nem vetada a passagem, respeitando-se, evidentemente, aqueles em que nossa segurança corre risco. AULA ABERTA Deu para perceber como as pessoas que trabalham e pesquisam no Cern se sentem por estarem lá? GLORIA Sim. Sente-se por todos os cantos um desejo de que o mundo conheça o que se produz lá, o que as pesquisas no Cern têm a contribuir com a vida das pessoas, o que se desenvolve em relação ao conhecimento sobre física das partículas. O tempo todo nos dizem: “O Cern não é só o LHC”. Hoje posso dizer com segurança: não é mesmo. Prova disso são os cerca de 2 mil estudantes do mundo todo que convivem naquele lugar na expectativa de serem formados AULA ABERTA

como os cientistas do futuro. Há uma profusão indescritível de juventude, de inteligência, de esforço, de orgulho. É tão bonita essa maneira de se relacionar com o conhecimento científico que ela termina por nos emocionar. AULA ABERTA Em resumo, foi uma experiência enriquecedora para a senhora. Valeu a pena? GLORIA Muito. No último dia de curso, tive vontade de começar tudo outra vez. Foram tantas informações, tantos estímulos, tantas imagens que é impossível passar um dia, desde o final da escola de física, sem que essas lembranças não penetrem no meu cotidiano. Por causa disso, resta uma sensação de não ter aproveitado tudo, de não ter aprendido tudo. Impossível, no entanto, em tão pouco tempo, compreender mais. É preciso voltar ao Brasil e estudar, estudar. Entro no site do Cern pelo menos duas vezes por semana. Procuro novidades, aulas de outras escolas de física, filmes etc. Modos de estabelecer uma rede de conhecimento cada vez mais ampla que faça sentido e possa ser transmitida. Se a intenção do curso era despertar, nos professores, o desejo de conhecer mais ou retomar seus estudos sobre a física das partículas, de acompanhar mais de perto as atividades do Cern, de ambicionar que nossos alunos se aproximem com propriedade dos conteúdos relacionados aos experimentos no LHC, posso afirmar, que no meu caso, esses objetivos foram plenamente alcançados. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

21

Não há segredos no Cern, nem espaços inacessíveis: tudo pode ser fotografado


ASTRONOMIA

GALÁXIAS, as cidades cósmicas Estruturas que Kant chamou de “universos-ilhas” podem reunir bilhões de estrelas, como a Via Láctea Por Ulisses Capozzoli


IMAGENS: NASA

N

uma dessas noites escuras, especialmente no inverno, quando as nuvens são mais raras, a observação do céu de um sítio fora da iluminação urbana permite identificar estrelas até a magnitude 5 a olho nu. Ao longo de todo o ano, à medida que a Terra se desloca em torno do Sol e as constelações vão desfilando pelo hemisfério noturno do planeta, é possível contar por volta de 6 mil estrelas visíveis a olho nu. À primeira vista pode parecer um número significativo, mas a verdade é que o corpo da Galáxia, a Via Láctea, a que elas pertencem e onde se situa também o Sistema Solar, reúne pelo menos 200 bilhões de estrelas. Mas o que é a Via Láctea e o que são as galáxias como um todo? Por surpreendente que possa parecer, as respostas a uma pergunta como essa só começaram a ser obtidas mais recentemente, ainda que, em 1755, o filósofo alemão Emmanuel Kant (1724-1804) tenha tido uma concepção que se mostrou consistente sobre essas estruturas. Em Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (História geral da Natureza e teoria do céu) Kant propôs que não apenas o Sistema Solar se formou de uma grande nuvem de gás concentrada em uma nebulosa como antecipou que a Via Láctea é composta por um grande número de estrelas que batizou de “universo-ilha”. Para ter uma ideia aproximada da concepção de Kant, imagine uma grande nuvem de vaga-lumes deslocando-se numa noite escura, com a diferença de que cada um deles é uma estrela e em número muito mais elevado que os pirilampos de nossa nuvem hipotética.As galáxias também se deslocam pela estrutura do espaço-tempo tanto por suas dinâmicas próprias quanto pela expansão do Universo. M Mesmo que Kant tenha feito a proposição de seu conceito de “universo-ilha” em meados do sécul 18, demorou um bom tempo para essas estruturas serem aceitas como realidade. E a priséculo meira dificuldade neste sentido se deveu à capacidade limitada dos telescópios então disponíveis. Mas mesmo quando as “nebulosas” começaram a ser observadas a situação não ficou suficienteme clara. Afinal, o que é uma nebulosa? Essa também é outra das respostas que só ficaram temente sufici cientemente esclarecidas há relativamente pouco tempo. E aqui mais uma vez é conveniente recor recorrermos a uma segunda obra capaz de oferecer inteligibilidade nessa investigação. E 1936 o astrônomo americano Edwin P. Hubble (1889-1953) publicou um dos trabalhos Em cláss clássicos na história da cosmologia: The realm of the nebulae (O reino das nebulosas) onde demonstra que o Universo exibe um enorme número de galáxias, algumas delas parecidas com a nossa, a Via Láctea, e outras muito diferentes. Curiosamente, no entanto, o título que hoje tenderia a ser O reino das galáxias, em lugar de O reino das nebulosas, manteve uma concepção difusa de uma época ligeiramente anterior, quando nebulosas se confundiam com galáxias. Mas, o que são exatamente nebulosas? Agora, não apenas pelo desenvolvimento teórico, mas também pelas evidências observacionais, sabemos que galáxias e nebulosas são objetos, ou, como dizem os astrônomos, “animais do zoológico cósmico”, completamente distintos. Nebulosas, na interpretação atual, são grandes nuvens de matéria interestelar, especialmente gases e poeira, de aspecto e composição variados. Quando esse material (gás e poeira) pode ser observado, porque refletem a luz de estrelas próximas, temos uma nebulosa de reflexão. Mas existem também as chamadas nebulosas planetária que se mostram como um enorme envoltório gasoso em torno de uma estrela pequena e muito quente, uma anã branca. Esse é o destino

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

23

GALÁXIAS EM COLISÃO formam NGC 3256, parte do vasto superaglomerado de galáxias de Hydra-Centaurus, a 100 milhões de anos-luz. Em choques galácticos, estrelas que formam os diferentes corpos praticamente não se chocam entre si, devido às enormes distâncias que as separam. Mas pressão do gás e poeira produzida pela interação estimula um pipocar de novas estrelas.


de nosso sol próximo ao final de sua evolução e depois que mesmo a Terra tiver sido calcinada por sua expansão sob a forma de uma gigante vermelha, em alguns bilhões de anos no futuro. E existem, também, as nebulosas escuras, grandes nuvens de gás e poeira que fazem a obstrução da luz de estrelas e outros objetos luminosos do fundo do céu para observadores da Terra, como é o caso da Nebulosa do Saco do Carvão, próximo ao Cruzeiro do Sul. Essa estrutura pode ser vista nitidamente a olho nu numa noite de observação astronômica favorável. Uma busca com uso de binóculo pode revelar aos olhos de um observador uma enorme variedade desses “animais”, caso da Nebulosa do Órion (M42, ou NGC 1976), uma nebulosa difusa localizada no interior da constelação de mesmo nome, um berçário estelar com estrelas recém-nascidas com idade em torno de 10 mil anos. Ou, no interior da constelação do Touro, mas visível apenas com auxílio de telescópio, a fascinante Nebulosa do Caranguejo, restos de uma estrela de grande massa que explodiu sob a forma de supernova no ano de 1054. Essa nuvem que se expande ainda hoje à velocidade de 7 milhões de km/h um dia começará a ser retalhada por efeito de explosão de outras estrelas e então mais uma vez deverá entrar em colapso para formar novas estrelas, planetas, cometas e formas de vida, segundo a teoria da evolução estelar. Como as nebulosas, as galáxias têm uma enorme variedade de formas. Com a diferença básica de que são formadas quase sempre

por bilhões de estrelas, ainda que algumas delas, bem menores, possam não reunir uma população tão elevada. É o caso da Pequena e da Grande Nuvem de Magalhães, também nas proximidades do Cruzeiro do Sul, que são as galáxias-satélites mais próximas, em torno de 180 mil anos-luz do Sistema Solar. As galáxias, enquanto criaturas do zoológico cósmico, têm uma característica comum que é a sociabilidade, o que significa dizer que raramente estão isoladas. Ao contrário disso, as galáxias se ajuntam em aglomerados e superaglomerados, dançando no vasto salão cósmico sob efeito da gravidade, o que inclui a presença da chamada matéria escura. Essa substância não interage com a luz e exatamente por isso não é visível aos telescópios. Mas sabemos que ela está presente pelo efeito gravitacional que exerce sobre os corpos galácticos, entre outros. Para entender essa situação leve em conta, por exemplo, uma roda d’água. Rodas d’água, que movimentaram moinhos e outras instalações no passado, na ausência da energia elétrica, têm velocidade de rotação relacionada fundamentalmente ao volume de água que as aciona. Assim, se um pequeno jato d’água produz uma rotação significativa numa roda d’água, instintivamente consideramos que o mecanismo deve ter outra fonte de alimentação além do fraco jato observado. Com relação ao dinamismo galáctico acontece algo parecido, o que faz os astrônomos levar em conta a presença de uma matéria que está sujeita aos efeitos da gravidade, ainda que não

GALÁXIA DE ANDRÔMEDA, observada em infravermelho em imagem do satélite Wise. À distância de 3,29 milhões de anos-luz, um dia ela irá se chocar com a Via Láctea formando um corpo único no céu.

24

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA


interaja com a luz e possa ser observada como a matéria convencional, chamada matéria bariônica, que forma o mundo como conhecemos. O primeiro trabalho envolvendo a classificação de galáxias, quando já estava suficientemente evidenciado que elas não se confundiam com as nebulosas, foi feito também por Edwin P. Hubble, astrônomo famoso, literalmente uma estrela de primeira grandeza de sua época. O critério levado em conta por Hubble para classificação galáctica foi de natureza morfológica, ou seja, baseado em suas formas, uma referência que continua fundamental na astronomia moderna. Hubble estabeleceu quatro tipos básicos de galáxias conhecidos ainda hoje: as galáxias elípticas, as lenticulares, as espirais e as irregulares. O pressuposto na base dessa classificação é que essas formas representariam estágios de evolução da vida galáctica. Aqui vamos destacar que as espirais podem ser tanto barradas quanto não barradas. A Via Láctea, na década passada, foi reclassificada para espiral barrada, em contraponto à interpretação anterior de que seria uma não barrada. Uma espiral barrada, além de seus braços inconfundíveis, lembrando um gigantesco polvo cósmico luminoso com seus tentáculos ligeiramente curvados, tem em seu núcleo uma estrutura estelar em forma de barra luminosa em cujo interior deve alojar-se um gigantesco buraco negro. A hipóte se inicial de Hubble levou em conta que as galáxias elípticas eram uma espécie de progenitoras que levaria posteriormente às elípticas. Depois disso, muitos astrônomos defenderam que essa evolução envolveria choque entre galáxias, como a que prevê a fusão em um único corpo do que hoje são a Via Láctea e Andrômeda. A hipótese de galáxias elípticas como progenitoras acabou rejeitada depois, mas deixou “marcas” na astronomia galáctica. Classificações mais refinadas envolvendo as galáxias foram produzidas posteriormente com a colaboração significativa de astrônomos como o americano Allan Sandage, discípulo de Hubble e uma espécie de “astrônomo dos astrônomos”, como ocorreu com Hubble. Sandage teve a companhia do astrônomo francês Gérard Henri de Vaucouleurs (1918-1995). Ainda pela classificação inicial de Hubble, as AULA ABERTA

chamadas galáxias lenticulares são um elo intermediário entre uma galáxia elíptica e uma espiral. Já as irregulares, que têm esse nome por suas formas irregulares, seriam esculpidas tanto por ação de seus núcleos poderosamente explosivos quanto pelo efeito maré, ou seja, atração gravitacional acentuada, exercida por galáxias vizinhas, como é o caso das Nuvens de Magalhães, que estão sendo canibalizadas pela Via Láctea. Uma leitura dos artigos publicados pela imprensa diária sugere uma diversidade de outras referências a galáxias, como galáxia de Markarian, galáxia ativas ou explosiva ou ainda galáxia Syfert, além de radiogaláxia. A galáxia de Markarian é um tipo galáctico especial descoberta pelo astrônomo russo Benjamim E. Markarian (1913-1985) com excesso de radiação ultravioleta no espectro de sua emissão, o que sugere a ocorrência de fenômenos violentos em seu núcleo. A galáxia Markarian 231 é, supostamente, uma das mais luminosas, talvez a mais luminosa conhecida, dependendo da exatidão de sua distância, estabelecida de acordo com a Lei de Hubble. Quanto às galáxias ativas ou Seyfert, tratase de estruturas muito luminosas que somam 1% em média de todas as galáxias. Já as radiogaláxias, como seu nome sugere, emitem intensamente no comprimento de onda de rádio do espectro eletromagnético, em vez da luz visível, por exemplo. Uma galáxia normal costuma emitir 10 mil vezes mais na luz visível que na frequência de rádio do espectro eletromagnético, energia emitida por todos os corpos: de galáxias a pessoas, plantas e animais. As radiogaláxias são mais comuns entre as galáxias elípticas gigantes, que exibem particularidades morfológicas, como faixa de poeira ou jatos de emissão. Quando Kant, um filósofo que nunca saiu de sua cidade natal, concebeu as galáxias como “universos-ilha”, certamente estava convicto de sua proposição. Mas talvez nunca tenha se aventurado a considerar as diversidades, formas e características que elas exibem no vasto e expansivo salão do Universo.

Ulisses Capozzoli é editor-chefe de SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

25

RADIOGALÁXIA DE CENTAURUS A, ou NGC 5128, opticamente parece uma galáxia elíptica normal, atravessada por densas colunas de gás e poeira, a 10 milhões de anos-luz de distância.


MOVIMENTOS GRAVITACIONAIS DE MASSA,

FÍSICA

TRAGÉDIAS Chuvas torrenciais em áreas de ocupação indevida, associadas a outros processos de desequilíbrio ambiental, levam a desastres que podem ser evitados na maior parte dos casos, mas ainda produzem mortes e prejuízos materiais

CONCEITO

FENÔMENOS NATURAIS São acontecimentos não artificiais, ou seja, que ocorrem sem a intervenção humana, influenciando a vida humana que a eles está sujeita. Podem ser desde uma gota de chuva até um furacão. CONCEITO

AVALANCHE Grande quantidade de massa de terra, neve, gelo e pedras, que desliza rapidamente montanha abaixo.

O

roteiro é conhecido. De repente, toneladas de solo, rochas e troncos de árvores, acompanhados do som que lembra um trovão, deslizam morro abaixo. Pelo caminho, arrasam construções, soterrando e matando pessoas e animais. A repetição dessas catástrofes no Brasil, durante o verão, parece sempre uma tragédia anunciada. As autoridades, pegas de surpresa, atiram a responsabilidade sobre os próprios fenômenos naturais, como se a chuva fosse algo anormal ou as rochas do morro estivessem todas carregadas de uma estranha má intenção. Os cidadãos, enlutados e estupefatos, perguntam se essas tragédias poderiam ter sido evitadas e como isso pode ser feito. Os movimentos de terra e solo que todos os anos provocam desastres nas cidades brasileiras fazem parte de um tipo de fenômenos naturais denominados movimentos gravitacionais de massa. Esses movimentos caracterizam-se pela dissipação de significativa quantidade de energia e pelo deslocamento de grandes massas de materiais terrestres, como rochas, solo, e por vezes troncos de árvores, sob a ação da gravidade. Os movimentos gravitacionais de massa têm geometrias, volumes e velocidades muito 26

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

distintos entre si. Alguns tipos, como as quedas de blocos ou avalanches, são extremamente rápidos. Outros, como os rastejos, apresentam movimentos da ordem de centímetros por ano. Numa paisagem serrana qualquer do sul-sudeste do Brasil, enxergamos a princípio somente árvores, pedras e solo. Mas, longe de ser estática, essa paisagem está sofrendo a ação de forças tectônicas, que criam o relevo, e está sob a ação de diferentes agentes geológicos, como a água, o vento e os organismos vivos, que a modelam. A paisagem é o resultado desse somatório de processos no tempo. A formação de solos é mais intensa em climas tropicais quando as elevadas temperaturas e as precipitações atmosféricas fazem com que as rochas sejam mais facilmente decompostas e desagregadas, num processo denominado intemperismo. O principal produto do intemperismo é a formação de uma espessa capa de material desagregado e poroso, que contém desde finas partículas até blocos parcialmente decompostos de rocha. Essa capa é denominada regolito, ou manto de intemperismo. O regolito é composto por saprolito, a rocha total ou parcialmente decomposta, e pelo solum, que é o solo propriamente dito. AULA ABERTA

© GABRIEL LOPES/AFP

Por Jefferson Picanço


DO VERÃO

Excesso de chuva em área de ocupação de risco soterrou pousada e residências na enseada do Bananal, Ilha Grande, em Angra dos Reis, na passagem de 2009 para 2010. Desconsideração a normas técnicas produziu vítimas em outras regiões do Brasil ao longo do verão

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

27


TERRA EM TRANSE Desenho esquemático de um escorregamento. Fonte: ABNT

Corrida de lama, com a indicação dos elementos que a constituem. Fonte: Skinner & Porter (2003)

EROSÃO Desgaste e/ou arrastamento do solo e das rochas, em geral pela ação da água da chuva, derretimento de gelo e subsequente infiltração de água ou pelo vento, provocando alterações no relevo. CONCEITO

ROCHAS CRISTALINAS Formadas por compactação, são rochas magmáticas ou metamórficas que possuem uma estrutura molecular ordenada. Formando uma fina camada superficial, cobrem 75% da superfície terrestre. CONCEITO

TÁLUS Fragmento rochoso de tamanho e forma variáveis que se acumula nas encostas e seus pés, provenientes de material intemperizado e transportado pela ação da gravidade.

Em encostas íngremes, as águas escoam mais rapidamente, sem contato com as rochas por tempo suficiente para intemperizá-las, transformando-as em regolito. O pouco regolito formado em vertentes íngremes, quando atinge determinadas espessuras críticas para sua estabilidade, desloca-se vertente abaixo por erosão ou na forma de movimentos de massa. Por isso, o solo em áreas íngremes é menos espesso e pouco evoluído, ou mesmo inexistente. A porção superior dessa vertente será então um maciço de pedra com algumas árvores isoladas, nos trechos onde o solo consegue se formar. Os morros tipo Pão de Açúcar, que modelam espetacularmente a paisagem do Rio de Janeiro e de outras regiões de serra, representam o estágio de maturidade de paisagens tropicais com vertentes íngremes sustentadas por rochas cristalinas, como gnaisses ou granitos. O regolito, nessas áreas de alta declividade, terá sido sucessivamente deslocado por movimentos de massa e pelos rios para a base das vertentes, na forma de uma mistura caótica de blocos de rocha e solo. Esses depósitos não consolidados são denominados tálus. Como se trata de um material ainda inconsistente, o tálus é instável e pode facilmente ser instabilizado, provocando outros movimentos de massa. Em muitas áreas urbanas, são comuns os acidentes com movimentação gravitacional de massa em depósitos de tálus instabilizados pela ação humana. As partículas de solo e blocos de rocha, numa encosta natural, sofrem a ação de dois conjuntos 28

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

distintos de forças: as solicitantes e as resistentes. As forças solicitantes induzem o movimento das partículas encosta abaixo, paralelo à encosta, enquanto as forças resistentes se opõem a esse movimento. As principais forças resistentes ao movimento são a coesão interna entre as partículas e a resistência friccional entre os blocos de rocha e o solo. A gravidade é uma das principais forças solicitantes. Num bloco de rocha qualquer numa vertente, a gravidade pode ser dividida em dois componentes: o perpendicular da gravidade atua em ângulo reto com a vertente e tende a manter o bloco de rocha onde está. Já o componente tangencial atua paralelamente à vertente e tende a movimentar o bloco de rocha para baixo. A inclinação da vertente também é importante, pois vertentes mais inclinadas apresentam maior componente tangencial da gravidade que as de menor inclinação. A estabilidade de uma dada vertente é, portanto, o resultado da interação entre as forças solicitantes e as forças resistentes. Quando as forças resistentes excedem as solicitantes, a vertente é considerada muito estável. Porém, sob a ação de determinados processos, a perda de coesão é tão forte que as resistentes tornam-se menores que as solicitantes. Nesse caso, a vertente pode ser instabilizada a qualquer momento. Uma das causas mais importantes que levam à perda de coesão e consequente ruptura de um material de encosta é a presença de água. E é fácil entender a razão disso. Quem já construiu um castelo de areia na praia sabe que, quando seca, a areia é instável e diAULA ABERTA

ILUSTRAÇÕES ERIKA ONODERA

CONCEITO


Fortes chuvas também provocaram deslizamento de terra em área florestada na localidade de Ilhota, a 112 km de Florianópolis, em novembro de 2008

Área de risco em Angra dos Reis (acima) teve 3 mil moradias condenadas após deslizamentos em janeiro passado

© ROOSEWELT PINHEIROS/ABR (FOTO ANGRA DOS REIS); MARCO GAMBORGI/MAFALDA PRESS/FOLHAPRESS (FOTO ILHOTA)

CONCEITO

fícil de moldar. Quando umedecida, no entanto, a força de atração capilar entre os grãos e os poros cheios de água torna a areia passível de ser moldada. Se, no entanto, for acrescentado excesso de água, a areia fica saturada e perde a coesão. Torna-se fluida. A água também pode estar presente em fendas e trincas do solo. Por vezes, a superfície de contato do regolito com a rocha íntegra funciona como um armazenador da água que não consegue se infiltrar. Essa superfície saturada cria um verdadeiro colchão de água na encosta, que perde sua coesão e desliza como um veículo em aquaplanagem quando seu condutor perde o controle. Outros fatores importantes a serem levados em conta na estabilidade de vertentes são a forma das encostas, a natureza da cobertura vegetal e as características dos diferentes tipos de solos e de rochas. Dependendo das condições gerais de estabilidades de uma encosta, movimentos de massa podem ser iniciados por abalos sísmicos naturais ou induzidos por ações humanas.

DIVERSIDADE DE PROCESSOS Os processos de movimentos gravitacionais de massa mais rápidos e catastróficos são as quedas, escorregamentos e deslizamentos e os fluxos de terra e lama, com velocidades em metros/dia ou mesmo em quilômetros por hora. Os fenômenos mais espetaculares e potencialmente perigosos são as quedas de materiais, caracterizadas por episódios de queda livre de maciços de rocha ou de fragmentos de rocha e de solo. As quedas ocorrem AULA ABERTA

em áreas com grande inclinação, como escarpas. Escorregamentos são rupturas que deslocam massas coerentes de rocha, de solo ou ambos. Apresentam dois tipos principais: os escorregamentos cuja superfície de separação é plana, ou planares, e os com superfície de separação curva, ou escorregamentos rotacionais. Em função da rotação sofrida, o topo do material escorregado apresenta, frequentemente, uma inclinação contrária à vertente. Já os deslizamentos são rupturas de rocha e/ou solo, em que o material deslizado não tem coerência interna, formando agregados caóticos. Os movimentos gravitacionais de fluxo reúnem misturas densas de sedimentos, água e ar, sob a ação da gravidade. Podem também ser chamados de corridas de detritos, de terra, ou lama, dependendo do tipo de material envolvido. As corridas, dependendo da proporção água/sedimento, podem ter a consistência de cimento fresco, ou de uma sopa espessa. Com frequência são misturas tão densas que podem transportar enormes blocos de rocha. Os fluxos também têm velocidades de deslocamentos que variam de metros/ ano a quilômetros por hora. Muitas vezes ocorrem associados a escorregamentos e deslizamentos, e podem ser mobilizados ao longo de canais. O rastejo é um movimento gravitacional de massa muito lento, da ordem de centímetros por ano. As velocidades de escoamento são mais rápidas em superfície e decrescentes com a profundidade. O rastejo movimenta solo e rocha, e esse deslocamento pode ser constante, sazonal ou intermitente. O reconhecimento de encostas sob ação de rastejo se dá pela SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

29

ESCARPAS Uma forma de relevo caracterizada por uma elevação aguda formando um penhasco ou encosta íngreme. Geralmente resultam da erosão diferencial de rochas cristalinas ou pelo movimento vertical da crosta terrestre ao longo de uma falha geológica. CONCEITO

ESCORREGAMENTOS ROTACIONAIS Movimentação de terra comum em grandes rochas, causado pelo próprio peso, no qual o centro de gravidade efetua um movimento de rotação em torno do ponto de contato com o solo. CONCEITO

AQUAPLANAGEM É um fenômeno que ocorre em veículos quando, ao passar sobre uma lâmina de água, os pneus perdem o contato com a pista.


CONCEITO

COLÚVIO Material formado com fragmentos ou detritos provenientes de regiões mais elevadas do relevo, transportado em conjunto por escoamento superficial ou pela ação da gravidade ao longo da encosta e depositado nas regiões mais baixas.

CONCEITO

TALUDE Superfície inclinada; vertente produzida pela ação humana que, geralmente, tem por objetivo limitar um aterro.

CONCEITO

ENCOSTA Nome genérico de todas as superfícies inclinadas que delimitam as áreas elevadas do relevo. Também são conhecidas como vertente ou talude.

O AUTOR Jefferson Picanço, geólogo formado pela UFPR (1989), tem mestrado (1994) e doutorado (2000) pela Universidade de São Paulo (USP). Trabalha com mapeamento geológico aplicado à exploração mineral e com geologia aplicada à engenharia. Também desenvolve pesquisas sobre a história das ciências geológicas no Brasil colonial.

observação de algumas feições características, como árvores tortas no sentido da vertente, tombamento de muros, trincas no solo. É comum o truncamento e o dobramento de camadas de rocha no sentido da vertente. Os processos de rastejo formam na base das vertentes depósitos de materiais incoerentes e pobremente selecionados, os colúvios. A ocorrência de rastejo numa vertente é uma clara indicação de sua instabilidade, com maior probabilidade de ocorrem outros tipos de movimentos de massa. A identificação do rastejo é importante na prevenção de movimentos de massa mais rápidos e potencialmente mais perigosos. Nas cidades litorâneas brasileiras o processo de urbanização desde o fim do século 19 levou a uma ocupação intensiva, muitas vezes descontrolada, das áreas de encosta. Nas grandes cidades, os loteamentos populares começaram a surgir na década de 40, tendo progressivamente se espalhado para a periferia. Na década de 70 essas áreas se adensaram e começou-se a ocupar porções ainda remanescentes, situadas em encostas, que passam também a ser loteadas e comercializadas a preços convidativos, atraindo justamente parcelas de população de menor poder aquisitivo. As favelas que se instalam ao longo de todo esse período, por exemplo, estão quase sempre situadas em áreas de risco. A precariedade das construções e a ausência de preocupação com acidentes tornam essas áreas extremamente suscetíveis a movimentações de massa. Os impactos dessa urbanização se refletem inicialmente na retirada de vegetação, com alteração do ambiente natural. As ocupações com lotes de tamanho reduzido, por exemplo, diminuem em muito a área vegetada da encosta, tornando-a ainda mais suscetível à erosão e a movimentos de massa. A execução de cortes no terreno, tanto para construção quanto para regularização do traçado das vias, gera taludes artificiais frequentemente instáveis. Os cortes levam à exposição de solos naturalmente instáveis, como os tálus e colúvios, originalmente situados em camadas mais profundas, e mais suscetíveis a um ou mais processos de instabilização mencionados. Aterros em encostas urbanizadas são importantes desencadeadores de movimentações de massa. É frequente nessas áreas a deposição de lixo e/ou entulho nas encostas, materiais em geral muito porosos e que originam sobrecargas capazes de induzir movimentos de massa catastróficos. A urbanização também promove a alteração do regime natural de escoamento e infiltração 30

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

de águas pluviais, originando quase sempre fluxos e lançamentos concentrados de água. A introdução de novas fontes de águas superficiais e subsuperficiais associadas a redes de água e de esgotos com vazamentos e a fossas negras e sépticas produz outros impactos importantes na dinâmica das encostas, aumentando a carga no solo e diminuindo as pressões neutras, favorecendo as movimentações de massa.

INSTRUMENTOS DE PREVENÇÃO Frente às situações catastróficas que ocorrem nessas áreas, a engenharia geotécnica e a geologia de engenharia desenvolveram muitas respostas técnicas para equacionar esses problemas nas cidades brasileiras. Entre esses instrumentos estão a cartografia geotécnica, cartas de risco e planos de defesa civil. As cartas geotécnicas são mapas que compartimentam o meio físico de uma região, de acordo com as características do solo. O mapeamento oferece um perfil geral de métodos a adotar na ocupação de uma área de encosta, para que se garantam condições de segurança geotécnica e de adequação ambiental. Esses mapeamentos procuram avaliar e retratar as características do meio físico, ou seja, os diferentes tipos de solo e rocha. Também e principalmente buscam prever seus possíveis comportamentos frente às diferentes formas de cobertura vegetal, uso do solo e processos induzidos pelo homem. Em 1966 foi fundado, no Rio de Janeiro, o Instituto de Geotécnica (atual GeoRio), que cui-

ESTRADA DO CONTORNO, em Angra dos Reis, foi completamente bloqueada por várias quedas de barreiras e rolamento de rochas em 31 de dezembro de 2009 e10 de janeiro de 2010 AULA ABERTA


ROOSEWELT PINHEIRO/ABR (FOTO ESTRADA DO CONTORNO); © MARCELO XIMENEZ/FOLHA IMAGEM (LIXO ACUMULADO)

da das áreas de encosta no estado. O primeiro mapeamento geotécnico foi a Carta Geotécnica de Santos e São Vicente (1979), realizado pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT). Hoje, a cartografia geotécnica é um instrumento muito usado nas principais cidades do país. Com a carta geotécnica é possível executar o zoneamento de risco. O risco geológico é definido como uma situação de perigo, perda ou dano, ao homem ou suas propriedades, em razão da existência de processos geológicos induzidos ou não. Assim, por exemplo, um escorregamento de grandes proporções que ocorra numa área desabitada apresenta um risco menor que o mesmo fenômeno, em dimensões mais reduzidas, mas que tenha maior probabilidade de causar danos materiais ou em vidas. O mapa de riscos fornece informações sobre intensidade e probabilidade temporal e espacial dos eventos perigosos. Representa uma avaliação dos riscos presentes, incluindo o histórico dos efeitos dos desastres e a estimativa de sua provável evolução, frente às mudanças registradas nas comunidades que afetam, como o crescimento populacional e incremento do patrimônio. A partir do zoneamento de risco, são desenvolvidos os planos de defesa civil, um conjunto de medidas e ações capazes de minimizar os efeitos dos acidentes, envolvendo medidas de organização da comunidade e definição de infraestrutura específica para atender situações emergenciais. Além das situações emergenciais é preciso que técnicos e comunidades estejam em alerta para que se possa conhecer, ainda que de maneira aproximada, o momento e os locais prováveis de deflagração dos movimentos de massa catastróficos. Também é necessário controlar novas ocupações em áreas expostas a riscos, assegurando-se que novas construções sejam resistentes aos fenômenos. E, finalmente, ter programas para reformar as ocupações existentes, aumentando a cultura sobre riscos e criando ou reforçando as estruturas das moradias frente aos fenômenos que ocorrem em encostas.

DIFICULDADES Mas são muitas as dificuldades para implementar planos dessa natureza. A pressão por moradias nas cidades faz com que as populações mais pobres busquem construir em áreas de risco. O corpo técnico de prefeituras e governos estaduais sabe muito bem que, sempre que uma área de risco é desocupada e seus habitantes AULA ABERTA

transferidos para regiões mais seguras, elas são reocupadas por outras pessoas, desprovidas de abrigo. A pressão, frequentemente, é tão grande que, por conveniências políticas, o próprio poder público permite essas iniciativas de alto risco. A legislação brasileira que se refere à ocupação de encostas é definida por leis ambientais que disciplinam o uso do solo urbano. As encostas estão incluídas nas leis ambientais, muitas vezes em áreas sob proteção ambiental, com variadas restrições à ocupação, ou simplesmente como áreas de ocupação proibida. A experiência mostra que a proibição pura e simples, sem mecanismos compensatórios, faz com que os próprios donos de terreno ou políticos populistas facilitem as invasões e ocupações de áreas ambientalmente sensíveis. Em contraposição, a ausência de fiscalização proporcional à criação dessas áreas de proteção ambiental faz com que essas reservas sejam simplesmente ocupadas, à margem de qualquer lei, tanto por moradores de alta quanto de baixa renda. Outra das dificuldades mais comuns é tornar efetivos os resultados do mapeamento geotécnico e da carta de riscos. Muitas vezes estes documentos ficam engavetados, esperando por recursos financeiros e por políticas adequadas. As administrações com frequência não compreendem que o mapeamento geotécnico não é uma obra acabada, mas deve ser continuamente refeito e aperfeiçoado, o que pressupõe a existência de equipes técnicas estáveis cuidando desse problema. Infelizmente, quase sempre é necessária uma temporada de chuvas mais intensas, acompanhadas de catástrofes previsíveis, para que mapas e projetos sejam desengavetados. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

31

LIXO ACUMULADO nos fundos de favela em São Paulo por falta de serviços básicos fragiliza a estabilidade do solo com riscos geológicos

PARA CONHECER MAIS Dynamic earth: an introduction to physical geology. B. Skinner e S. J. Porter. John Wiley, 2003. Ocupação de encostas em São Paulo. M. A. Cunha (coord.). Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, 1991. Geologia de engenharia. A.M. Oliveira e S. N. Brito (edits.). ABGE, 1998.

CORREÇÃO Por um problema de desformatação de texto, os números da página 33 da edição 4 de Aula Aberta saíram errados. O modo correto é: (variação de 10-19m a 1024m), (7 trilhões de eletronvolts = 7x1012 eV) e eV = 1.602 x 10-19 J.


PARA O PROFESSOR ▼ Conteúdos

PROPOSTAS PEDAGÓGICAS

• Forças gravitacionais • Centro de gravidade • Equilíbrio e desequilíbrio de forças • Formação de relevo • Impacto ambiental • Ocupação do espaço • Territorialização, urbanização • Políticas públicas

O artigo contempla conceitos de diferentes áreas numa perspectiva multidisciplinar, com uma abordagem crítica dos fenômenos da natureza, além de situar a atividade humana nos processos de ocupação e transformação do espaço. Um aspecto importante é a importância dos trabalhos realizados por geólogos, geógrafos e geofísicos no levantamento de dados e propostas de ações que deveriam nortear as políticas públicas relacionadas às áreas de risco.

trabalhadas segundo a matriz de referência do Enem • Avaliar impactos em ambientes naturais decorrentes de atividades sociais ou econômicas, considerando interesses contraditórios. • Avaliar, métodos, processos ou procedimentos das ciências naturais que contribuam para diagnosticar ou solucionar problemas de ordem social, econômica ou ambiental. • Caracterizar causas ou efeitos dos movimentos de partículas, substâncias e objetos. • Identificar em fontes diversas o processo de ocupação dos meios físicos e as relações da vida humana com a paisagem. • Analisar de maneira crítica as interações da sociedade com o meio físico, levando em consideração aspectos históricos e (ou) geográficos. • Avaliar criticamente conflitos culturais, sociais, políticos, econômicos ou ambientais ao longo da história. 32

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

▼ Atividades propostas

Solicitar que os alunos façam uma pesquisa sobre o que é relevo e respectivos agentes erosivos. É importante que levantem hipóteses sobre a forma como esses agentes atuam, relacionando-os com os movimentos de terra e solo, que frequentemente provocam tragédias como a mostrada no texto. • Uma encosta pode ser comparada a um plano inclinado e uma rocha sobre ela pode ser analisada de forma análoga a um corpo sobre um plano inclinado (veja figura 1).

Figura 1

Figura 2

A figura 2 pode ser considerada uma representação esquemática da situação mostrada na figura 1. Desta forma, o equilíbrio dos corpos (casas, rochas etc.) situados em um plano inclinado AULA ABERTA

IMAGEM PEDRA:© TATIANA CUNHA/FOLHAPRESS

▼ Habilidades


FÍSICA

Ciências da Natureza e suas tecnologias

depende das composições vetoriais entre as forças existentes. Devido à ação da gravidade, caso as forças de atrito de escorregamento não sejam intensas o suficiente, o corpo deslizará ao longo da superfície de contato com o solo. Esta situação é semelhante ao movimento gravitacional de massa chamado de rastejo. No entanto, outra situação também pode ocorrer, em função da inclinação do solo e do formato do corpo. Veja os esquemas abaixo, nos quais a base de apoio é gradativamente elevada:

No entanto, na situação (c), como a vertical que passa pelo CG não passa pela face do corpo que está em contato com a superfície, o torque provocado pela força peso (P) faz com que o corpo gire, provocando um rolamento em torno do ponto de contato C, situação análoga ao movimento de terra com escorregamento rotacional. A partir do exposto e utilizando os conceitos relacionados ao plano inclinado resolva a questão a seguir. O coeficiente de atrito estático entre um bloco homogêneo e um plano inclinado vale µe = 0,80. O bloco é colocado em repouso sobre o plano inclinado (dados: sen␪ = 0,60; cos␪ = 0,8; b = 1,5 cm).

Reta vertical

h

(a) CG p Base de apoio

C

b Reta vertical

(b)

CG p C

Reta vertical

CG

(c)

p

ILUSTRAÇÕES ERIKA ONODERA

C

Nas situações (a) e (b), pelo fato de a vertical que passa pelo centro de gravidade (CG) também passar pela face do corpo que está em contato com a base de apoio, o corpo mantém-se em contato com a superfície, sem rotacionar. AULA ABERTA

θ

a) Demonstre que o bloco não escorrega ao longo do plano inclinado. b) Determine o máximo valor da altura h do bloco para que ele fique apoiado sem tombar. (Fonte: Ramalho, Nicolau, Toledo; Os fundamentos da física, vol.1, pág. 409 – 10a ed. – São Paulo; Ed. Moderna, 2009) Propomos que os alunos realizem: i. Uma pesquisa sobre a migração compulsória da população para os morros – Reforma Pereira Passos, para reurbanização da cidade (1904) –, e subsequente Revolta da Vacina, no governo de Rodrigues Alves. ii. Um levantamento do processo de urbanização da sua cidade, destacando a existência ou ausência de planejamento urbano. Em relação às áreas de risco, devem apresentar propostas de intervenção nesta realidade, visando minimizar as possibilidades de acidentes. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

33


DA VIDA Análises de um tipo de fonte termal, descoberta no lleito it marinho, i h sugerem novas possibilidades ibilid d para a evolução da vida Por Alexander S. Bradley

R

estam poucos lugares a serem explorados nos continentes da Terra, e é improvável que muitas novas maravilhas naturais sejam reveladas em algum ponto remoto. Mas abaixo da superfície oceânica é outra história. Sabemos mais sobre as características de Marte que sobre os 75% subaquáticos de nosso próprio planeta. Surpresas incríveis nos aguardam ali. Uma delas foi desvendada em dezembro de 2000. Uma expedição que mapeava uma montanha submersa, conhecida como maciço Atlantis, a meio caminho entre as ilhas Bermudas e Canárias, e a 800 metros abaixo da superfície do Atlântico Norte, deparou com um pilar de rocha branca, alto como um edifício de 20 andares, que se erguia do leito marinho. Com auxílio do veículo de controle remoto Argo II, e o submergível tripulado Alvin, os cientistas fizeram um levantamento e colheram amostras da misteriosa torre. Embora restrições de tempo limitassem a investigação a um único mergulho do Alvin, os pesquisadores conseguiram reunir informações suficientes para determinar que a formação rochosa era apenas uma de várias estruturas semelhantes que emitiam água marítima morna. Eles haviam descoberto uma região de fontes termais submarinas, que batizaram de Campo Hidrotermal de Lost City. E ele não se assemelhava a nada conhecido, nem às agora famosas “black smokers” (fumarolas, ou chaminés negras). O relato inicial sobre o achado, publicado na revista Nature em julho de 2001, suscitou ondas de empolgação na comunidade científica. A principal autora, a geóloga Deborah S. Kelley, da University of Washington, e seus colegas levantaram várias questões fundamentais. Como esse campo hidrotermal se formou? Que tipos de organismos vivem lá e como sobrevivem? Em 2003, Kelley chefiou uma abrangente expedição, de seis semanas, a Lost City para averiguar. Agora, após anos de minuciosas análises das amostras colhidas nessa missão, os cientistas começam a dar respostas fascinantes. As descobertas do campo termal levaram à reconsideração de noções há muito aceitas sobre o ambiente químico que pode ter propiciado o aparecimento da vida na Terra. Além disso, os resultados acarretaram uma expansão das ideias científicas sobre onde, além deste Planeta Azul, seria possível encontrar vida – e desafiaram os conceitos estabelecidos sobre como procurá-la. 34

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

CORTESIA DE DEBORAH S. KELLEY, UNIVERSITY OF WASHINGTON, IFE, URI-IAO, NOAA

BIOLOGIA

AS RAÍZES MAIS PROFUNDAS


O ECOSSISTEMA das fontes hidrotermais de Lost City parece estéril, mas abriga uma infinidade de microrganismos. Muitos deles se desenvolvem independentes da luz do sol.

Cientistas sabem da existência de fontes termais submarinas desde a década de 70. Os sistemas conhecidos como chaminés negras, ou fumarolas, são os mais comuns. Eles ocorrem nas cordilheiras meso-oceânicas – naquelas fileiras de vulcões que se erguem sobre pontos onde as placas tectônicas se afastam umas das outras. Nessas chaminés, a água pode atingir temperaturas superiores a 400ºC, devido à proximidade de rochas magmáticas. Com pH semelhante ao do suco de limão, a água libera sulfetos, ferro, cobre e zinco, à medida que se infiltra nas rochas vulcânicas abaixo do solo marinho. Quando esse fluido ebuliente e ácido sobe novamente à superfície, é expelido pelas chaminés na água gelada das profundezas do mar, onde os sulfetos de metal AULA ABERTA

CONCEITO

ROCHAS MAGMÁTICAS

dissolvidos se resfriam rapidamente e precipitam, produzindo uma mistura escura, parecida com nuvens de fumaça negra. Esses sulfetos se depositam e acumulam, formando chaminés cada vez mais altas sobre as nascentes termais. Apesar da agressiva composição química da água, ao seu redor há uma profusão de animais exóticos, como os gigantescos vermes tubiformes (Riftia), desprovidos de boca e intestinos. Essas criaturas florescem graças a uma associação simbiótica com bactérias internas, que consomem o venenoso gás sulfeto de hidrogênio que emana dos orifícios. Comparado ao selvagem ambiente das chaminés negras, o campo de Lost City é sinistramente tranquilo. Localizado cerca de 15 km a oeste do limite da placa tectônica, na cordilheira MesoatlânSCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

35

As rochas magmáticas se originam a partir da consolidação do magma, e por meio de sua textura é possível determinar as condições geológicas preponderantes durante a formação delas. CONCEITO

ASSOCIAÇÃO SIMBIÓTICA Relação ecológica na qual as espécies que interagem obtêm benefícios, sem haver prejuízo para nenhuma das partes.


[DESCOBERTAS]

BERÇO DA VIDA?

HIPERLINK

ALCALINOS Refere-se às bases, ou seja soluções (no caso, a água do mar) que têm, a 250C, pH acima de 7.

tica, no topo do maciço Atlantis, suas fontes estão distantes demais para que os fluxos ascendentes de lava elevem os fluidos às temperaturas fervilhantes encontradas nas fumarolas. Em vez disso, a água é aquecida na circulação pela camada de rochas moderadamente quentes abaixo, e a temperatura mais alta já registrada é de apenas 90ºC. Além disso, os fluidos de Lost City não são ácidos, mas alcalinos, com pH entre 9 e 11 – semelhante ao do leite de magnésia ou à solução doméstica de amoníaco. Como essas águas são incapazes de dissolver rapidamente concentrações elevadas de metais, como ferro e zinco, suas nascentes não produzem as nuvens de sulfeto metálico que caracterizam as chaminés negras. Em Lost City, a água que brota dos orifícios é rica em cálcio que, ao se misturar com a água marinha, produz carbonato de cálcio. E essa rocha calcária constrói gigantescas chaminés brancas – a maior delas ergue-se a quase 60 metros acima do leito do mar –, significativamente mais altas que a mais elevada chaminé negra. A estranha química das águas de Lost City resulta de seu singular ambiente geológico, enraizado na própria estrutura do planeta. Imagine a Terra como um pêssego. A pele representa a 36

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

LOST CITY LO

-0 PROFUNDIDADE (EM METROS) -5.300

MACIÇO ATLANTIS ATLAN

crosta, a parte carnuda é equivalente à camada subjacente do manto sólido, e o caroço é igual ao núcleo de ferro incandescente. Na cordilheira Mesoatlântica, a crosta está sendo lentamente dilacerada pela deriva continental, à medida que as placas tectônicas norte-americana e africana se afastam uma da outra, à razão de 25 mm por ano. Essa fragmentação expôs partes do manto terrestre no leito marinho, e seu soerguimento formou o maciço Atlantis. O manto consiste primordialmente numa rocha chamada peridotito, que revelou ser a chave para a distinta composição química de Lost City. Ao entrar em contato com a água, o peridotito passa por uma reação química denominada serpentinização. À medida que a água marítima penetra nas profundezas do maciço, o peridotito é transformado em serpentinita e a água infiltrada torna-se mais alcalina em decorrência dessa reação. Ao reemergir e se misturar novamente com as águas oceânicas, essa água está repleta de cálcio, liberado durante a serpentinização. Mais importante é que agora esses fluidos estão altamente reduzidos, isto é, desprovidos de todo o oxigênio, que foi substituído por gases ricos em energia, como hidrogênio, metano e sulfeto de hidrogênio. As concentrações de hidrogênio, em AULA ABERTA

ILUSTRAÇÃO: CORTESIA DE D. S. KELLEY E CENTER FOR ENVIRONMENTAL VISUALIZATION, UNIVERSITY OF WASHINGTON; CORTESIA DE G. FRÜH-GREE

As chaminés de Lost City situam-se sobre um pico submarino, conhecido como maciço Atlantis, 15 km a oeste do limite da placa tectônica na dorsal Mesoatlântica. Estudos revelaram como elas surgiram e sugerem que o ambiente químico ali é do tipo que poderia ter originado a vida na Terra. A maior parte do maciço consiste em uma rocha chamada peridotito. À medida que a água marinha se infiltra por suas fraturas, reage com o peridotito, transformando-o em serpentinita. Essa serpentinização desencadeia vários processos importantes para a química de Lost City. Um deles confere à água morna de infiltração um pH alcalino e libera cálcio nela. Quando a água emerge das fontes termais e se mistura com a água do mar, forma-se carbonato de cálcio que precipita sobre os orifícios, construindo chaminés brancas. Além disso, essa reação química enriquece os fluidos expelidos pelas fissuras com gases ricos em energia, inclusive hidrogênio, que DORSAL MESO-ATLÂNTICA capacitam micro-organismos, como os metanogenos, a CHAMINÉ NEGRA C proliferar sobre e dentro das paredes das chaminés, LOST CITY independentemente da energia do sol. Por fim, a serpentinização produz condições químicas que permitem a síntese de compostos orgânicos a partir de outros inorgânicos – um pré-requisito para a evolução da vida. CONTINENTE


ÁGUA ALTERADA

CORTE TRANSVERSAL DO MACIÇO ATLANTIS NO LOCAL DO CAMPO HIDROTERMAL DE LOST CITY

CHAMINÉ

SERPENTINITA

FLUXO DE ÁGUA

FFALHA GEOLÓGICA

PERIDOTITO

CONCEITO

COMPOSTOS ORGÂNICOS

NOAA (SERPENTINITA); MICHAEL SZOENYI PHOTO RESEARCHERS, INC. (PERIDOTITO); B. J. MURTON SOUTHAMPTON OCEANOGRAPHY CENTER/PHOTO RESEARCHERS, INC. (CHAMINÉ)

particular, estão entre as mais elevadas já detectadas em um ambiente natural. E é aqui que as coisas começam a ficar realmente interessantes.

NO INÍCIO A riqueza energética do hidrogênio deve-se à sua capacidade de transferir facilmente elétrons para outros compostos, como o oxigênio, e liberar energia. Esse processo é descrito, de modo um tanto confuso, como “redução química”. Os cientistas suspeitavam havia tempos que gases reduzidos desempenhavam papel importante na origem da vida na Terra. Na década de 20, o bioquímico russo Alexander Oparin e o evolucionista britânico J.B.S. Haldane sugeriram, isolada e independentemente, que a atmosfera primitiva da Terra pode ter sido muito rica em gases redutores, como metano, amônia e hidrogênio. E, nessas concentrações elevadas, os ingredientes químicos necessários para a vida podem ter-se formado espontaneamente. A ideia ganhou credibilidade décadas mais tarde, com o famoso experimento dos químicos Stanley Miller e Harold Urey, da University of Chicago, em 1953. Ao aquecer e descarregar faíscas em uma mistura de gases redutores, os cientistas conseguiram criar uma gama de compostos orgânicos (a maioria AULA ABERTA

contendo carbono e hidrogênio), inclusive aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, vitais para todas as formas de vida terrestre. Entretanto, nos anos subsequentes ao experimento, geólogos concluíram que a atmosfera ancestral não era nem de longe tão redutora como a dupla havia pensado. Segundo eles, as condições que formaram aminoácidos e outros compostos orgânicos em sua experiência provavelmente nunca existiram na atmosfera. Mas nas fontes termais de Lost City os gases redutores proliferam. É possível que, há bilhões de anos, nascentes semelhantes a essas tivessem as condições ideais para produzir os compostos orgânicos necessários à vida? Alguns geoquímicos que investigam a questão acreditam que sim. Diversos estudos realizados na década passada sugeriram que as reações químicas que ocorrem durante a serpentinização são ideais para a produção de compostos orgânicos a partir de dióxido de carbono. Sistemas hidrotérmicos parecidos com o de Lost City podem ter sido fábricas primitivas que emitiam ininterruptamente metano, ácidos orgânicos simples e talvez até ácidos graxos mais complexos – componentes essenciais das membranas celulares de todos os organismos. E as chaminés talvez fossem SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

37

São substâncias químicas compostas por carbono, hidrogênio, oxigênio e muitas vezes também por nitrogênio, enxofre, fósforo entre outros. São sintetizadas pelos seres vivos, sendo assim denominadas biomoléculas, embora alguns compostos orgânicos possam ser sintetizados artificialmente. CONCEITO

GASES REDUTORES Na época em que foi realizado este experimento, acreditava-se que a atmosfera primitiva, isto é, a camada de gases que envolvia a Terra logo após sua formação, fosse constituída basicamente por metano, amônia, hidrogênio e vapor d’água.


ECOSSISTEMA Conjunto formado por todos os seres vivos que convivem em determinada região e interagem entre si e com os componentes físicos e químicos do ambiente. De acordo com essa definição o ambiente de Lost City é um ecossistema.

HIPERLINK

FONTES HIDROTERMAIS Consistem em ecossistemas presentes em grandes profundidades no oceano, caracterizados por ausência de luz, altas temperaturas, pressão elevada e grande quantidade de compostos minerais. HIPERLINK

METANO ABIÓTICO O metano pode ser produto de determinadas reações do metabolismo de seres vivos ou pode ser produzido por reações que não ocorrem nos seres vivos (abiótico). HIPERLINK

ORGANISMOS FOTOSSINTÉTICOS Aqueles que realizam o processo da fotossíntese e constituem a base da maioria das cadeias alimentares dos ecossistemas em geral.

capazes de gerar esses compostos orgânicos sem o auxílio de organismos vivos. Lost City é um laboratório natural para testar essas ideias. Em 2008, o químico Giora Proskurowski, da Woods Hole Oceanographic Institution, e seus colegas publicaram um estudo na revista Science, demonstrando que os fluidos quentes do campo termal de fato contêm pequenos compostos orgânicos, como metano, etano e propano. Outro trabalho sugere que as reações químicas na área também produzem pequenos ácidos orgânicos, como formiato e acetato. Juntas, essas descobertas confirmam que os gases reduzidos em Lost City poderiam permitir as reações químicas necessárias para criar compostos orgânicos a partir de inorgânicos – um passo simples, porém vital na química prebiótica. Esse novo estudo determina que alguns ambientes de fontes hidrotermais são capazes de produzir pelo menos compostos orgânicos simples, possíveis ingredientes para a vida. Mas Lost City não é o local ideal para testar essas ideias, porque as torres de carbonato de cálcio não são reatores químicos estéreis. Na realidade, elas fervilham de vida microbiótica, o que levanta a possibilidade de esses micro-organismos estarem contribuindo para a formação de compostos orgânicos nos fluidos das chaminés. Para desvendar esse enigma, é preciso inspecionar os próprios microorganismos mais de perto.

SOL DESNECESSÁRIO Muitos micro-organismos desenvolveram a capacidade de consumir a abundante energia contida no hidrogênio. Os metanogenos são um desses grupos. Como seu nome sugere, eles geram metano, gás natural que muitos de nós utilizam para cozinhar alimentos. Como se constatou, até um terço dos micro-organismos em Lost City são metanogenos pertencentes à familia Methanosarcinales. Sua presença não surpreende, dada a abundância de hidrogênio nas águas termais. Notável é que os metanogenos de Lost City operam independentemente do Sol. Quase toda a vida na Terra depende de energia solar – tanto para seres humanos, que contam com organismos fotossintéticos como alimento, ou plantas e algas que realizam a fotossíntese. Até nas chaminés negras, nas profundezas abissais dos oceanos, a vida depende do Sol. Os micro-organismos que asseguram o crescimento dos vermes tubiformes gigantes, por exemplo, necessitam tanto de sulfeto como de oxigênio. E a fonte suprema de oxigênio são organismos fotossintéticos que vivem 38

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

muito mais acima. Comparativamente, os metanogenos de Lost City precisam apenas de dióxido de carbono, água em estado líquido e peridotito, que reagem para formar os ingredientes naturais de que necessitam para sobreviver. Pesquisadores constataram que as duas reações geoquímicas resultantes da serpentinização e da atividade de metanogenos biológicos são fonte de metano para o ecossistema de Lost City. Essa produção simultânea do gás pode não ser coincidência. Em diversos estudos realizados nos últimos anos, o bioquímico William Martin, da Universidade Heinrich Heine, na Alemanha, e o geoquímico Michael Russell, do Jet Propulsion Laboratory, da Nasa, em Pasadena, examinaram todos os passos químicos necessários para produzir metano abiótico, ou seja, sem participação de organismos vivos, em ambientes como Lost City. Descobriram que cada etapa é replicada nos caminhos biológicos dos organismos produtores do gás. Com base nesse trabalho, sugeriram que nos primórdios da Terra, lugares como Lost City produziam metano geoquimicamente e que as formas de vida ancestrais podem ter agregado para

LOST CITY ... Tanto Lost City como as chaminés negras são fontes termais submarinas. Mas elas diferem consideravelmente entre si. Abaixo, alguns atributos que caracterizam o campo termal • Localizado a 15 km a oeste dos vulcões da dorsal Mesoatlântica

• As temperaturas da água chegam a 90ºC • pH altamente alcalino • Carbonato de cálcio forma chaminés brancas • Algumas formas de vida operam independentes da energia da luz solar

AULA ABERTA

DON FOLEY (MAPA E CORTE SECCIONADO); FONTE PARA MAPA: UNIVERSITY OF WASHINGTON; CORTESIA DA UNIVERSITY OF WASHINGTON, IFE, URI-IAO, GRUPO CIENTÍFICO LOST CITY E NOAA (CHAMINÉ)

HIPERLINK


si cada uma das etapas químicas, originando o que pode ter sido a primeira trilha bioquímica. Martin e Russell não são os primeiros cientistas a propor que a vida pode ter surgido em uma fonte hidrotermal. Essa ideia circula há vários anos e não é corroborada apenas pela favorável composição química da água, mas também pelos registros evolucionistas encontrados em material genético de todos os organismos vivos. Nesse aspecto, o estudo de ribossomos – mecanismos biológicos utilizados pela célula para traduzir em proteínas a informação codificada em ácidos nucleicos (DNA e RNA) – provou ser particularmente elucidativo. Os próprios ribossomos são constituídos de RNA e proteínas. Ao compararem as sequências dos blocos de construção do RNA ribossômico, ou nucleotídeos, cientistas elaboraram uma árvore da vida, que mostra as relações evolutivas entre todas as formas de vida na Terra. Muitos organismos situados em ramos próximos à sua base consomem hidrogênio e habitam fontes termais de altas temperaturas, em terra ou no solo marinho. Isso indica que o último ancestral comum de toda

... E CHAMINÉS NEGRAS A proximidade das chaminés negras com o magma ascendente contribui significativamente para as características que as distinguem de Lost City. • Localizadas nos vulcões da Dorsal Mesoatlântica • As temperaturas da água chegam até 400ºC • pH altamente ácido • Minerais de sulfeto produzem fumarolas negras e formam chaminés • Formas de vida indiretamente dependentes de energia do Sol

AULA ABERTA

a vida terrestre pode ter habitado uma fonte termal, possivelmente um ambiente semelhante ao do Campo Hidrotermal de Lost City. Geólogos têm motivo para suspeitar que ecossistemas como esse eram relativamente comuns no passado remoto. O peridotito é um tipo de rocha predominante no Sistema Solar. Na Terra, ele é o principal constituinte do manto superior. Embora atualmente seja raro encontrá-lo na superfície terrestre, era abundante há 3 bilhões ou 4 bilhões de anos. Naquela época, o planeta era muito mais quente e o vulcanismo acentuado transportava um volume maior do manto derretido para a superfície. Na realidade, o peridotito provavelmente constituiu a maior parte da camada rochosa no leito marinho nos primórdios da Terra e reagia com água, exatamente como faz hoje. Assim, ambientes cálidos e alcalinos, parecidos com o campo termal mesoatlântico, podem ter nutrido as primeiras formas de vida. Em comparação, condições causticantes e ácidas, como as encontradas nas chaminés negras, possivelmente eram hostis demais para propiciar seu aparecimento. As descobertas de Lost City também reforçam as hipóteses sobre onde mais, em nosso Sistema Solar, pode existir ou ter existido vida no passado. É concebível que qualquer planeta ou lua que contenha peridotito e água em estado líquido – os ingredientes necessários para a serpentinização – seja capaz de sustentar formas de vida análogas aos microrganismos de Lost City. As evidências mais claras desses componentes ocorrem em Marte e em Europa, uma das luas de Júpiter. De fato, pesquisadores já detectaram metano na atual atmosfera marciana; mas não se sabe ainda se ele resulta de micro-organismos ou de reações químicas nas rochas do planeta.

PROSPECTANDO METANO Determinar isso pode ser mais difícil do que os cientistas imaginaram. A maioria dos organismos na árvore filogenética são micro-organismos. Embora possamos estudar suas sequências de DNA e RNA, encontrar um registro fóssil de criaturas microscópicas, com formas ambíguas, é desafiador. Nas últimas décadas, pesquisadores desenvolveram técnicas específicas que permitem investigar a história evolucionária de micro-organismos, ao combinar registros geológicos de fósseis químicos, não físicos. Fósseis químicos são moléculas rastreáveis até organismos vivos e podem permanecer preservados em rochas durante milhões, até bilhões de anos. A maioria deles deriva de lipídios que constituem as membranas SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

39

CONCEITO

ÁRVORE FILOGENÉTICA Representação em forma de árvore que organiza os grupos de seres vivos de acordo com seu grau de parentesco evolutivo (filogênese).

O AUTOR Alexander S. Bradley completou seu Ph.D. em geoquímica, no Massachusetts Institute of Technology em 2008. A pesquisa para sua tese concentrou-se no exame de compostos orgânicos dos sistemas hidrotermais de Lost City e do Parque Nacional de Yellowstone. Bradley é membro associado do Agouron Institute, na Harvard University, onde faz pesquisas nos campos da microbiologia e geoquímica, e trabalha em técnicas para a compreensão da história da Terra e do meio ambiente.


QUANTO MAIS QUENTE MELHOR Análises de material genético de organismos existentes reforçam a hipótese de a vida ter-se originado em um ecossistema termal semelhante a Lost City. Cientistas construíram uma árvore filogenética, baseada em sequências de RNA, que mostra os relacionamentos entre todas as formas de vida na Terra. Como os metanogenos de Lost City, que pertencem à ordem Methanosarcinales, muitos organismos próximos à raiz da árvore habitam fontes termais de temperaturas elevadas, em terra ou no leito marinho, e são capazes de subsistir apenas com hidrogênio (grupos em destaque laranja). Esse padrão sugere que o último ancestral universal de toda a vida na Terra ocupou um ambiente como esse. Animais

EUKARYA

Plantas Fungos

Euglena

Ciliados

Microsporídeos

Diplomonadidas

Plasmodiais

Bactéria não-sulfurosa verde

BACTÉRIA

ARCHAEA Sulfolobus

Gram + Proteobactéria

Thermotoga

Cianobactéria

Pyrodictium

Thermofilum Thermoproteus Thermococcus Methanobacterium

Flavobactéria Bactéria sulfurosa verde

Geoglobus Methanopyrus

Halófilos

Methanococcus Aquifex Hydrogenobacter

PARA CONHECER MAIS Dawn in the deep: the bizarre world of hydrothermal vents. Richard A. Lutz, em National Geographic, vol. 203, n0 2, págs. 92, 103, fevereiro de 2003. Os mistérios sobre o metano em Marte e Titã. Sushil K. Atreya, em S CIENTIFIC A MERICAN BRASIL, edição 61, págs. 42-51, junho de 2007. Site da Expedição a Lost City: www.lostcity.washington.edu

Último ancestral comum

Methanomicrobium

Methanosarcina

celulares. Embora não contenham tanta informação como o DNA ou um fóssil físico, são indicadores confiáveis de vida e podem ser portadores de diagnósticos estruturais dos organismos que os produziram. Além disso, o próprio carbono, que forma os lipídios, é informativo por conter um marcador que revela como um organismo o extraía de seu meio ambiente. Esse marcador é o carbono13, uma forma relativamente rara do elemento, que não se degrada ao longo do tempo. O carbono existente na maioria dos organismos apresenta entre 1% e 3,5% menos de C-13 que o dióxido de carbono dissolvido na água do mar. Portanto, cientistas haviam presumido que o carbono contido em rochas antigas, e depauperado nesse percentual, derivava de organismos vivos. Como consequência dessa norma, o carbono não reduzido de rochas ancestrais resultaria de processos abióticos. Mas Lost City refuta essa teoria. Meu trabalho com uma equipe de cientistas, no Massachusetts Institute of Technology e no Woods Hole, revelou que alguns dos lipídios mais abundantes, encontrados nos carbonatos do campo termal, se originam de metanogenos. No entanto, esses lipídios não exibem nenhum depauperamento de carbono 13. Seus conteúdos do elemento são iguais aos que seriam de esperar 40

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

de materiais que não derivaram de organismos vivos. Como se explica isso? Através da utilização do C-13 como rastreador de vestígios de vida, com base na suposição de que há mais dióxido de carbono disponível no meio ambiente do que pode ser consumido. Enquanto houver um excedente de CO2, os organismos podem incorporar as moléculas mais leves do carbono12, que eles preferem, e ignorar o C-13 mais pesado. Se, no entanto, o dióxido de carbono fosse escasso por qualquer razão, os organismos absorveriam do ambiente todas as moléculas de carbono que conseguissem, tanto da variedade mais leve como da mais pesada. E, se isso ocorresse, a relativa abundância de C-13 nos organismos não diferiria da que existe no meio ambiente. O rastreador químico de vida seria invisível. É precisamente esse processo que se manifesta nas fontes hidrotermais de Lost City. Ao contrário de quase todos os outros ambientes terrestres, onde há sempre disponibilidade de CO2, naquele campo predomina o hidrogênio e o dióxido de carbono é escasso. Na prática, isso obriga os organismos que vivem ali a extrair isótopos de carbono indiscriminadamente. O problema da invisibilidade também se aplica ao metano. Em geral, esse gás, quando produzido por organismos vivos, apresenta uma depauperação extrema de C-13, em comparação ao metano resultante de reações geoquímicas. Mas essa diferença nem sempre aparece nos sistemas de serpentinização. O metano nas águas termais de Lost City não apresenta a reveladora redução de carbono13. Pesquisadores sabem, por meio de observações, que ele é uma mistura de produtos geológicos e biológicos. Mas isótopos de carbono isolados são incapazes de fazer a distinção. Se a vida evoluiu em algum outro lugar do Sistema Solar, o melhor palpite provavelmente é que ela consiste em metanogenos microbiais, que vivem em regiões onde a rocha é serpentinizada. Sabemos que, de alguma forma, há produção de metano em Marte. A Nasa planeja lançar o Laboratório de Ciências de Marte em 2011, e uma de suas missões será determinar a proporção de isótopos de carbono nesse gás. Uma acentuada redução de C -13 seria indicação de que organismos vivos habitam o Planeta Vermelho. Contudo, Lost City demonstra que a impossibilidade de encontrar esse sinal de vida dificilmente pode ser considerada como evidência de sua ausência. De fato, a descoberta da proliferação de microorganismos nesse tipo de ecossistema, antes desconhecido, fornece mais motivos adicionais para esperar que, algum dia, cientistas encontrem indícios de vida fora da Terra. AULA ABERTA

MELISSA THOMAS (DIAGRAMA DA ÁRVORE DA VIDA)

[PROVAS COMPROBATÓRIAS]


PARA O PROFESSOR BIOLOGIA Ciências da Natureza e suas tecnologias

▼ Conteúdos • • • •

Vida na Terra Ecossistemas Moléculas orgânicas e inorgânicas Origem da vida

▼ Competências

trabalhadas segundo a matriz de referência do Enem •

NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION - NOAA/ CREATIVE COMMONS

▼ •

AULA ABERTA

Compreender as ciências naturais e as tecnologias a elas associadas como construções humanas, percebendo seus papéis nos processos de produção e desenvolvimento econômico e social da humanidade. Entender métodos e procedimentos próprios da ciências naturais e aplicálos em diferentes contextos. Apropriar-se de conhecimentos da química para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas. Apropriar-se de conhecimentos da biologia para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas.

Habilidades envolvidas Confrontar interpretações científicas com interpretações baseadas no senso comum, ao longo do tempo ou em diferentes culturas. 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. Caracterizar materiais ou substâncias, identificando etapas, rendimentos ou implicações biológicas, sociais, econômicas ou ambientais de sua obtenção ou produção. Associar características adaptativas dos organismos com seu modo de vida ou com seus limites de distribuição em diferentes ambientes, em especial em ambientes brasileiros.

▼ Propostas

pedagógicas

ANTES DA LEITURA É possível iniciar a aula contando um pouco sobre as ideias abordadas no artigo, iniciando com o fato de que a vida na Terra se estende desde as profundezas dos oceanos até o topo das mais altas montanhas. Essa ocorrência, porém, se dá de forma heterogênea, devido às condições ambientais e fatores limitantes de cada local. Apesar de os fatores ambientais não serem muito favoráveis nas profundezas do oceano, em determinadas regiões do fundo oceânico há presença de vida. Esse fato conduziu a perguntas como “Será que essas condições não são semelhantes às necessárias ao surgimento da vida na Terra?”. DURANTE A LEITURA Os alunos podem ser orientados para destacar no texto as seguintes ideias: • características envolvendo os dois tipos de fontes termais submarinas: campo hidrotermal de Lost City e chaminés negras; • informações relacionadas às explicações referentes à origem da vida na Terra. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

39


PARA O PROFESSOR ▼

Atividades após a leitura

PRIMEIRA PARTE COMPARAÇÃO ENTRE ECOSSISTEMAS HIDROTERMAIS Para melhor compreensão do texto, os alunos podem preencher uma tabela comparando os dois tipos de fontes termais, como no modelo a seguir: CARACTERÍSTICA/ITEM

CAMPO HIDROTERMAL DE LOST CITY

CHAMINÉS NEGRAS

Localização Profundidade Equipamentos usados para a descoberta Temperatura máxima da água pH Compostos químicos do ambiente Cor dos precipitados formados na água Seres vivos que habitam o ecossistema

Praticamente todas as informações se encontram no próprio texto, contudo este não especifica qual equipamento foi utilizado para explorar o as chaminés negras. Essa informação pode ser obtida por meio de pesquisa realizada pelos próprios alunos. Os alunos podem também obter outras informações como, por exemplo, outros seres vivos que habitam cada um dos ecossistemas. MAPAS CONCEITUAIS SEGUNDA PARTE COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES EXPLICAÇÕES PARA A ORIGEM DA VIDA NA TERRA Esta segunda parte consiste na construção de um mapa conceitual e pode ser realizada em duplas. Inicialmente talvez seja interessante apresentar a concepção de mapa conceitual podendo-se usar a figura ao lado como material de apoio. A atividade em si seria a construção de um mapa conceitual 52

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Mapa conceitual usado para Organizar informação como vocabulário que será incorporado ao conhecimento prévio

como

contém Componentes importantes como

como

ideias

tópicos principais

palavras de conexão

que

subdivididos em

que

mostram relações entre conceitos

subtópicos

explicam as relações entre palavras AULA ABERTA


BIOLOGIA

Ciências da Natureza e suas tecnologias

representando a comparação entre as duas explicações referentes à origem da vida na Terra. Uma possibilidade é entregar aos alunos os componentes do mapa em forma de tabela como no quadro a seguir:

NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION - NOAA/ CREATIVE COMMONS

TÓPICOS PRINCIPAIS E SUBTÓPICOS

PALAVRAS DE CONEXÃO

ORIGEM DA VIDA

apresenta

POSSÍVEIS EXPLICAÇÕES

como a

DE OPARIN E HALDANE

sugeriram que

ATMOSFERA PRIMITIVA

composta pelos

GASES: METANO, AMÔNIA E HIDROGÊNIO

dando origem às

PRIMEIRAS MOLÉCULAS ORGÂNICAS

sustentada pelo

EXPERIMENTO DE MILLER & UREY

onde foi

COMPOSTOS ORGÂNICOS FORAM FORMADOS

a partir de

MISTURA DE GASES

como

A PROPOSTA DA LOST CITY

onde ocorrem

GASES REDUTORES E REAÇÕES

como

SERPENTINAÇÃO

ideais para

PRODUÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS

ideia sustentada por

ALGUNS ESTUDOS

confirmam a

ORIGEM DE COMPOSTOS ORGÂNICOS

a partir de

INORGÂNICOS

presentes nos

GASES REDUZIDOS EM LOST CITY

É possível também apresentar apenas o tema e pedir aos alunos que montem o mapa apenas com informações do texto. A tarefa pode ser acompanhada das seguintes orientações: 1. Organização: os pedaços de papel devem ser cortados e espalhados sobre uma mesa. Em seguida, os itens devem ser AULA ABERTA

agrupados em diferentes categorias. Se possível as categorias devem ser organizadas de forma hierárquica. Os itens podem ser rearranjados ou novos itens acrescentados. 2. Montagem da estrutura do mapa: nesta etapa as categorias de palavras devem ser arranjadas sobre uma folha de papel de forma a melhor representar a relação entre os itens. Uma sugestão é manter os conceitos mais importantes no centro ou na parte superior da folha. Os itens mais correlacionados devem estar mais próximos uns dos outros. A ordem dos itens vai ser diferente para cada grupo. 3. Conexão: as palavras devem ser ligadas por meio de setas, que devem indicar a relação existente entre elas. Pequenas frases ou palavras devem ser escritas ao lado das setas para indicar como as palavras se relacionam. 4. Finalização: se o arranjo dos itens e as setas estão realmente auxiliando a compreensão de determinado tema então se deve montar um mapa permanente. Podem ser usadas cores diferentes, fontes variadas, bordas, tudo que puder melhorar a compreensão do tema. O mapa deve ter um título.

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

43


QUÍMICA

NITROGÊNIO, DE FERTILIZANTE A POLUIDOR

A humanidade depende de nitrogênio para fertilizar lavouras, mas sua crescente aplicação global prejudica o ambiente e ameaça a saúde humana e animal. Como encontrar um caminho mais sustentável? Por Alan R. Townsend e Robert W. Howarth

AMÔNIA À pressão e temperatura ambiente, a amônia (NH3) é um gás incolor, de cheiro forte. É utilizada na produção de fertilizantes agrícolas, produtos de limpeza, explosivos e polímeros (plásticos). HIPERLINK

AQUECIMENTO GLOBAL Fenômeno responsável por mudanças climáticas no planeta, resultante do aumento do efeito estufa, provocado por alterações na composição da atmosfera terrestre.

B

44

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA

BLAIR BRADSHAW

HIPERLINK

ilhões de pessoas devem a vida a uma única descoberta, feita há um século. Em 1909, o químico alemão Fritz Haber, da Universidade de Karlsruhe, mostrou como transformar o gás nitrogênio – abundante, e não reagente, na atmosfera, porém inacessível para a maioria dos organismos – em amônia, o ingrediente ativo em adubos sintéticos. Vinte anos depois, quando outro cientista alemão, Carl Bosch, desenvolveu um meio para aplicar a ideia de Haber em escala industrial, a capacidade mundial de produzir alimentos disparou. Nas décadas seguintes, novas fábricas converteram tonelada após tonelada de amônia em fertilizante e hoje se considera a solução Haber-Bosch uma das maiores dádivas da história da saúde pública. Como um dos pilares da revolução verde, o adubo sintético permitiu que fazendeiros transformassem solos fracos em campos produtivos e cultivassem várias safras, sem esperar pela regeneração natural de nutrientes. Em decorrência, a população global saltou de 1,6 bilhão para 6 bilhões de pessoas no século 20. Ainda assim, essa boa notícia para a humanidade custou caro. A maior parte do nitrogênio reativo que produzimos – intencionalmente como adubo e, em menor escala, como subproduto da queima dos combustíveis fósseis, que acionam automóveis e indústrias – não acaba nos alimentos. Em vez disso, migra para a atmosfera, rios e oceanos, onde opera uma sinistra metamorfose ao estilo do livro O médico e o monstro, passando de elemento benéfico a poluente agressivo. Há tempos, os cientistas culpam o nitrogênio reagente pelo surgimento de grandes florações de algas nocivas, zonas costeiras mortas e poluição ozônica. Pesquisas recentes acrescentam à sua “ficha criminal” a perda de biodiversidade e o aquecimento global, além de indicações de que pode aumentar a incidência de diversas doenças graves. O homem produz e injeta nitrogênio reagente no meio ambiente a passos acelerados. Em parte, isso ocorre porque um número crescente de nações se empenha vigorosamente em pesquisas vinculadas ao uso intensivo de fertilizantes, como a síntese de biocombustíveis e a produção de carne (dietas à base de carne dependem de um massivo cultivo de cereais para fabricar ração animal). As aplicações de adubos sintéticos em larga escala para produzir alimentos e a descontrolada queima de combustíveis fósseis vêm aumentando na América do Sul e na Ásia. Consequentemente, não é surpresa que zonas mortas e outros problemas ligados ao nitrogênio,


AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

45


HIPERLINK

INERTE Pouco reativo, baixa tendência a sofrer transformações químicas.

HIPERLINK

FIXAÇÃO Primeiro processo de incorporação do nitrogênio pelos seres vivos. É realizado por bactérias fixadoras de nitrogênio e cianobactérias.

HIPERLINK

RELAÇÕES SIMBIÓTICAS Associação entre dois seres vivos, em que ambos se beneficiam. Porém, hoje, o termo mais adequado para esse tipo de relação é mutualismo.

HIPERLINK

MÉTODO HABER-BOSH Método de obtenção de amônia (NH3) a partir dos gases nitrogênio (N2) e hidrogênio (H2), em condições adequadas de temperatura e pressão, na presença de catalisador (substância que acelera reações químicas).

antes confinados à América do Norte e à Europa, surjam em outras partes do mundo. Ao mesmo tempo, o fertilizante é, e deve ser, uma importante ferramenta para gerar um suprimento confiável de alimentos na África subsaariana e em outras regiões de populações desnutridas. Mas a comunidade internacional deve unir-se para encontrar meios de gerenciar melhor sua utilização e mitigar suas consequências globais. As soluções nem sempre são simples, mas também não estão fora de alcance.

[É PRECISO SABER]

O LADO SINISTRO DO Em sua forma molecular biatômica gasosa (N2), o nitrogênio, fazendas, da queima industrial de combustíveis fósseis e de

Poluição do ar Usina elétrica

1 O nitrogênio produzido durante a ●

queima de combustíveis fósseis pode gerar uma intensa poluição do ar…. Chuva ácida

EXCESSO PODE SER PREJUDICIAL Solucionar o problema do nitrogênio exige a compreensão de sua química e a noção de quanto, exatamente, ele produz de danos ambientais. Os malefícios – e benefícios – do elemento surgem quando moléculas do gás N2 se separam. Todas as formas de vida necessitam de nitrogênio, mas, para a vasta maioria dos organismos, seu maior reservatório – a atmosfera – está fora de alcance. Embora 78% da atmosfera consista de N2, esse gás é inerte. A Natureza disponibiliza o nitrogênio à vida com base na ação de um pequeno grupo de bactérias, capazes de romper a tripla ligação entre os dois átomos de nitrogênio, em um processo conhecido com fixação. Essas bactérias especializadas existem em estado livre no solo, bem como na água doce e salgada, e mantêm relações simbióticas com as raízes de leguminosas, que são um dos cultivos agrícolas mais importantes do mundo. Uma pequena quantidade adicional de nitrogênio é fixada por meio de relâmpagos e erupções vulcânicas, cujas elevadas descargas de energia têm o poder de separar as moléculas. Antes de a humanidade explorar o método Haber-Bosch e outras técnicas de fixação, a quantidade de nitrogênio reagente produzido no mundo era equilibrada pela atividade de outro pequeno grupo bacteriano, que reconverte o nitrogênio reagente ao seu estado gasoso, em um processo chamado desnitrificação. Entretanto, esse delicado equilíbrio foi completamente alterado em apenas uma geração humana. Em 2005, os seres humanos já produziam mais de 181,4 milhões de toneladas de nitrogênio reagente por ano, volume pelo menos duas vezes maior que o de todos os processos naturais terrestres juntos (ver gráfico na pág. 48). Ocasionalmente rotulado de elemento mais promíscuo da Natureza, o nitrogênio liberado de seu estado não reagente pode provocar vários problemas ambientais, por ser capaz de combinar com uma profusão de substâncias químicas, alastrando-se de forma abrangente. Independentemente de um átomo de 46

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Esgoto humano

Veículos

Animais de fazenda

Lavouras de leguminosas

nitrogênio reativo entrar na atmosfera ou em um rio, ele pode ser depositado a centenas de quilômetros de sua fonte original, e agora até alguns dos cantos mais remotos do planeta registram níveis elevados, devido às atividades humanas. Mais traiçoeiro ainda talvez seja o fato de um único átomo novo de nitrogênio reagente percorrer todos esses vastos ecossistemas, como um delinquente em um surto de sucessivos atos criminosos.

COLHENDO AS CONSEQUÊNCIAS Quando se aplica nitrogênio em uma lavoura de milho ou um gramado, a resposta é simples e previsível: as plantas crescem com mais vigor. Em ecossistemas naturais, as reações são muito mais complexas e, frequentemente, preocupantes. À medida que águas fluviais, carregadas de fertilizantes, chegam aos oceanos, por exemplo, desencadeiam o florescimento de plantas microscópicas que consomem oxigênio ao se decompor e mais tarde geram as chamadas zonas mortas. E, em terra, nem todas as plantas de um ecossistema complexo respondem de modo igual AULA ABERTA


NITROGÊNIO componente mais abundante da atmosfera terrestre, é inofensivo. Mas em suas formas reagentes, que emanam de veículos, pode contribuir para uma ampla gama de problemas ambientais e de saúde humana.

2 ...antes de se combinar com água para gerar ácido ● nítrico na chuva...

3 ...e se juntar ao nitrogênio que escorre de campos fertilizados, excrementos animais de ● fazendas, esgotos humanos e lavouras de leguminosas.

7 Em qualquer ponto ao longo dessa cadeia, bactérias ●

podem transformar o átomo desgarrado em óxido nitroso, um potente gás de efeito estufa, que acelera a degradação da protetora camada estratosférica de ozônio. Apenas bactérias que reconvertem o átomo à sua inócua forma gasosa de N2 podem estancar seus efeitos daninhos.

4 ●

A penetração excessiva de nitrogênio em ecossistemas terrestres pode contribuir para o declínio de biodiversidade e, talvez, aumentar os riscos de diversas doenças humanas. 5 ●

Um único átomo de nitrogênio de uma fábrica ou veículo é capaz de acidificar o solo e contaminar a água potável antes de entrar em rios...

Fertilizante

6 ...nos quais pode viajar até os oceanos e ajudar a ● alimentar a proliferação de algas tóxicas e zonas costeiras mortas.

Proliferação de algas

DON FOLEY

Zona morta

a subsídios de nitrogênio. Muitas simplesmente não estão equipadas para um súbito enriquecimento e, em razão disso, perdem para novas espécies mais competitivas em um mundo rico em nutrientes. Frequentemente, o efeito final é um empobrecimento de biodiversidade. As pradarias em grande parte da Europa, por exemplo, perderam mais de 25% de suas espécies de flora após décadas de precipitação de nitrogênio artificial, produzido pelo homem, da atmosfera. Esse problema está tão amplamente propagado que recente avaliação científica classificou a poluição de nitrogênio como uma das três principais ameaças à biodiversidade ao redor do mundo. E a Convenção sobre Diversidade Biológica, do Programa Ambiental das Nações Unidas, considera a redução dos depósitos de nitrogênio um fator fundamental para o sucesso da conservação. Normalmente, a perda de uma planta rara suscita poucas preocupações no público em geral ou entre os formuladores de políticas. Mas, em excesso, o nitrogênio não prejudica apenas outras espécies – pode ameaçar a nossa própria. Uma publicação do Instituto AULA ABERTA

Nacional de Saúde dos Estados Unidos (NIH) sugere que altas concentrações de nitrato em água potável – muitas vezes um produto da poluição resultante de elevados níveis da substância na água – podem contribuir para múltiplos problemas de saúde, inclusive diversos tipos de câncer. A poluição do ar vinculada ao nitrogênio, tanto nos particulados como no ozônio ao nível do solo, afeta centenas de milhões de pessoas e aumenta a incidência de doenças cardiopulmonares, elevando os índices gerais de mortalidade. Respostas ecológicas resultantes de um excesso de nitrogênio (e de fósforo, outro ingrediente onipresente em fertilizantes químicos) também podem nos atingir com uma avalanche de outras ameaças à saúde. A intensidade ou variedade dessas respostas é algo que ainda desconhecemos; o que os cientistas sabem é que enriquecer ecossistemas com nitrogênio altera sua ecologia de milhares de formas diferentes. Evidências recentes sugerem que um excesso da substância no organismo humano pode aumentar o risco da doença de Alzheimer e diabetes quando ingerida em água SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

47

CONCEITO

PARTICULADOS Partículas muito finas de sólidos ou líquidos dispersos em um gás, visualizados como poeira ou fumaça. CONCEITO

OZÔNIO Gás constituído por moléculas com três átomos de oxigênio, diferentemente do oxigênio que respiramos: O2. É formado pela ação da radiação ultravioleta sobre moléculas de oxigênio. Essencial na estratosfera, constitui a camada de ozônio, responsável pela absorção de radiação solar energética.


HIPERLINK

ARTEMÍSIA Erva de folhas recortadas e flores brancas, aromáticas, cultivada pelas raízes e folhas. HIPERLINK

MOLUSCOS GASTRÓPODES Animais invertebrados, de corpo mole, que apresentam uma única concha em espiral. HIPERLINK

AGENTES PATOGÊNICOS Agentes capazes de causar doenças.

potável. Ela também pode intensificar a liberação de alergênicos aerotransportados e promover a disseminação de certas doenças infecciosas. A fertilização da artemísia, por exemplo, eleva sua produção de pólen. E a malária, o cólera, a esquistossomíase e o vírus do Nilo ocidental (WNV) têm o potencial de infectar mais pessoas quando o nitrogênio é abundante. Essas e muitas outras doenças são controladas pelas ações de outras espécies no ambiente, particularmente as que carregam o agente infectante – por exemplo, mosquitos disseminam o parasita da malária e caramujos, lesmas e caracóis liberam esquistossomas na água. Esses moluscos gastrópodes oferecem um exemplo de como o nitrogênio pode acarretar uma reação em cadeia: um escoamento maior de fósforo ou nitrogênio promove um florescimento mais intenso de plantas em corpos d’água, proporcionando mais alimentos e, consequentemente, uma expansão mais rápida da população desses agentes patógenos. O volume extra de nutrientes também faz com que cada molusco produza mais parasitas em uma reação de crescimento exponencial.Ainda é cedo para prever,

de modo geral, se a poluição de nutrientes aumentará os riscos de doenças – em alguns casos, as alterações ecológicas podem até reduzi-los. Mas o potencial para mudanças, e a necessidade de compreender como elas ocorrerão, progredirá rapidamente nas próximas décadas, à medida que a utilização mais intensiva de adubos sintéticos se propagar nas latitudes tropicais, mais castigadas por doenças. Há também evidências crescentes sobre o papel cada vez mais relevante do nitrogênio reagente nas mudanças climáticas. Na atmosfera, ele resulta em um de seus mais indesejados subprodutos – o ozônio ao nível do solo – quando ocorre como óxido nítrico (NO) ou como dióxido de nitrogênio (NO2), coletivamente conhecido como NOx. Esse tipo de formação ozônica não preocupa apenas por sua ameaça à saúde humana, mas também porque, em nível do solo, o ozônio é um significativo gás de efeito estufa. Além disso, ele danifica os tecidos das plantas, o que resulta todos os anos em quebras de produção agrícola da ordem de vários bilhões de dólares. E, ao inibir o crescimento, o ozônio reduz a capacidade

[PERSPECTIVAS GLOBAIS]

O DESLOCAMENTO DE HOTSPOTS No passado, as regiões que mais utilizavam nitrogênio (vermelho) praticamente se limitavam à Europa e à América do Norte. À medida que novas economias se desenvolvem e tendências agrícolas se deslocam, esses padrões mudam rapidamente. Índices recentes mostram que o consumo de nitrogênio agora é muito maior na Ásia e na América Latina, enquanto outras áreas – inclusive grande parte da África – sofrem de escassez de fertilizantes.

SUL/SUDESTE DO BRASIL: o somatório do acelerado crescimento populacional e da industrialização ao redor de São Paulo, a inadequada rede de esgotos e a vigorosa produção de cana-de-açúcar contribuem para o novo hotspot sulamericano de nitrogênio.

PLANÍCIE SETENTRIONAL CHINESA: intensificação do uso de fertilizantes resultou em um notável aumento de produtividade de milho e trigo; agora, a China tem o maior índice de aplicação do mundo.

48

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

AULA ABERTA


DON FOLEY (MAPA), MARK BLINCH Reuters

das plantas de absorver dióxido de carbono (CO2) e, assim, contrabalançar o aquecimento global. O nitrogênio reativo é uma ameaça particularmente inquietante para mudanças climáticas quando ocorre como óxido nitroso (N2O) – um dos mais potentes gases de efeito estufa. Uma molécula de N2O tem aproximadamente 300 vezes o potencial de aquecimento de uma molécula de CO2. E, embora o óxido nitroso seja muito menos abundante na atmosfera que o dióxido de carbono, sua atual concentração atmosférica é responsável por um aquecimento equivalente a 10% da contribuição do CO2. Vale a pena ressaltar que um excesso de nitrogênio ocasionalmente pode combater o aquecimento – ao se combinar com outros compostos aerotransportados e formar, por exemplo, aerossóis que refletem radiações incidentes ou ao estimular a flora de florestas pobres em N a crescer mais rapidamente e assim eliminar mais CO2 da atmosfera.Apesar das incertezas quanto ao equilíbrio entre seus efeitos de aquecimento e resfriamento, porém, a maioria dos sinais indica que a contínua produção humana de nitrogênio em excesso acelerará o aumento da temperatura global.

O QUE FAZER Embora a produção de fertilizantes responda por grande parte do nitrogênio que agora aquece o planeta – cerca de 60% da contribuição humana –, suspender seu uso certamente não é uma opção. Os adubos são importantes demais para alimentar o mundo. No entanto, a ênfase em sua utilização eficiente tem de ser uma parte da solução, tanto nos países em desenvolvimento como nos desenvolvidos. As nações ricas trilharam velozmente um caminho rumo a um sistema agrícola que muitas vezes prevê a aplicação excessiva de nitrogênio e é ineficiente na utilização desse recurso. Frequentemente, isso lembra uma orgia de gastança, com limitado retorno nos investimentos e desconsideração do custo real. Em outras partes do mundo, 1 bilhão ou mais de pessoas estão presas em ciclos de desnutrição e pobreza. Essas regiões, talvez mais bem exemplificadas pela África subsaariana, são áreas onde a produção agrícola reiteradamente deixa de atender mesmo às necessidades calóricas básicas, quanto mais proporcionar uma fonte de renda. Ali, uma infusão de fertilizantes de nitrogênio claramente melhoraria a condição humana. A recente adoção de políticas para fornecer adubos a preços razoáveis e variedades de sementes aprimoradas aos lavradores pobres no Malauí, por exemplo, resultaram em substanciais aumentos de produtividade e redução da fome. AULA ABERTA

FÚRIA ENERGÉTICA: produção de biocombustíveis à base de milho, que envolve a aplicação intensiva de fertilizantes, pode contribuir mais para o aquecimento global que trazer benefícios pela economia de similares fósseis.

ATÉ AQUI Entretanto, esses adubos não precisam ser aplicados levianamente em enormes quantidades. Estudos realizados desde o “cinturão do milho”, no centro-oeste dos Estados Unidos, até as lavouras de trigo do México mostram que a fertilização excessiva tem sido prática comum nos celeiros do mundo – e menos adubo não significa necessariamente colheitas menores. O fato é que, como um todo, o planeta é capaz de produzir mais alimentos com menos adubos químicos simplesmente ao mudar as práticas agrícolas que se tornaram comuns em uma era de produtos sintéticos baratos e abundantes e pouca consideração pelas consequências em longo prazo de sua utilização. Reduzir sua aplicação em muitas lavouras é um excelente ponto de partida. Em muitos casos, as dosagens utilizadas são muito superiores ao volume necessário para garantir produtividade máxima na maioria dos anos, e isso resulta em prejuízos ambientais desproporcionalmente elevados. Nos Estados Unidos, as pessoas consomem apenas pouco mais de 10% daquilo que os agricultores aplicam anualmente nas lavouras. Cedo ou tarde, o restante vai parar no meio ambiente. As estimativas variam, mas em muitas culturas comuns, de 25% a 50% dos fertilizantes aplicados escoam imediatamente com a água das chuvas ou penetram na atmosfera. Mas nem todas as soluções necessitam de alta tecnologia. Estratégias mais baratas e também SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

49

CONCEITO

EFEITO ESTUFA Fenômeno natural e benéfico, decorrente da propriedade de alguns gases, entre eles, vapor d’água, dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, de absorver a radiação solar, mantendo a superfície da Terra aquecida. Sem o efeito estufa a temperatura média da Terra seria de 180C negativos.

OS AUTORES Alan R. Townsend, novo diretor do Programa de Estudos Ambientais da University of Colorado, em Boulder, é professor do Instituto de Pesquisa Ártica e Alpina e do Departamento de Ecologia e Biologia Evolucionária da mesma universidade. Ele estuda como mudanças no clima, no uso da terra e nos ciclos globais de nutrientes afetam o funcionamento básico de ecossistemas terrestres. Robert W. Howarth, detentor do título Professor David R. Atkinson de Ecologia e Biologia Ambiental da Cornell University, estuda como as atividades humanas alteram ecossistemas, com ênfase em sítios de água doce e marinha.


HIPERLINK

LAVOURAS DE COBERTURA Plantas cultivadas não necessariamente para colheita, mas sim para melhoramento da qualidade do solo, controle de erosão e de ervas daninhas.

HIPERLINK

COMBUSTÃO TRADICIONAL Reação química envolvendo um combustível e um comburente, que se processa com liberação de energia. A combustão completa da matéria orgânica tem como um de seus produtos o gás carbônico (CO2), apontado como um dos principais responsáveis pelo aquecimento global.

HIPERLINK

CÉLULAS COMBUSTÍVEIS Dispositivos que transformam energia química em energia elétrica, cujo princípio de funcionamento é o mesmo das pilhas e baterias. A principal diferença em relação às pilhas é que nas células a combustível os reagentes não estão contidos no interior do sistema, mas sim armazenados externamente.

eficientes incluem o plantio de lavouras de cobertura no inverno para reter o nitrogênio na terra em vez de deixá-la ociosa durante meses, e o cultivo de espécies de cobertura nas entrelinhas de plantações altamente valorizadas, como o milho. A adubação imediatamente anterior ao plantio da primavera, em vez de no outono, também pode fazer uma grande diferença. Além disso, o mundo pode se beneficiar de mudanças na produção de carne. A maior parte do nitrogênio fixado por plantas de lavoura acaba nas bocas de suínos, bovinos e aves de granja – e grande fração disso é depois expelida em arrotos, urina e fezes. Embora uma redução global do consumo de carne fosse um passo valioso, a proteína contida nela continuará sendo um importante ingrediente da maioria das dietas humanas e, portanto, a eficácia de sua produção também precisa melhorar. A alteração de dietas animais – por exemplo, alimentar o gado com mais capim e menos ração de milho – ajudaria em pequena escala. Igualmente benéfico seria um tratamento mais adequado dos excrementos animais que, como as estações de tratamento de esgotos para dejetos humanos, reconverte mais nitrogênio reagente em gás inerte antes de liberá-lo no meio ambiente. Do lado energético, responsável por cerca de 20% do excesso de nitrogênio reagente no mundo, grande parte poderia ser removida das atuais emissões de combustíveis fósseis por meio da instalação mais estratégica de tecnologias que eliminam o NOx em chaminés e outras fontes de poluição industrial. Além disso, o contínuo esforço global para melhorar a eficiência energética e enveredar rumo a fontes mais limpas e renováveis reduzirá as emissões de nitrogênio juntamente com as de carbono. Fechar as usinas elétricas mais antigas e menos eficientes, aprimorar os padrões de emissões para veículos e, quando for possível, passar do sistema de produzir energia por meio da combustão tradicional para células combustíveis faria uma diferença significativa. Evidentemente, uma fonte renovável de energia – o biocombustível à base de milho – está gerando uma nova demanda de fertilizantes. O incrível aumento da produção de etanol de milho nos Estados Unidos – quase quadruplicou desde 2000 – já gerou um efeito demonstrável no aumento de nitrogênio no rio Mississippi. Suas águas levam o excesso de fertilizantes até o Golfo do México, onde alimenta a proliferação de florescências de algas tóxicas e cria zonas costeiras mortas. Em abril de 2009, o Comitê Científico para Problemas do Meio Ambiente (então parte do Conselho Internacional para a 50

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Ciência) advertiu em um relatório que a produção desconsiderada de biocombustíveis pode exacerbar o aquecimento global, as ameaças à segurança alimentar e as doenças respiratórias humanas, além dos já conhecidos problemas ecológicos.

COMO FAZER A sociedade já dispõe de diversas ferramentas técnicas para gerenciar melhor o nitrogênio, aproveitar seus benefícios e, ao mesmo tempo, reduzir seus riscos. Quanto aos nossos desafios energéticos, a mudança para um nitrogênio mais sustentável não será fácil, e não existe nenhum remédio para todos os males. Além disso, o know-how tecnológico não basta: sem incentivos econômicos e mudanças de políticas, provavelmente nenhuma dessas soluções resolverá o problema. A velocidade com que a poluição por nitrogênio cresce em todo o mundo sugere a necessidade de algum controle por regulamentação. Provavelmente, é essencial implantar ou fortalecer padrões ambientais, como fixar um volume máximo permitido para o nitrogênio que penetra em águas superficiais e determinar suas concentrações permissíveis em emissões de combustíveis fósseis. Os Estados Unidos e outros países estão adotando políticas regulatórias em escala nacional e regional com algum sucesso. E, à medida que mudanças de políticas levam fertilizantes às regiões do mundo em grande parte ignoradas pela revolução verde, deveriam adotar métodos sustentáveis desde o princípio – para evitar a repetição de erros cometidos nos Estados Unidos e em outras nações. Melhorias promissoras poderiam ocorrer até sem a ameaça regulatória de multas pecuniárias por exceder os padrões de emissões. Instrumentos baseados em políticas de mercado, como cotas comercializáveis, também podem ser úteis. Essa abordagem provou ser notavelmente bemsucedida para emissões industriais de dióxido de enxofre (SO2). Medidas semelhantes já estão sendo adotadas para a poluição NOx, inclusive o Programa de Comércio de Cotas de NOx, da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, instituído em 2003. Políticas semelhantes poderiam ser estendidas ao escoamento de fertilizantes e às emissões procedentes do gado – embora essas sejam mais difíceis de monitorar que as chaminés de uma usina elétrica movida a carvão. Um progresso substancial poderá exigir uma reformulação dos subsídios agrícolas. ParticularAULA ABERTA


[CONTRAPONTO]

ONDE A ESCASSEZ DE FERTILIZANTES É O PROBLEMA Os fertilizantes sintéticos têm sido, e continuarão sendo, vitais para atender à demanda mundial de alimentos, particularmente em regiões desnutridas, como a África subsaariana, onde a utilização mais intensiva de adubos químicos é uma das estratégias para gerar um abastecimento confiável.

O

homem já produz mais que o necessário em fertilizantes para alimentar o mundo. Mas a distribuição injusta e ineficiente significa que sua aplicação excessiva está causando problemas em algumas partes do planeta, enquanto regiões miseráveis se veem presas em um ciclo de desnutrição. Disponibilizar adubos sintéticos aos que tipicamente não poderiam pagar por eles claramente desempenhou um papel relevante para melhorar a segurança alimentar e a condição humana em algumas áreas rurais da África subsaariana, onde a abrangente desnutrição deriva diretamente da pobreza de nutrientes e da erosão do solo. Subsídios para fertilizantes são um pilar do projeto africano Aldeias do Milênio (MVP), da ONU, ambicioso plano “prova de conceito”, em que esforços coordenados para melhorar a saúde, a educação e a produtividade agrícola estão em pleno andamento em uma série de vilarejos rurais na África. Lançado em 2004, o projeto foi implantado em escala nacional no Malauí. Após uma década de reiteradas epidemias de fome e escassez de alimentos, o país criou subsídios para prover lavradores pobres de fertilizantes sintéticos e variedades de sementes aprimoradas. Embora condições climáticas mais favoráveis tivessem ajudado, a abordagem claramente funcionou: o Malauí saltou de um déficit alimentar de 43%, em 2005, para um superávit de 53%, em 2007. — A. R. T. e R. W. H.

RON HAVIV VII/AP

FERTILIZANTES SINTÉTICOS continuam

mente as subvenções que recompensam a diligência ambiental poderiam gerar rápidas mudanças em práticas padronizadas. Um experimento recente sem fins lucrativos, realizado pelo American Farmland Trust, é promissor. Fazendeiros concordaram em reduzir as aplicações de fertilizantes e direcionaram uma parcela das economias de custo, resultantes dos cortes na aquisição dos insumos, para um fundo comum. Em seguida, adubaram menos a parte principal da lavoura, enquanto fertilizaram intensivamente pequenas áreas de teste. Se esses lotes excedessem a produtividade média alcançada pela lavoura toda, o fundo cobriria a diferença. Como Robert Howarth relatou em uma Avaliação do Ecossistema do Milênio, em 2005, essas indenizações raramente foram necessárias, dada a atual tendência de fertilizar excessivamente muitas lavouras. O fazendeiro médio no celeiro do centro-oeste superior americano (fonte da maior parte da poluição de nitrogênio que alimenta as zonas mortas no Golfo do México) tipicamente aplica de 20% a 30% mais adubo de nitrogênio por área de lavoura que o recomendado por técnicos agrícolas. Conforme previsto, os fazendeiros que participaram desse e de outros experimentos similares utilizaram menos fertilizantes, com virtualmente nenhum decréscimo de produtividade. Consequentemente, eles economizaram dinheiro porque o montante que depositaram no fundo foi inferior ao total poupado na aquisição de menos adubo. O resultado é que esses funAULA ABERTA

dos crescem sem o subsídio de contribuintes. Por fim, um melhor nível de educação pública e opções pessoais podem desempenhar papéis cruciais. Assim como diversos indivíduos começaram a reduzir o próprio consumo de energia, muitas pessoas, de todas as esferas, aprendem como selecionar um estilo de vida menos intensivo em nitrogênio. Fazer escolhas pessoais que reduzam pegadas de carbono individuais pode ajudar – não apenas do lado industrial, com o apoio à energia eólica e aos carros híbridos, mas também do lado agrícola. Comer menos carne, comprar produtos produzidos localmente e consumir carne de animais alimentados com capim, em vez de ração de milho, são atitudes que combatem simultaneamente os problemas do carbono e do nitrogênio. Escolhas individuais por si sós provavelmente não serão solução para esses desafios, mas a história mostra que podem incentivar sociedades a enveredar por novos caminhos. Os bem conhecidos conflitos de escolha entre o clima e a produção de energia, ignorados durante muito tempo como hipotéticos, agora aparecem em todo lugar, de discursos presidenciais a gigantescos placares à beira de estradas e incipientes esquemas regulatórios. Problemas provocados pelo ciclo do nitrogênio podem ser significativamente reduzidos com a tecnologia atual e a um custo relativamente módico. Podemos e precisamos melhorar. Isso exigirá um esforço imediato e contínuo, mas um futuro sustentável de nitrogênio é inteiramente viável. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

51

raros em Mwandama, no Malauí.

CONCEITO

CARROS HÍBRIDOS Veículos que combinam duas ou mais fontes de energia. Veículos híbridos diesel e elétrico, por exemplo, são movidos por dois motores, um a óleo diesel e o outro por uma célula a combustível.

PARA CONHECER MAIS Nutrint management. R.W. Howarth et al., em Ecosystems and human well-being: policy responses. Millennium Ecosystem Assessment. Island Press, 2005. Transformation of the nitrogen cycle: recent trends, questions, and potential solutions. James N. Galloway et al., em Science, vol. 320, págs. 889-892, 16 de maio de 2008. Biofuels: environmental consequences and interactions with changing land use. Editado por R. W. Howarth e S. Bringezu. Proceedings of the SCOPE International Biofuels Project Rapid Assessment , Cornell University, abril de 2009.


PARA O PROFESSOR •

Transformações da matéria Evidências de transformações químicas; ciclos biogeoquímicos na Natureza; combustões; efeito estufa e aquecimento global. Representação das transformações químicas Fórmulas químicas; balanceamento de equações químicas. Materiais, suas propriedades e usos Estado físico dos materiais; propriedades gerais dos gases; ligações químicas; propriedades de compostos iônicos e moleculares; interações moleculares. Água Ocorrência e importância na vida animal e vegetal; ligação, estrutura e propriedades; sistemas em solução aquosa: soluções verdadeiras, soluções coloidais e suspensões; concentração das soluções; funções inorgânicas: ácidos, bases, sais e óxidos; chuva ácida. Transformações Químicas e Energia Reações de oxirredução; pilhas e baterias; eletrólise. Dinâmica das Transformações Químicas Fatores que alteram as velocidades das reações, o papel do catalisador. Transformação Química e Equilíbrio O estado de equilíbrio; constante de equilíbrio; produto iônico da água, equilíbrio ácido-base e pH; fatores que alteram o sistema em equilíbrio. Compostos de Carbono Características gerais dos compostos orgânicos; estrutura e propriedades de hidrocarbonetos, de compostos orgânicos oxigenados e nitrogenados; fermentação; óleos, proteínas e enzimas. Relações da Química com as Tecnologias, a Sociedade e o Meio Ambiente Indústria química: obtenção e utilização da amônia. Energias Químicas no Cotidiano Petróleo e biocombustíveis. Impactos ambientais. 52

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

© FZD.IT/SHUTTERSTOCK

▼ Conteúdos

▼ 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 seu papel 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; Compreender interações entre organismos e ambiente, em particular aquelas relacionadas à saúde humana, relacionando conhecimentos científicos, aspectos culturais e características individuais; Entender métodos e procedimentos próprios das ciências naturais e aplicálos em diferentes contextos; Apropriar-se de conhecimentos da física, química e biologia, para, em situações-problema, interpretar, avaliar ou planejar intervenções científico-tecnológicas. AULA ABERTA


QUÍMICA Ciências da Natureza e suas tecnologias

▼ PROPOSTAS PEDAGÓGICAS CONTEXTUALIZAÇÃO O texto discute as consequências da ação do homem no ciclo biogeoquímico do nitrogênio. O nitrogênio, denominado no texto “reagente”, pode se apresentar na forma gasosa (NOx, N2O e NH3), ou de compostos solúveis em água (NH4+ e NO3-), e não deve ser confundido com o gás nitrogênio (N2), principal componente da atmosfera. Este, devido à baixa reatividade, é denominado no texto de “não regente” ou inerte; aquele é considerado responsável por provocar problemas ambientais locais e regionais, como a poluição atmosférica, a chuva ácida, a contaminação de águas e a biodiversidade de florestas naturais. A leitura do texto permite um trabalho de pesquisa e reflexão interdisciplinar sobre temas como: importância do uso de fertilizantes (Química e Biologia), os ciclos biogeoquímicos da Natureza (Biologia), ocupação do solo, formas de produção e mecanização da colheita da cana (Geografia), transformações e energia (Química e Física), adequação da denominação “combustível limpo” para biocombustíveis (Química e Biologia).

• importância do processo Haber-Bosh; • as vantagens e desvantagens da substituição de combustíveis fósseis por biocombustíveis, como o etanol e o biodiesel; • adequação do uso do termo “combustível limpo” para biocombustíveis. APÓS A LEITURA Conduza uma discussão que permita que os alunos explicitem suas percepções sobre a leitura. Na sequência, solicite que formem grupos de 3 ou 4 alunos para elaborar um pôster ou artigo de divulgação científica, sugerindo como tema um dos tópicos listados acima. Os trabalhos podem ser apresentados em forma de seminários, com duração aproximada de 15 minutos. Uma excelente fonte de pesquisa para auxiliar na elaboração dos trabalhos é o artigo “Biocombustível, o mito do combustível limpo”, da revista Química Nova na Escola, disponível em: http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc28/03QS-3207.pdf.

© JIM BARBER/SHUTTERSTOCK

ANTES DA LEITURA Apresente o ciclo do nitrogênio, apontando a importância do papel das bactérias fixadoras e cianobactérias, para incorporação desse elemento nos seres vivos. Nesse contexto, destaque a necessidade de adubação da terra para atender a demanda mundial de alimentos e a importância de processos industriais, como o Haber-Bosh, para a obtenção de amônia, desenvolvido no início do século 20, até hoje utilizado em escala industrial. DURANTE A LEITURA Solicite que leiam o texto atentando para os seguintes tópicos: • necessidade e consequências do uso de fertilizantes; AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

53


MATEMÁTICA

O INCRÍVEL

COMPUTADOR DA ANTIGUIDADE Novas pesquisas revelam como a máquina de Anticítera criou modelos do movimento lunar e previu eclipses, entre outros truques sofisticados Por Tony Freeth e não fosse por duas tempestades na mesma área do Mediterrâneo, com 2 mil anos de diferença entre elas, o mais importante artefato tecnológico do mundo antigo poderia estar perdido para sempre. A primeira tempestade, em meados do século 10 a.C., afundou um navio mercante romano carregado de tesouros gregos. A segunda, em 1900 d.C., levou um grupo de mergulhadores que coletavam esponjas a se abrigar na pequena ilha de Anticítera, entre Creta e a parte continental da Grécia. Quando a tempestade amainou, os mergulhadores saíram em busca de esponjas nas águas locais e encontraram os destroços do navio. Meses depois eles retornaram, com o apoio do governo grego. Por nove meses, recolheram um tesouro de belos objetos antigos gregos – bronzes raros, vidrarias bonitas, ânforas, cerâmicas e joias – em uma das primeiras grandes escavações arqueológicas submarinas da história. No início, um objeto atraiu pouca atenção: um bloco tomado por calcário, não identificável, do tamanho de uma lista telefônica. Alguns meses depois foi quebrado, revelando os resquícios de engrenagens de bronze corroído – justapostas e com dentes de

S CONCEITO

INFORMAÇÕES ASTRONÔMICAS A principal forma de obtêlas é por meio da detecção e análise da luz visível ou outras regiões da radiação eletromagnética.

54

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

apenas 1,5 mm de comprimento; havia placas cobertas com escalas científicas e inscrições em grego. A descoberta foi um choque: até então, acreditava-se que os antigos tivessem criado engrenagens apenas para tarefas mecânicas simples. Três dos fragmentos principais da máquina de Anticítera, como o mecanismo ficou conhecido, estão atualmente em exibição no Museu Nacional de Arqueologia da Grécia em Atenas. Eles parecem pequenos e frágeis, ao lado de estátuas de bronze imponentes e de outras glórias artísticas da Grécia antiga. Mas seu poder sutil é ainda mais impressionante do que se poderia imaginar a princípio. Ouvi falar no mecanismo pela primeira vez em 2000. Eu dirigia filmes, e o astrônomo Mike Edmunds, da Cardiff University, País de Gales, entrou em contato comigo porque achou que a máquina seria um bom tema para um documentário televisivo. Soube que pesquisadores estudando o mecanismo por muitas décadas fizeram um progresso considerável, sugerindo que ele calculava informações astronômicas, embora ainda não conseguissem entender completamente como ele funcionava. Como ex-matemático, fiquei muito interessado em entendê-lo. AULA ABERTA


JEAN-FRANÇOIS PODEVIN E TONY FREETH

Eu e Edmunds reunimos colaboradores estrangeiros que, por fim, incluíram historiadores, astrônomos e duas equipes de especialistas em imagens. Nos últimos anos, nossa equipe conseguiu reconstruir a forma como quase todas as partes restantes funcionavam e quais as suas funções. O mecanismo calculava as datas de eclipses lunares e solares, fazia modelos do sutil movimento aparente da Lua pelo céu da forma mais precisa que o conhecimento disponível na época possibilitava e mantinha registro das datas de importância social, como os Jogos Olímpicos. Nada comparável, em sofisticação tecnológica, é conhecido em nenhum lugar do mundo a não ser um milênio depois. Se esse espécime único não tivesse sobrevivido, os historiadores nunca poderiam supor que ele tivesse existido na época.

PIONEIROS ANTIGOS O filólogo alemão Albert Rehm foi uma das primeiras pessoas a entender, por volta de 1905, que a máquina de Anticítera era uma calculadora astronômica. Meio século mais tarde, quando o historiador da ciência Derek J. de Solla Price, então no Institute for Advanced Study em Princeton, Nova Jersey, descreveu o aparelho em um artigo da Scientific American, AULA ABERTA

ele revelou apenas poucos de seus segredos. Price sugeriu que, girando-se uma manivela na lateral, o aparelho exibia o resultado por meio de ponteiros móveis em mostradores localizados na frente e atrás. Ao girar a manivela, o usuário podia ajustar o mecanismo para determinada data conforme indicado no mostrador do calendário de 365 dias na frente. (O mostrador podia ser regulado para conter um dia adicional a cada quatro anos, como hoje nos anos bissextos.) Ao mesmo tempo, a manivela controlava todas as outras engrenagens da máquina, revelando as informações correspondentes à data estabelecida. Um segundo mostrador frontal, concêntrico com o calendário, assinalava os 360 graus e os 12 signos representando as constelações do zodíaco (ver quadro nas págs. 58 e 59). Essas são as constelações que o Sol cruza em seu movimento aparente em relação às estrelas “fixas” – “movimento” que na verdade resulta da Terra girando na órbita do Sol – ao longo do caminho eclíptico. Price supôs que a parte frontal do mecanismo provavelmente tinha um ponteiro mostrando onde o Sol estaria na eclíptica, na data desejada. Nos fragmentos recuperados, Price identificou os restos de 12 engrenagens que faziam parte do interior do instrumento. Também calculou o número de dentes SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

55

OS GREGOS ANTIGOS sabiam como calcular os padrões recorrentes de eclipses lunares graças a observações feitas durante séculos pelos babilônios. A máquina de Anticítera teria feito esses cálculos para eles – ou talvez para os romanos ricos que pudessem pagar. A imagem aqui é baseada em uma reconstrução teórica feita pelo autor e seus colaboradores.


[OS LUGARES] Roma

REPÚBLICA ROMANA

PÉRGAMO

Atenas

REINO SELÊUCIDA Babilônia

Corinto

Siracusa

RODES

Anticítera

SICÍLIA CRETA

REINO PTOLOMAICO

O mundo greco-romano por volta de 145 a.C.

De onde veio?

CONCEITO

ENGRENAGEM É um elemento mecânico composto de rodas dentadas que se ligam a um eixo rotativo, ao qual imprimem movimento.

CONCEITO

PROPORÇÃO É a igualdade entre razões.

CONCEITO

CICLO BABILÔNICO DA LUA Ciclo de 19 anos, no qual se introduzem os meses complementares em sete anos.

– praticamente tudo que se podia fazer, pois quase todas as engrenagens estavam danificadas e incompletas. Depois, em um estudo de 1974 que se tornou referência, Price descreveu 27 engrenagens do fragmento principal e forneceu contagens de dentes mais exatas baseadas nos primeiros raios X do mecanismo, feitos pelo radiologista grego Charalambos Karakalos. O número de dentes indica o que o mecanismo calculava. Exemplo: o giro da manivela, dando uma volta completa em uma engrenagem primária de 64 dentes, representava a passagem de um ano, conforme é indicado por um ponteiro no mostrador do calendário. Essa engrenagem primária também estava ligada a duas engrenagens secundárias de 38 dentes, cada uma consequentemente girando 64/38 vezes para cada ano. De modo semelhante, o movimento passava de engrenagem para engrenagem através do mecanismo; a cada passo, a proporção dos números de dentes da engrenagem representava uma fração diferente. O movimento finalmente era transmitido para os ponteiros, que então se movimentavam em proporções correspondentes a diferentes ciclos astronômicos. Price descobriu que as proporções de uma dessas sucessões de engrenagens incorporavam um antigo ciclo babilônico da Lua. Price, assim como Rehm antes dele, propôs que o mecanismo também continha engrenagens epicí56

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

clicas – engrenagens girando em mancais ligados a outras engrenagens, da mesma forma que as xícaras malucas do brinquedo de parque de diversões. As engrenagens epicíclicas ampliam o alcance de fórmulas que os mecanismos conseguem calcular além de multiplicações de frações até adições e subtrações. Só se teria conhecimento da existência de outro exemplo de engrenagem epicíclica na tecnologia ocidental uns 1.500 anos depois. Vários outros pesquisadores estudaram o mecanismo, notadamente Michael Wright, curador do Science Museum em Londres, em colaboração com o cientista da computação Allan Bromley, da University of Sydney. Eles pegaram os três primeiros raios X tridimensionais da máquina e mostraram que o modelo de Price do mecanismo estava errado. Bromley faleceu em 2002, mas Wright persistiu e fez avanços significativos. Encontrou, por exemplo, evidências de que os mostradores traseiros, que à primeira vista parecem anéis concêntricos, são na verdade espirais; e descobriu um mecanismo epicíclico na parte frontal, que calculava a fase da Lua. Wright também adotou uma das ideias de Price, ou seja, que o mostrador superior traseiro poderia ser um calendário lunar, baseado no ciclo lunar de 19 anos e 235 meses chamado ciclo metônico. Esse calendário foi assim denominado em homenagem ao astrônomo AULA ABERTA

KIRK CALDWELL (MAPA); NATIONAL ARCHAEOLOGICAL MUSEUM, ATENAS (FRAGMENTO)

A máquina de Anticítera foi construída por volta de meados do século 20 a.C., época em que Roma se expandia à custa dos reinos helênicos dominados pela Grécia (verde). Mergulhadores recuperaram seus restos corroídos (inclusive o fragmento à esquerda) em 1901 d.C. de um navio naufragado perto da ilha de Anticítera. O navio afundou por volta de 65 d.C. enquanto carregava tesouros de arte gregos, talvez de Pérgamo para Roma. Rodes tem uma das maiores tradições na astronomia grega, mas as últimas evidências apontam para a origem em Corinto. Siracusa, uma colônia de Corinto na Sicília, é uma possibilidade: o grande inventor grego Arquimedes viveu ali e pode ter deixado uma tradição tecnológica.


DADOS POR X-TEK SYSTEMS, SOFTWARE POR VOLUME GRAPHICS, © 2005 ANTICÍTERA MECHANISM RESEARCH PROJECT (ESCANEAMENTO DE TC); GRIFF WASON E TONY FREETH (RECONSTRUÇÃO)

Meton, de Atenas, do século 50 a.C. – embora ele tivesse sido descoberto antes pelos babilônios – e ainda hoje é usado para determinar o festival judaico de Rosh Hashanah e a festa cristã da Páscoa. Mais tarde, iríamos descobrir que o ponteiro era extensível, de modo que um pino em sua ponta poderia seguir um sulco ao redor de cada volta sucessiva da espiral.

BLADERUNNER EM ATENAS Assim que começamos nossos estudos, enfrentamos uma frustrante falta de informação. Não tínhamos acesso aos estudos anteriores de raios X, e nem sequer contávamos com boas fotografias. Pedimos à Hewlett-Packard, na Califórnia, que criasse imagens fotográficas de última geração e solicitamos à X-Tek Systems no Reino Unido imagens de raios X em três dimensões. Depois de quatro anos de cuidadosa diplomacia, John Seiradakis, da Universidade Aristotélica de Tessalônica, e Xenophon Moussas, da Universidade de Atenas, obtiveram as autorizações necessárias, e fizemos então os arranjos para as equipes de imagens levarem seu equipamento até Atenas, medida necessária porque o mecanismo de Anticítera é frágil demais para ser transportado. Nesse tempo, recebemos um telefonema totalmente inesperado de Mary Zafeiropoulou, do museu. Ela estivera no depósito do porão e encontrara caixas

com peças rotuladas “Anticítera”. Estaríamos interessados? É óbvio que sim. Agora contávamos com um total de 82 fragmentos, cerca de 20 a mais. A equipe da HP, liderada por Tom Malzbender, montou um domo de aparência misteriosa de cerca de 1,5 m de comprimento e o cobriu de lâmpadas eletrônicas de flash que forneciam iluminação de vários ângulos diferentes. A equipe usou uma técnica da indústria de jogos de computador, chamada mapeamento polinomial de texturas, para intensificar detalhes da superfície. Inscrições que Price teve dificuldade de ler agora estavam legíveis. Um mês depois a polícia local teve de evacuar as ruas no centro de Atenas para que um caminhão transportando a BladeRunner, a máquina de raios X de 8 toneladas da X-Tek, pudesse ter acesso ao museu. A BladeRunner faz tomografia computadorizada de modo semelhante a um aparelho de TC de hospital, porém com mais detalhes. Roger Hadland da X-Tek e seu grupo já a tinham equipado com capacidade de raios X suficiente para penetrar nos fragmentos da máquina de Anticítera. A reconstrução em 3D resultante foi maravilhosa: enquanto Price enxergava apenas um quebra-cabeça de engrenagens sobrepostas, nós agora isolávamos camadas dentro do fragmento e víamos todos os menores detalhes dos dentes da engrenagem.

[A RECONSTRUÇÃO]

Anatomia de uma relíquia Tomografia computadorizada – mapeamento em três dimensões obtido por múltiplas emissões de raios X – permitiu ao autor e colegas obterem imagens internas dos restos da máquina de Anticítera. Um escaneador de TC, por exemplo, pôde ser usado para fatiar um objeto virtualmente (abaixo, fatias do fragmento principal) . A informação ajudou a equipe a ver como as engrenagens restantes se conectavam e a estimar o número de dentes, determinando que cálculos fariam. A equipe pôde então reconstruir a maior parte do aparelho ( ver modelo à direita e os quadros das duas páginas seguintes ).

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

57


[DENTRO DA MÁQUINA DE ANTICÍTERA]

Inesperadamente, os raios X revelaram mais de 2 mil novos caracteres de texto, escondidos profundamente nos fragmentos. (Até o momento identificamos e interpretamos um total de 3 mil caracteres de talvez 15 mil existentes originalmente.) Em Atenas, Moussas e Yanis Bitsakis, também da Universidade de Atenas, e Agamemnon Tselikas, do Centro de História e Paleografia, começaram a descobrir inscrições invisíveis aos olhos humanos por mais de 2 mil anos. Uma foi traduzida como “... subdivisões espirais 235...”, confirmando que a parte superior traseira era uma espiral descrevendo o calendário metônico.

ECLIPSE LUNAR Fenômeno celeste que ocorre quando a Lua penetra, total ou parcialmente, no cone de sombra projetado pela Terra no espaço em geral visível a olho nu. Nesse caso, a Terra fica entre o Sol e a Lua.

O AUTOR Tony Freeth tem formação acadêmica em matemática e em lógica matemática (na qual obteve doutorado). Sua carreira premiada como diretor de filmes culminou em uma série de documentários sobre o aumento de produção das culturas na África subsaariana, com participação do falecido vencedor do Prêmio Nobel da Paz Norman Borlaug. Desde 2000, Freeth se dedica ao foco acadêmico das pesquisas da máquina de Anticítera. Ele é diretorexecutivo da empresa de filmagens e de produção televisiva Images First; agora produz um filme sobre o mecanismo.

58

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Esta imagem expandida do mecanismo mostra todas, exceto uma, das 30 engrenagens conhecidas, mais algumas que são hipotéticas. Um giro na manivela na lateral ativava todas as

MOSTRADOR ZODIACAL

MOSTRADOR DO CALENDÁRIO EGÍPCIO

Indicava as 12 constelações ao longo da eclíptica, o caminho do Sol no céu.

Exibia os 365 dias do ano.

Ponteiro da data Ponteiro solar

Manivela

D

E

PONTEIROS PLANETÁRIOS (HIPÓTESE) Podem ter mostrado a posição dos planetas no mostrador zodiacal.

GRIFF WASON AND TONY FREETH

HIPERLINK

SISTEMA BABILÔNICO De volta a Londres, comecei a examinar as imagens de tomografia. Certos fragmentos eram claramente partes do mostrador em espiral da parte traseira inferior. Uma estimativa do número total de divisões na espiral de quatro voltas do mostrador sugeriu 220 a 225. O número primo 223 foi o óbvio competidor. Os babilônios antigos tinham descoberto que se um eclipse lunar é observado – algo que só pode ocorrer durante a lua cheia – , geralmente um eclipse lunar semelhante sobrevirá 223 luas cheias depois. De modo semelhante, se os babilônios observavam um eclipse solar – que só pode ocorrer durante a fase de lua nova – eles conseguiam prever que 223 luas novas depois haveria fenômeno semelhante (embora nem sempre pudessem observá-lo: os eclipses solares são visíveis apenas de locais específicos, e os astrônomos antigos não podiam prevê-los de modo confiável). Os eclipses se repetem desse modo porque, a cada 223 meses lunares, o Sol, a Terra e a Lua retornam para aproximadamente o mesmo alinhamento em relação um ao outro, uma periodicidade conhecida como o ciclo de Saros. Entre as divisões de escala havia blocos de símbolos, quase todos contendo (sigma) ou (eta), ou ambos. Logo percebi que significava (selene), “lua” em grego, indicando um eclipse lunar; é para (hélios), “sol” em grego, indicando um eclipse solar. Os babilônios também sabiam que, em um período de 223 meses, os eclipses podem ocorrer apenas em certos meses, dispostos em um padrão previsível e separados por intervalos de cinco ou seis meses; a distribuição dos símbolos em volta do mostrador correspondia perfeitamente a esse padrão. Agora eu precisava seguir a trilha de pistas até o cerne do mecanismo para descobrir aonde essa nova visão levaria. O primeiro passo era achar uma engrenagem com 223 dentes para movimentar esse novo disco de Saros. Karakalos havia estimado que uma engrenagem grande na

Mecanismo astronômico

PONTEIRO LUNAR Mostrava a posição da Lua em relação às INSCRIÇÕES DA PLACA FRONTAL Descreviam a hora em que estrelas constelações no importantes nasciam e se punham disco zodiacal. durante o ano.

AULA ABERTA


engrenagens do mecanismo e movimentava os ponteiros nos mostradores frontais e traseiros: as setas azuis, vermelhas e amarelas explicam como o movimento se transmitia de uma engrenagem a outra. O usuário escolhia uma data no disco do calendário egípcio de 365 dias na frente ou no do calendário metônico de 235 dias, na parte de trás, e então lia as predições astronômicas, como a

posição e as fases da Lua para aquela época, nos outros mostradores. Ou poderia girar a manivela para determinar um evento no mostrador astronômico e verificar em que data ocorreria. Outras engrenagens, agora perdidas, podem ter calculado as posições do Sol e de alguns dos cinco planetas conhecidos na Antiguidade e mostrá-los por meio dos ponteiros no mostrador zodiacal.

SEQUÊNCIA DE ENGRENAGENS METÔNICAS Calculava o mês no calendário metônico, composto de 235 meses lunares, e o mostrava por meio A no mostrador traseiro do calendário metônico. Um pino ● B na ponta do ponteiro do ponteiro ● seguia o sulco da espiral, e o ponteiro se estendia em comprimento quando atingia os meses C viravam um ponteiro D em marcados em voltas sucessivas exteriores. Engrenagens auxiliares ● um mostrador menor, indicando os ciclos de quatro anos dos Jogos Olímpicos e de outras competições. Outras engrenagens movimentavam um ponteiro em outro mostrador pequeno ● E que pode ter indicado um ciclo de 76 anos.

MOSTRADOR DO CALENDÁRIO METÔNICO

ENGRENAGEM PRIMÁRIA Quando é movida pela manivela, ativa todas as outras engrenagens. Também movimenta diretamente um ponteiro que indica a data no mostrador do calendário egípcio. Um giro completo desta engrenagem representa a passagem de um ano.

E ●

A ●

Mostrava o mês em um ciclo de 235 meses lunares dispostos em uma espiral.

E ●

D ●

MOSTRADOR OLÍMPICO

C ● D ● A ●

Indicava os anos dos Jogos Olímpicos antigos e de outras competições.

B ●

C ●

A ● D ●

fenda de encaixe

B ●

A ●

pino

B ●

Inscrições nesta espiral indicavam os meses em que os eclipses lunares e solares podiam ocorrer.

SEQUÊNCIA DE ENGRENAGENS LUNARES Um sistema, que inclui engrenagens epicíclicas, simulava as variações do movimento da Lua que, agora já se sabe muito bem, se origina de sua velocidade orbital. As engrenagens epicíclicas estavam presas a uma engrenagem A como as xícaras malucas do parque de diversões. maior ● Uma engrenagem virava a outra por um mecanismo com B . Depois, o movimento era pino e fenda de encaixe ● transmitido através de outras engrenagens e para a frente C virava do mecanismo. Ali, um outro sistema epicíclico ● D para mostrar uma esfera metade branca, metade preta ● as fases da Lua, e um ponteiro ● E mostrava a posição da Lua no mostrador zodiacal.

AULA ABERTA

MOSTRADOR DE ECLIPSE LUNAR DE SAROS

A ● B ●

SEQUÊNCIA DE ENGRENAGENS DE ECLIPSE Calculava o mês dos eclipses recorrentes no calendário de 223 meses lunares do ciclo de Saros. Mostrava o mês no mostrador de Saros com A semelhante ao do mostrador metônico. um ponteiro extensível ● B em um mostrador Engrenagens auxiliares moviam um ponteiro ● menor. O ponteiro fazia um terço de volta para cada ciclo de 223 meses para indicar que o tempo do eclipse correspondente seria compensado em oito horas.

➥ PARA CONHECER MAIS Nova Cedae – site da empresa: Na web, em http://www.cedae.com.br. Guinness World Records 2010. Guinness Publishing. Ediouro.


HIPERLINK

ELIPSE Em geometria, é um tipo de seção cônica. Se cortarmos uma superfície cônica com um plano que não passe pela base nem intercepte as duas folhas do cone, a intersecção entre o cone e o plano é uma elipse.

PARA CONHECER MAIS An ancient Greek computer. Derek J. de Solla Price, em SCIENTIFIC AMERICAN, vol. 200, n0 6, págs. 60-67, junho de 1959. Gears from the Greeks: the Antikythera Mechanism – A Calendar Computer from ca. 80 b.C. Derek de Solla Price, em Transactions of the American Philosophical Society, New Series, vol. 64, n0 7, págs. 1-70, 1974. Decoding the ancient Greek astronomical calculator known as the Antikythera mechanism. Tony Freeth et al., em Nature, vol. 444, págs. 587-591, 30 de novembro de 2006. Calendars with olympiad display and eclipse prediction on the Antikythera mechanism. Tony Freeth, Alexander Jones, John M. Steele e Yanis Bitsakis, em Nature, vol. 454, págs. 614617, 31 de julho de 2008. The Antikythera Mechanism Research Project: www.Antikythera-mechanism.gr

parte traseira do fragmento principal tinha 222 dentes. Mas Wright revisou essa estimativa para 223, e Edmunds a confirmou. Com contagens plausíveis de dentes para as outras engrenagens e com a adição de uma engrenagem pequena hipotética, essa engrenagem de 223 dentes poderia executar os cálculos necessários. Mas um grande problema continuava sem solução e provou ser a parte mais difícil do quebra-cabeça a ser solucionado. Além de calcular o ciclo de Saros, a engrenagem grande de 223 dentes também exibia o sistema epicíclico notado por Price: duas engrenagens pequenas justapostas, presas a uma maior no estilo do brinquedo das xícaras. Cada engrenagem epicíclica também se comunicava a uma menor. Confusamente, todas as quatro engrenagens pequenas pareciam ter o mesmo número de dentes – 50 – o que parece não fazer sentido porque os dados de saída seriam então iguais aos dados de entrada. Depois de meses de frustração, lembrei que Wright observara que uma das duas engrenagens epicíclicas tinha um pino em sua face que se prendia com uma fenda de encaixe em outra. A ideia essencial era que as duas engrenagens giravam em eixos ligeiramente diferentes, separadas por aproximadamente 1 mm. Consequentemente, o ângulo virado por uma engrenagem alternava entre estar ligeiramente maior ou ligeiramente menor que o ângulo da outra. Assim, se uma engrenagem girasse em velocidade constante, a velocidade da outra oscilava entre ligeiramente mais rápida e ligeiramente mais devagar que ela.

PERGUNTE PELA LUA Embora Wright tenha rejeitado a própria observação, percebi que a velocidade da rotação variável é precisamente o que eu necessitava para calcular o movimento da Lua, de acordo com a mais avançada teoria astronômica do século 20 a.C., frequentemente atribuída a Hiparco de Rodes. Antes de Kepler (1605 d.C.), ninguém sabia que as órbitas são elípticas e que a Lua se acelera próxima ao perigeu – seu ponto mais próximo da Terra – e desacelera no apogeu, o ponto oposto. Mas os antigos sabiam que o movimento da Lua no zodíaco parecia desacelerar e acelerar periodicamente. No modelo de Hiparco, a Lua se movimentava em uma velocidade constante em volta de um círculo cujo próprio centro se movia ao redor de um círculo numa velocidade constante – uma aproximação bastante boa do movimento aparente da Lua. Esses círculos sobre círculos, denominados epiciclos, 60

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

[MANUAL DE INSTRUÇÕES]

Como prever um eclipse O manuseio da máquina de Anticítera pode ter exigido apenas um pouco de prática e de conhecimento astronômico. Depois de uma calibragem inicial por um especialista, a máquina podia gerar predições bem precisas de acontecimentos de muitas décadas passadas ou futuras. As inscrições no mostrador de Saros, que surgiam em intervalos de cinco ou seis meses, correspondiam aos meses em que a Terra, o Sol e a Lua ficavam em um alinhamento próximo (ou seja, representavam eclipses solares e lunares em potencial) em um ciclo de 223 meses lunares. Assim que o mês do eclipse era conhecido, o dia exato podia ser calculado com os mostradores frontais usando o fato de que os eclipses solares sempre acontecem durante a fase de lua nova e os eclipses solares durante a lua cheia.

prevaleceram no pensamento astronômico nos 1.800 anos seguintes. Há ainda uma complicação maior: o apogeu e o perigeu não são fixos, porque a elipse da órbita lunar dá uma volta completa a cada nove anos. Então o tempo que o corpo leva para voltar ao perigeu é um pouco mais longo que o tempo que ele leva para voltar ao mesmo ponto do zodíaco. A diferença é de apenas 0,112579655 de volta por ano. Com a engrenagem de entrada tendo 27 dentes, a rotação da engrenagem maior era ligeiramente grande demais; com 26 dentes era ligeiramente pequena demais. O resultado certo parecia estar no meio. Então testei a ideia impossível de que a engrenagem de entrada tivesse 26½ dentes. Apertei o botão de minha calculadora e deu 0,112579655 – exatamente a resposta certa. Não podia ser uma coincidência de nove casas decimais! No entanto, as engrenagens não podem ter números de dentes fracionários. Então percebi que 26½ x 2 = 53. Na verdade, Wright tinha estimado que uma engrenagem essencial teria 53 dentes, e eu agora via que esse número fazia tudo se encaixar. O projetista tinha montado o pino e a fenda de encaixe epiciclicamente para desacelerar sutilmente o período de sua variação enquanto mantinha a rotação básica igual, uma concepção de pura genialidade. Graças a Edmunds, também percebemos que o sistema de engrenagens epicíclicas, a parte traseira da máquina, movia uma haste que virava dentro de outra haste, oca, pelo resto do mecanismo e para a frente, de modo que o movimento lunar pudesse ser representado no disco zodiacal e no mostrador das fases lunares. Agora toAULA ABERTA


Mostrador metônico Ponteiro lunar

Ponteiro da data

Ponteiro solar

GRIFF WASON E TONY FREETH

Mostrador de Saros

AJUSTE A DATA

DESCUBRA O MÊS DO ECLIPSE

CALCULE O DIA

Comece girando a manivela para colocar mês e ano atuais no calendário metônico. O ponteiro de baixo se voltará para o mês correspondente no mostrador de eclipse de Saros.

Gire a manivela para acelerar o tempo até que o ponteiro no mostrador de Saros aponte para uma inscrição de eclipse. Esta indicará o mês e a hora do dia (mas não o dia) de um eclipse e se ele será lunar ou solar.

Ajuste a manivela até os ponteiros lunar e solar se alinharem (para um eclipse solar) ou a 180° (para um eclipse lunar). O ponteiro do calendário egípcio se movimentará, de forma correspondente, indicando o dia do eclipse.

dos os números das engrenagens estavam explicados, com a exceção de uma engrenagem pequena. Pesquisas mais aprofundadas nos fizeram mudar algumas coisas em nosso modelo. Uma era sobre um disco complementar posicionado na parte de trás, dentro do mostrador metônico, disco que se divide em quatro quadrantes. A primeira pista veio quando li o nome “NEMEA” sob um dos quadrantes. Alexander Jones, historiador da New York University, explicou que isso se refere aos Jogos de Nemeia, um dos maiores eventos atléticos da Grécia Antiga. Por fim, achamos gravados, em torno das quatro partes do disco, a maior parte de “ISTHMIA”, para jogos em Corinto, “PYTHIA”, para jogos em Delfos, “NAA”, para jogos menores em Dodona, e “OLYMPIA”, para os jogos mais importantes do mundo grego, os Jogos Olímpicos. Todos as competições ocorriam a cada dois ou quatro anos. Anteriormente tínhamos considerado o mecanismo como um mero instrumento de astronomia matemática, mas o mostrador olímpico – como nós o nomeamos – propiciou a ele uma função social inesperada. Vinte e nove das 30 engrenagens recuperadas calculam ciclos do Sol e da Lua. Porém, nossos estudos das inscrições frontais do mecanismo também renderam uma busca de informações sobre a ascensão e a descida de estrelas significantes e dos planetas. Além disso, no disco da engrenagem “primária” na frente da máquina restos do mancal são testemunha de um sistema epicíclico perdido que poderia muito bem ter modelado o movimento dos planetas passando pela eclíptica (assim como as anomalias no próprio movimento solar). Todas essas pistas apoiam AULA ABERTA

fortemente a inclusão do Sol e de pelo menos alguns dos cinco planetas conhecidos nos tempos antigos: Mercúrio, Vênus, Marte, Júpiter e Saturno. Wright construiu um modelo da máquina com sistemas epicíclicos para todos os cinco planetas. Mas seu esquema engenhoso não está de acordo com todas as evidências. Com suas 40 engrenagens extras, também pode ser muito complexo para ser associado à simplicidade brilhante do resto do mecanismo. A resposta definitiva pode ainda estar a 50 metros de profundidade no chão do oceano. A questão do local de origem do mecanismo e de quem o criou permanece aberta. A maioria da carga no navio naufragado veio da Grécia oriental, de lugares como Pérgamo, Cos e Rodes. É uma suposição natural que Hiparco ou outro astrônomo de Rodes tenha construído o mecanismo. Mas o texto escondido entre as 235 divisões de escala mensais do calendário metônico contradiz essa visão. Alguns dos nomes de meses eram usados apenas em locais específicos na Grécia Antiga, sugerindo a origem na região de Corinto. Se o mecanismo era da própria Corinto, é quase certo que foi feito antes que a cidade fosse completamente destruída pelos romanos em 146 a.C. Talvez o mais provável seja que ele foi criado para ser usado em uma das colônias de Corinto no noroeste da Grécia ou na Sicília. A Sicília é uma boa possibilidade. A cidade de Siracusa era o lar de Arquimedes, o maior cientista da Antiguidade. A máquina de Anticítera pode ter sido construída dentro de uma tradição de manufatura de instrumentos originada do próprio homem da “Eureca”. SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

61

CONCEITO

CALENDÁRIO METÔNICO Trata-se de um calendário lunar. 235 meses lunares somavam quase 19 anos solares. Para manter o sincronismo exato com o ano solar, bastava adicionar 7 meses lunares.


PARA O PROFESSOR ▼ Conteúdos • • • •

PROPOSTAS PEDAGÓGICAS

Circunferência e círculo Áreas Matriz Modelagem matemática

Faça a leitura coletiva do texto. Inicie explicando que o texto explora alguns aspectos da circunferência e do circulo. Fale sobre o comprimento da circunferência.

▼ Atividades

▼ Competências e habilidades

trabalhadas segundo a Matriz de Referência do Enem

• Peça aos alunos que meçam o comprimento (C) e o diâmetro (D) de diversos objetos com esse formato, por exemplo, uma moeda, um CD, uma lata etc. •

Utilizar conhecimento geométrico para realizar a leitura e representação da realidade e agir sobre ela. Modelar e resolver problemas que envolvem variáveis socioeconômicas ou técnico-científicas, usando representações algébricas. Construir noções de variação de grandezas para a compreensão da realidade e a solução de problemas do cotidiano.

▼ Habilidades

envolvidas •

Utilizar conhecimentos algébricos/ geométricos como recurso para a construção de argumentação. Utilizar a noção de escalas na leitura de representação de situação do cotidiano. Avaliar o resultado de uma medição na construção de um argumento consistente. 62

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

Depois de medidos e anotados os resultados, solicite à sala que calcule a C razão ; após calcularem essa razão D diversas vezes com diferentes objetos, espera-se que os alunos percebam que os valores encontrados se aproximam bastante de 3,14, então, é chegada a hora de o professor comentar com os alunos que os valores encontrados são boas aproximações do número irracional . Tendo a ideia de que a razão entre o comprimento da circunferência e seu diâmetro é , então, pode ser definido que C = . D

Mostre que o modelo matemático que nos dá o comprimento da circunferência é: C = .D ou C = 2. .r , sendo r o raio da circunferência que é metade do diâmetro.

Depois de abordadas as questões referentes ao comprimento da circunferência, explore exercícios do livro relacionados à área do círculo. AULA ABERTA

© LASSE KRISTENSEN/SHUTTERSTOCK


MATEMÁTICA

Ciências da Natureza e suas tecnologias

Utilize o recurso da história da matemática: diga que um dos registros mais antigos da determinação da área do círculo encontra-se no Papiro de Rhind. Esse papiro foi escrito pelo escriba Ahmes no Egito há mais de 3.500 anos; ele contém uma série de problemas matemáticos, dentre eles um que trata da área de um círculo. Esse problema considerava um círculo de raio r inscrito em um quadrado cujo lado mede 3 unidades.

Aoctógono= Aquadrado- 4.Atriângulo Aoctógono= 9 - 4.1 = 7 2

Diga que o modelo matemático que utilizamos hoje para calcular a área do circulo pode ser obtido da seguinte maneira: Primeiro divida o circulo em 48 setores como mostra a figura a seguir: C = 2. π. r

r

Dentro do quadrado inscreve-se um octógono, como mostra a figura a seguir:

Em seguida corte os setores e arrume-os como mostra a figura:

C = 2. π. r

Depois, organize os setores em sentidos opostos como na figura: Retirando-se do quadrado os quatro triângulos que estão situados nos cantos, a figura que sobra é o octógono, cuja área é uma aproximação do círculo. ILUSTRAÇÕES: ERIKA ONODERA

π. r

AULA ABERTA

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

63


PARA O PROFESSOR •

Peça que os alunos observem que quanto maior o número de setores, melhor serão os encaixes entre eles, aproximando-se cada vez mais de um retângulo. Portanto temos uma figura que se aproximará do retângulo a seguir.

ponto que é formado por essa divisão em linhas e colunas é denominado pixel (picture element). Considerando a situação do tomógrafo, temos que o espaço é dividido em linhas e colunas e as regiões claras e escuras que aparecem na imagem são determinadas por uma associação dos números zero e 1, em que o zero é associado a pontos claros e o número 1 a pontos escuros.

r . r

Mostre assim que a área do círculo é igual a:

Aretângulo = base . altura = ( .r) = .r2 = Acírculo

Volte ao problema do Papiro de Rhind, e fale que se usarmos o modelo que acabamos de obter:

A=3,14. (1,5)2 = 7,06, fica evidente que e a resolução encontrada no Papiro de Rhind é uma ótima aproximação da salárea de um círculo. Vale a pena ressalbletar que para a resolução desse problede ma consideramos como raio a metade do lado do quadrado, que também é o do diâmetro do círculo, e foi considerado como aproximadamente 3,14.

O exemplo a seguir nos dá uma ideia de como isso acontece: 111 010 010 Pode-se notar na figura acima que, onde a matriz continha pontos com o número 1, a figura foi pintada e onde continha o número zero não foi, formando assim a letra T. É dessa forma que o computador interpreta as imagens numa tomografia

No trecho do texto que fala sobre re e tomografia computadorizada, pode ze ser introduzido o conceito de matriz agem formação de imagem, pois toda imagem o é formada por meio de uma divisão da do espaço em linhas e colunas e cada

© ANDREA DANTI/SHUTTERSTOCK


do fim dos tempos Se 2012 marca o início do Apocalipse, será por nossa culpa e não da Natureza ou de Deus Por Lawrence M. Krauss ecebo muitos e-mails apavorados pelo fato de que 2012 implicará, de alguma maneira, o fim da vida como a conhecemos, tudo por conta de um recente filme de Hollywood. Essa data representa nada mais cosmicamente especial do que o ano da próxima eleição presidencial americana. Mas acabo de me dar conta de que pode haver uma conexão real entre 2012 e a ameaça do fim dos tempos! Como conclusão da menos que brilhante Conferência de Copenhague sobre Mudanças Climáticas em dezembro, a ex-governadora e ex-candidata à vice-presidência Sarah Palin, para muitos uma possível postulante à Casa Branca em 2012, twitou o mundo com: “arrogante&ingênuo dizer que o homem domina a Natureza.” É difícil imaginar que a notável afirmação de Palin seja apenas um argumento religioso inapropriado sobre o fim dos tempos, do tipo que expressa segurança da dominação humana sobre a Terra – e que Deus garantirá o bem-estar do planeta a despeito do progresso humano, até que decida terminar com tudo e os justos ascendam aos céus. Ao olhar para o mundo, é difícil encontrar um local onde humanos não tenham “dominado a Natureza”, se considerarmos isso como a capacidade de afetar em grande escala nosso meio ambiente natural. Algo é indiscutível: o aumento do dióxido de carbono medido na atmosfera da Terra

ILUSTRAÇÃO POR MATT COLLINS

R

AULA ABERTA

é numericamente consistente com a previsão do resultado da atividade industrial humana. Esse fato não está em discussão. O que aparentemente Palin levanta é se esse aumento terá algum efeito na “Natureza”. Já teve. Esqueça a mudança na temperatura durante as últimas décadas. O aumento de dióxido de carbono na atmosfera estimula, por meio do equilíbrio de gás-líquido, a quantidade de ácido carbônico no oceano, que por sua vez diminui o nível de PH marinho. E as medidas da redução do nível de pH no oceano durante as duas últimas décadas mostram precisamente esse aumento no dióxido de carbono. Conforme o nível de pH continuar a cair em sua trajetória atual, eventualmente atingirá um ponto em que o carbonato de cálcio – componente dominante em animais de concha e em recifes de coral – se dissolverá na água salgada. Qualquer um tem o direito de questionar previsões detalhadas sobre o futuro da Natureza, mas a evidência de que humanos podem, fazem e continuarão a “dominá-la” é tão incontestável que negar esse fato é viver no mundo da fantasia. 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

65

ENSAIO

O PERIGO


FRONTEIRAS

A água e seus diferentes domínios Gestão dos recursos hídricos no Brasil exige mudanças fundamentais Por Wilson José Figueiredo Alves Junior

B

O AUTOR Wilson José Figueiredo Alves Junior é assessor jurídico do Ministério Público Federal. Doutor e mestre do Departamento de Geologia e Recursos Naturais da Universidade Estadual de Campinas – Unicamp (wilson@ige.unicamp.br)

em físico quase sempre em movimento, a água pode assumir, em momentos distintos, domínios diferentes dentro de uma mesma bacia hidrográfica, o que explica a dificuldade enfrentada pelo gestor público para conciliar os interesses conflitantes de diferentes esferas de poder. Ao estabelecer dois diferentes domínios dos recursos hídricos no Brasil, a Constituição Federal de 1988 criou um modelo que cria dificuldades para a gestão do uso das águas de mananciais do país centrado na bacia hidrográfica. A Política Nacional de Recursos Hídricos (Lei 9.433/97) veio para atender ao desafio constitucional de fazer o gerenciamento dos recursos hídricos – processo que ainda requer mudanças, pois a lei não considerou a estrutura federativa e a União não pode ser considerada como o estado grande, que engloba outros estados menores. Se um aquífero transcende os limites estaduais, isso basta para ser considerado de domínio federal. Além disso, eventuais contaminações que podem ocorrer no meio hídrico não ficam restritas ao local do dano, o que é consequência da própria dinâmica das águas. Assim, a poluição de um rio pode atingir as águas subterrâneas interestaduais ou internacionais. A principal dificuldade no aspecto da gestão dos recursos hídricos no Brasil é o fato de que a 66

SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL

extensão dos aquíferos não coincide estruturalmente com a delimitação das bacias hidrográficas superficiais, pois onde termina a formação estrutural de um recurso começa a do outro, o que leva ao desconhecimento da ocorrência e do potencial dos aquíferos. Em outro ponto, é impossível o gerenciamento de bacia interestadual ou federal sem a participação dos estados, já que sobre o território da bacia hidrográfica incidem também as leis estaduais e municipais, o que demanda a mobilização das forças políticas, institucionais, administrativas, técnicas e financeiras desses entes federativos. Certamente, a dependência interespacial da água, um quadro legal ineficiente, sobreposição e lacunas institucionais contribuíram para a confusão de situações técnicas e jurídicas, tal como fez a Constituição Federal ao proteger a água superficial como bem da União, atribuindo aos estados e ao Distrito Federal as águas superficiais e subterrâneas. A gestão dos recursos hídricos no Brasil exige mudanças. No caso, é necessária uma modificação na Constituição Federal por meio de um novo arranjo constitucional. Ao seguir um sistema calcado na bacia hidrográfica, o Brasil aderiu a um modelo ultrapassado e não compatível com as características territoriais, sociais e econômicas do país. AULA ABERTA



Aula Aberta 5 O prazer de ensinar ciências

ANO I - NO 5 - 2010 - R$ 6,90

BIOLOGIA

AS RAÍZES PROFUNDAS DA VIDA Fonte termal no fundo do mar sugere novas explicações para a evolução

MATEMÁTICA

O incrível computador dos gregos antigos que previa eclipses QUÍMICA

FÍSICA

Nitrogênio, de fertilizante a poluidor

Chuvas de verão em áreas de risco acabam em tragédia

Pilar de rocha branca em Lost City, equivalente a um edifício de 20 andares, guarda segredos da evolução