biofísica - azevedolab.netazevedolab.net/resources/biofisica1.pdf · disponibilizada como material...
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Biofísica
Apresentação
Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
E-mail: [email protected] Local das aulas teóricas: 12 A/307
Local das aulas práticas: 12 C/202
Laboratório do Prof. Walter: Bloco12 C/204
1
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F.
de
Aze
ve
do
Jr.
2
Máquina de escrever inventada pelo padre paraibano,
Francisco João de Azevedo.
Site da Revista Pesquisa Fapesp. Disponível em:
<http://revistapesquisa.fapesp.br/2001/07/01/140-anos-de-
uma-injustica/ >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Antes de iniciarmos o curso, gostaria de
destacar que todo esforço foi realizado
para que o texto esteja em concordância
com as regras vigentes da nova
ortografia. Mas eu cometo erros de
digitação com frequência, por isso já peço
desculpas antecipadas. Outro ponto que
gostaria de destacar, as aulas em
PowerPoint têm como objetivo
disponibilizar o conteúdo completo da
disciplina em PDF (Portable Document
Format). Visto que os slides foram
preparados como material de estudo, eles
apresentam, na grande maioria, um texto
longo para o padrão de apresentações de
slides. Por isso, veja a apresentação
disponibilizada como material de estudo,
e não somente o slide da aula, onde
recomenda-se escrevermos pouco. O
texto está com fonte arial e tamanho 18. 3
Prefácio
Sequenciador de DNA do Joint Genome Institute, Wallnut
Creek CA, USA. O sequenciamento do DNA determina a
ordem exata dos nucleotídeos que formam um gene. Tal
informação é armazenada em bases de dados, disponíveis
on-line.
Site Science Photo Library. Disponível em:
< http://www.sciencephoto.com/media/439916/enlarge>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Genômica é a ciência que estuda os
mapas genéticos e o sequenciamento do
DNA de conjuntos de genes ou de
organismos completos. São usadas
técnicas de sequenciamento de DNA de
alta velocidade, o que permite o estudo de
grandes trechos de DNA em um tempo
relativamente curto. O sequenciamento
completo do genoma humano demorou
uma década (finalizado em 2000). Há
previsões que genomas completos de
humanos poderão levar a uma medicina
individualizada, onde a tendência para
certa doença possa ser inferida dos
genomas individuais. Tal evento torna
possível a prevenção de doenças numa
escala até bem pouco tempo não prevista.
4
Biologia no Século XXI
Proteômica é uma parte da biotecnologia
interessada no uso de metodologias
vindas da biologia molecular, bioquímica e
genética para a análise da estrutura,
função e interações das proteínas
codificadas por genes de uma célula em
particular, tecido ou organismo. Tal
informação é organizada em bases de
dados e apresenta aplicações na biologia
e medicina. A proteômica faz uso intenso
de ferramentas de bioinformática e tem
como principal equipamento de uso o
espectrômetro de massas. Tal
equipamento é capaz de sequenciar
amostras de proteínas e peptídeos.
Disponível em: <http://www.merriam-
webster.com/medical/proteomics>
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
.
Espectrômetro de massas da Applied BioSystems
localizado no Lawrence Berkeley National Laboratory,
Berkeley, California, USA. O espectrômetro de massas pode
ser aplicado ao estudo de proteínas. No experimento usa-se
separação por cromatografia líquida.
Site Science Photo Library. Disponível em:
< http://www.sciencephoto.com/media/137586/view>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
5
Biologia no Século XXI
Transcriptômica é o estudo dos níveis de
expressão de RNA mensageiro em uma
dada população de células. Entre a
avalanche de termos finalizados em
“oma”, destacamos o transcriptoma
como o conjunto de todas as moléculas
de RNA, incluindo RNA transportador,
RNA mensageiro, RNA ribossômico e
regiões não-codificantes de RNA, que são
produzidas numa célula ou numa
população de células. Ao contrário do
genoma, que é aproximadamente fixo
num organismo, o transcriptoma é
altamente sujeito às interferências
externas. O transcriptoma mostra o
conjunto de genes que serão expressos,
onde leva-se em consideração os
estímulos dado à célula. Tal estudo está
relacionado ao proteoma, o que permite
termos uma visão dinâmica da célula.
O transcriptoma é o conjunto de todas as moléculas de
RNA, com inclusão do RNA transportador mostrado acima. A
figura foi gerada com o programa Visual Molecular Dynamics
(VMD). As coordenadas atômicas do RNA transportador
foram obtidas do banco de dados PDB (código de acesso
PDB: 6tna).
Referência: Sussman, J.L., Holbrook, S.R., Warrant, R.W.,
Church, G.M., Kim, S.H. Crystal structure of yeast
phenylalanine transfer RNA. I. Crystallographic refinement.
(1978) J.Mol.Biol. 123: 607-630
6
Biologia no Século XXI
Metabolômica é o estudo de metabólitos,
tais como açúcar e ácidos graxos, que
são medidos em determinadas condições
na célula. Nesses estudos são usadas
técnicas espectroscópicas e de
cromatografia para a análise e
quantificação de metabólitos. Uma das
aplicações de metabolômica é o estudo
de via metabólicas presentes em
bactérias, mas ausentes em humanos
para o desenvolvimento de antibióticos.
Disponível em:
< http://whatis.techtarget.com/definition/metabolomics >
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Via metabólica do ácido chiquímico.
As enzimas e os metabólitos são mostrados na figura, a via
envolve 7 passos enzimáticos.
Disponível em <http://www.biomedcentral.com/1471-
2105/11/12/ >. Acesso em: 03 de agosto de 2015. 7
Biologia no Século XXI
Biologia sistêmica ou biologia de
sistemas (systems biology) é a
elaboração de modelos computacionais
para simulação de sistemas biológicos. A
biologia de sistemas está baseada na
teoria de sistemas. Como destacado
anteriormente, os projetos genomas
geraram grande quantidade de dados,
que estão organizados em bases de
dados. Tal informação é estática, para que
possa gerar conhecimento novo faz-se
necessário sua interpretação e
modelagem, a partir do qual teremos uma
visão geral dos fenômenos relacionados à
vida. Como podemos esperar, a biologia
de sistemas faz uso intensivo de
ferramentas computacionais. Tal aspecto
leva a uma estreita relação com a
bioinformática e proteômica.
8
Biologia no Século XXI
Integração de informações biológicas para elaboração de
modelos e a previsão de comportamento a partir dos
modelos gerados.
Genes mRNAs Proteínas Metabólitos
Genômica Transcriptômica Proteômica Metabolômica
Análise computacional dos dados
Modelo Previsão
Verificação
experimental
Organismo
A figura ao lado ilustra a abordagem de
sistemas no estudo da biologia. A partir de
estudos experimentais, um organismo é
analisado, o que gera informações sobre
o genoma, transcriptoma, proteoma e
metaboloma. Tais informações são
integradas e analisadas, o que pode levar
a um modelo, a partir do qual podemos
fazer previsões sobre o comportamento
do organismo em estudo. As previsões
devem passar por testes, que validarão
ou não o modelo proposto. Para cada
novo modelo gerado, novos experimentos
podem ser propostos, num processo de
realimentação, que é o paradigma do
desenvolvimento científico.
.
9
Biologia no Século XXI
Integração de informações biológicas para elaboração de
modelos e a previsão de comportamento a partir dos
modelos gerados.
Genes mRNAs Proteínas Metabólitos
Genômica Transcriptômica Proteômica Metabolômica
Análise computacional dos dados
Modelo Previsão
Verificação
experimental
Organismo
Independente de nos fixarmos em
definições rígidas, nós temos que manter
em mente que a forma como estudamos
problemas biológicos mudou radicalmente
nos últimos vinte anos. Tal mudança tende
a se acelerar, seguindo uma tendência de
todas as ciências (singularidade
tecnológica), mas, com certeza podemos
afirmar, que a computação terá cada vez
mais um papel fundamental no estudo de
sistemas biológicos, como disse Harold
Morowitz:
“Computers are to biology what
mathematics is to physics”.
10
Prof. Harold Morowitz.
Santa Fé Institute. Disponível em:
http://www.santafe.edu/about/people/profile/Harold%20Moro
witz .
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Biologia no Século XXI
Biofísica é ciência que usa técnicas e
métodos físicos para o estudo de
problemas biológicos. Diversas técnicas
desenvolvidas pelos físicos são de grande
utilidade para o estudo de problemas
biológicos. Todos os tipos de microscopia,
ótica e eletrônica. Técnicas de difração de
raios X e ressonância magnética nuclear
e diversas técnicas de espectroscopia à
laser, para citar algumas.
A abordagem de problemas biológicos, na
escala molecular, necessita de
conhecimentos da mecânica quântica.
Outra forte interação da física com a
biologia relaciona-se à aplicação da
termodinâmica e da física estatística no
estudo das trocas energéticas em
sistemas biológicos.
Cristais de proteína usados para resolução da estrutura
tridimensional, a partir do uso da técnica de cristalografia por
difração de raios X. Cada cristal mostrado na foto tem
comprimento aproximado de 1 mm.
11
Biologia no Século XXI
A presente disciplina apresentará as
bases físicas de diversos fenômenos
biológicos, tais como, impulsos nervosos,
contração muscular, visão e audição, bem
como apresentará os principais conceitos
físicos para o entendimento de algumas
técnicas relevantes para o estudo da
biofísica (como a cristalografia por
difração de raios X). Muitos dos
fenômenos biológicos são explicados hoje
no nível molecular, uma introdução às
bases físicas das estruturas de
macromoléculas biológicas será
apresentada na disciplina.
Laboratório Nacional de Luz Síncrotron-Campinas-Brasil.
O LNLS produz radiação de grande intensidade que é usada
para diversas pesquisas, entre elas o estudo estrutural de
macromoléculas biológicas, como DNA, RNA e proteínas.
12
Biologia no Século XXI
Ementa
estrutura tridimensional de
macromoléculas biológicas;
modelos estruturais da membrana
celular;
fenômenos elétricos na célula, potencial
de membrana, potencial de ação,
sinapses;
biofísica da visão, biofísica da audição,
contração muscular;
conceitos básicos sobre radiação,
modelos atômicos e espectroscopia,
proteção radiológica, desintegração
nuclear, produção e propriedades dos
raios X;
métodos experimentais de biofísica
molecular;
métodos teóricos em biofísica.
Jet e a mecânica quântica
13
Ementa da Disciplina Biofísica
14
Critérios de Avaliação
Avaliação
Média do projeto e trabalhos
A média G1 para aprovação é 7,0. Quem tiver nota abaixo de 7,0 e maior que
4,0 irá para G2. A G2 é uma prova com toda a matéria.
Quem tiver média entre 0,0 (zero) e 3,9 fará disciplina em outra oportunidade.
P é a nota do projeto a ser apresentado e
T a média aritmética dos trabalhos a
serem desenvolvidos em sala de aula.
10
461
TPG
15
Presença nas Aulas
Temos 4 horas/aula por semana, cada dia de aula temos 2 horas/aula, assim há um
total de 60 horas/aula, os alunos podem faltar 15 horas/aula, ou seja, 7 dias e meio de
aulas. Há chamada em todas as aulas.
Por favor, tenham muito cuidado com as faltas!
Praticamente todos semestres há alunos que têm
nota para serem aprovados, mas reprovam em
faltas.
16
Desenvolvimento do Projeto
Os alunos apresentarão no final do semestre um projeto sobre biofísica. A apresentação
será em PowerPoint e terá um tempo mínimo de 10 minutos e um tempo máximo de 15
minutos. Após a apresentação teremos até 10 minutos para perguntas. Os dias das
apresentações são os seguintes:
09/11/2015 das 8h00 às 9h50
16/11/2015 das 8h00 às 9h50
23/11/2015 das 8h00 às 9h50
30/11/2015 das 8h00 às 9h50
Todos os projetos terão uma apresentação, mas o desenvolvimento do projeto, bem
como o título do projeto, fica a critério dos alunos. Os grupos terão no máximo 5
alunos, sem exceção. Quem quiser fazer sozinho pode, mas não esqueçam que o
trabalho será avaliado da mesma forma. Os alunos têm até o dia 31 de agosto de 2015
às 9h50 para a entrega do título do projeto, bem como a lista completa dos
componentes do grupo.
17
Desenvolvimento do Projeto
Abaixo temos uma lista de possíveis projetos a serem desenvolvidos pelos grupos:1) Astrobiologia
2) Estrutura tridimensional de proteínas
3) Estrutura tridimensional de ácidos nucleicos
4) Modelos de membrana celular
5) Fenômenos elétricos na célula
6) Potencial de ação
7) Sinapse química
8) Canais iônicos
9) Neurotransmissores
10) Contração do músculo esquelético
11) Ondas
12) Biofísica da visão
13) Biofísica da audição
14) Mecânica quântica e espectroscopia
15) Radiação e radioatividade
16) Efeitos biológicos da radiação
17) Energia nuclear
18) Teoria de Gaia
19) Camada de ozônio
20) Efeitos estufa
21) Espectrometria de massas
22) Cristalografia por difração de raios X
23) Proteínas como alvos para o desenvolvimento de fármacos
24) Simulação computacional da interação de fármacos com proteínas
25) Desenvolvimento de fármacos contra AIDS
26) Desenvolvimento de fármacos contra o câncer
27) Outros
Estas são sugestões, se
algum grupo tiver outra ideia
que gostariam de
desenvolver, podemos
discutir, desde que esteja
relacionada à ementa da
disciplina biofísica
Apresentações09/11/2015 das 8h00 às 9h50
16/11/2015 das 8h00 às 9h50
23/11/2015 das 8h00 às 9h50
30/11/2015 das 8h00 às 9h50
Desenvolvimento
18
Desenvolvimento do Projeto
Uma vez selecionado o projeto, os alunos usarão os recursos de busca da internet para
o elaborar uma apresentação sobre o assunto. A ideia principal é que usemos uma
abordagem de inteligência coletiva para o desenvolvimento do projeto. O conceito de
inteligência coletiva é simples. Qualquer grupo de pessoas que soma seus
conhecimentos sobre um dado assunto, integrando os conhecimentos de forma
organizada, para resolver um problema, está fazendo uso da inteligência coletiva. Com
o desenvolvimento da web, a integração das pessoas e disponibilidade da informação
facilitou o desenvolvimento de projetos de inteligência coletiva..
Escolha do projeto
31/08/2015
19
Desenvolvimento do Projeto
Na disciplina de biofísica, usaremos a inteligência coletiva para o desenvolvimento do
projeto, que tem como principal objetivo preparar uma aula sobre um assunto da
biofísica. Mas não uma aula no sentido tradicional da palavra. Esperamos que os
grupos desenvolvam o projeto com criatividade, usando diversas formas de explicar o
assunto do projeto, desde vídeos, sites, programas de computador, blogs, facebook,
entre outras ferramentas.
Inteligência Coletiva
Web of Knowledge…
PubMed
Google Scholar
Alguns sites com informações adicionais sobre inteligência coletiva:
Site do Center for Collective Intelligence do MIT: http://cci.mit.edu/
Site do edge.org com entrevista sobre inteligência coletiva:
http://edge.org/conversation/collective-intelligence
Site da IBM sobre inteligência coletiva:
http://www-935.ibm.com/services/us/gbs/thoughtleadership/ibv-collective-
intelligence.html
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
20
Desenvolvimento do Projeto
Informações importantes:
1) Número máximo de alunos por grupo 5 (podemos ter grupos de um a cinco alunos)
2)Data máxima para entre dos títulos dos projetos e membros dos grupos 31 de agosto
de 2015 às 9h50.
3)Datas das apresentações em PowerPoint:
09/11/2015 das 8h00 às 9h50
16/11/2015 das 8h00 às 9h50
23/11/2015 das 8h00 às 9h50
30/11/2015 das 8h00 às 9h50
4) Data da G2: 7/12/2015 às 8h00 (sala 12 A/307)
21
Desenvolvimento do Projeto
Pontos importantes do projeto:
1) Apresentação em PowerPoint, com a presença de todos os elementos do grupo,
sem exceção;
2) Incluir na apresentação citação de pelo menos um artigo científico relacionado com
o assunto do projeto (usar PubMed);
3) Todos os membros do grupo devem ter conhecimento sobre o tópico a ser
apresentado;
4) Todos alunos devem assistir as apresentações dos grupos, caso contrário ficarão
com falta;
5) Na apresentação os alunos devem mostrar pontos relevantes do projeto, como sites
relacionados ao assunto, pode incluir a demonstração de um experimento em sala
de aula, um blog desenvolvido pelo grupo, programas de computador relacionados
ao assunto, a formação de grupos para discussão do assunto nas redes sociais, tais
como grupos no Facebook;
6) A criatividade e o domínio sobre o conteúdo apresentado será considerado na
avaliação;
7) Estou disponível todos os dias da semana na sala 204/bloco C para tirar dúvidas
sobre o projeto e a disciplina. Pode me contatar por e-mail: [email protected] .
O google scholar é a ferramenta de busca
de informação científica mais conhecida,
contudo, quando se trata de ciência, as
opções devem ser utilizadas com critério
e atenção. Para a pesquisa de artigos
científicos, utilizamos duas ferramentas
principais: PubMed e ISI (Institute for
Scientific Information). Ambas as
ferramentas funcionam em inglês, e na
grande maioria das vezes as revistas
científicas, a serem analisadas por essas
ferramentas, são escritas em inglês.
22
Busca de Informação Científica na Internet
Pá
Página de entrada do Google Acadêmico. Disponível em: <
http://scholar.google.com >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
O PubMed é uma ferramenta do NCBI
(National Center for Biotechnology
Information), e está centrado na pesquisa
de revistas científicas das áreas
biológicas e médicas. Boa parte das
revistas científicas encontram-se
indexadas nesse site. O PubMed pode ser
acessado a partir de computadores fora
da Universidade, se sua pesquisa está
centrada em assuntos da área biológica
há grandes chances de você encontrar o
que está procurando, usando-se essa
ferramenta.
O webofknowledge (ISI) é bem mais
completo que o PubMed, pois não está
restrito à área biológica, inclui ciências
exatas, artes e humanidades.
23
Página webofknowledge do ISI
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
.
Busca de Informação Científica na Internet
Você pode acessar o PubMed no
endereço:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ .
A página de entrada é mostrada ao lado.
O campo indicado pela seta é usado para
digitarmos a(s) palavra(s) sobre o qual
queremos pesquisar.
Podemos usar também para busca de
artigos pelos autores. Mais informações
no site:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK3827/#pubmedhelp.PubMed_Quick_Start
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Campo para inserir a palavra para busca
24
Busca de Informação Científica na Internet
Vamos efetuar dois tipos básicos de buscas no PubMed.
1) Busca por assunto. Imagine que você está interessado em ter acesso aos artigos
científicos publicados sobre estruturas de DNA. Podemos colocar “DNA structure”, não
se esqueça, o site funciona em inglês. Depois clicamos no “Search”
25
Busca de Informação Científica na Internet
Os resultados da busca estão mostrados abaixo. Cada artigo encontrado é numerado,
do mais recente para o mais antigo. Tais parâmetros de visualização podem ser
mudados. Ao correr a barra vertical do seu browser você verá mais artigos. Nesta
busca foram identificados 522 artigos.
26
Busca de Informação Científica na Internet
2) Busca por autor(es). Você pode fazer uma busca por autores, por exemplo todos
os artigos de James D. Watson, um dos cientistas que elucidou a estrutura do DNA.
Para efetuar busca por autor, é melhor deixar claro que estamos procurando os artigos
do autor, e não sobre o autor, assim indicamos "Watson JD"[Author] .Depois clicamos
no “Search”
27
Busca de Informação Científica na Internet
2) Busca por autor(es). Podemos buscar os artigos de dois ou mais autores, usando
o operador lógico “AND”. Por exemplo, queremos encontrar os artigos publicados por
James D. Watson e Francis H. Crick. Indicamos no campo de busca "Watson JD" AND
"Crick FH”[Author]. Depois clicamos no “Search”
28
Busca de Informação Científica na Internet
Graduação
Mestrado
Doutorado
Pós-doutorado
Livre-docência
(4 – 6 anos)
(2 – 4 anos)
(4 – 6 anos)
(1 – 2 anos)
(Indeterminado)
Dissertação de
mestrado
Tese de doutorado
Vocês são alunos de um curso de
graduação. Atualmente vocês estão
dando os primeiros passos de uma
carreira fascinante e desafiadora, mas
que permitirão que vocês se apaixonem
cada vez mais pelo estudo da natureza.
O fluxograma ao lado indica os principais
passos da carreira científica. Após a
graduação, vocês têm o curso de pós-
graduação stricto sensu, níveis de
mestrado e doutorado. Ao terminar o
doutorado, vocês podem fazer estágio de
pós-doutoramento, que não é um curso,
mas dá uma experiência extra ao recém
doutor. Depois de muito anos de carreira
acadêmica, você poderá prestar o
concurso de livre docente, sendo este o
título acadêmico mais alto da carreira
científica. Para se candidatar ao título de
livre-docente, é necessário ter orientado
mestres e doutores.29
Carreira Acadêmica
O homem esteve realmente na Lua
?30
Pesquisa 1
Você acredita que os astros podem
exercer alguma influência sobre o
destino das pessoas
?31
Pesquisa 2
Tudo que existe na natureza é formado de
informação, energia e massa, sendo a
última uma forma de energia. As relações
entre massa e energia são regidas por
quatro forças básicas. Todo fenômeno
natural observado é resultado da
interação de uma ou mais dessas forças.
No estudo científico de qualquer
fenômeno, nós usamos alguns princípios
lógicos que nos guiam na interpretação da
natureza. Discutiremos aqui o princípio
lógico conhecido como navalha de
Occam.
Disponível em: <http://www.eessi.net/wp-
content/uploads/2011/11/ockhams-razor.gif >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015. 32
Navalha de Occam
O conceito da Navalha de Occam (Lex
parsimoniae) foi estabelecido pelo frei
franciscano William Occam (1285–1349)
no século XIV. O conceito diz que a
explicação para de qualquer fenômeno
deve fazer o menor número de
suposições possíveis, com a
eliminação daquelas que não fazem
diferença nas previsões observáveis
da hipótese ou teoria explanatória.
Quando múltiplas hipóteses são
analisadas, sob à luz da navalha de
Occam, o princípio recomenda selecionar
a hipótese que introduz o menor número
de suposições e postula o menor número
de entidades.Disponível em:<
http://www.zazzle.com.br/a_lamina_de_occam_iman-
147155217854971251>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
33
Navalha de Occam
Nada melhor que um exemplo para
entendermos os conceitos da navalha de
Occan. Vamos aplicá-la a uma teoria
pseudocientífica, (pseudo = falso).
Entre as teorias pseudocientíficas, a
astrologia com certeza é uma das
bobagens e imbecilidades mais
divulgadas pela grande mídia. São raros
os jornais que trazem divulgação
científica séria, mas quase todos os
jornais apresentam uma coluna de
horóscopo. Tais colunas são lidas
avidamente por milhões de fãs. Até
mesmo ex-governadoras de estado dão
entrevistas falando da influência dos
astros na sua personalidade. Tirando o
absurdo de considerar que mais de 600
milhões de pessoas teriam a mesma
influência, por terem o mesmo signo. Há
diversas outros disparates em tal crença.
Imagem da Terra vista do espaço.
Site Science Photo Library. Disponível em:
<http://www.sciencephoto.com/media/460698/enlarge>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
34
Navalha de Occam
Vamos considerar a influência que uma xícara de café faz sobre você. Usaremos a lei
da gravitação de Newton para determinarmos a atração gravitacional de uma xícara
de café. Considere uma xícara de café, a 1 cm (0,01 m) de distância (r) de você. A
massa da xícara (m) com café é 312 g (0,312 kg). Sua massa (M) é de 70 kg.
Determine a força de atração (Fg) que a xícara exerce sobre você. Leve em
consideração que G = 6,67384.10-11 N.m2/kg2. Se colocarmos todas unidades do
sistema internacional, teremos como resultado uma força em unidades do SI, ou seja,
Newtons (N), como segue.
N1,46.10N146.10
N1014610
145,757.10
N 10
21,846,67384.10N
)(10
70.0,3126,67384.10
r
MmGF
57
7
4
11-
4
11
22
11
2g
.
Fonte da informação sobre as constantes físicas: <http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.35
Navalha de Occam
Consideremos agora um nativo do signo
de capricórnio, cujo o planeta regente é
Saturno. Qual a força que o planeta
Saturno exerce sobre você? A equação
está mostrada abaixo. A distância Terra-
Saturno varia conforme a época do ano.
Vamos pegar a menor distância,
aproximadamente 1,35 bilhões de km,
passando para metros 1,35 . 1012 m. A
massa de Saturno é de 5,69.1026kg,
(Disponível em:
http://www.solarviews.com/cap/sat/PIA031
56.htm . Acesso em: 03 de agosto de
2015), assim temos a seguinte força de
atração de Saturno:
N1,46.10N1458,54.10
)(1,35.10
70.5,69.106,67384.10
r
MmGF
69
212
2611
2g
36
Imagem do planeta Saturno obtida pela sonda Cassini.
Visão artística de Saturno a parir de seu satélite, Iapetus.
Site Science Photo Library. Disponível em:
< http://www.sciencephoto.com/media/129407/enlarge >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Navalha de Occam
Ou seja, Saturno exerce uma influência
sobre você 10 vezes menor que a xícara
de café. Há pessoas, infelizmente muitas,
que não saem de casa sem antes lerem o
horóscopo. A próxima vez que
perguntarem seu signo, diga, sou do
signo da xícara de café....
37
Somos todos do signo da xícara de café.
Site Science Photo Library. Disponível em:
<http://www.sciencephoto.com/media/154325/view >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Navalha de Occam
Convencido que seu signo é a xícara de
café? Ou do chimarrão? Bem, nem todos
estão, com certeza. Alguns podem
argumentar:
Bem professor, na natureza não há
somente a força gravitacional. Há outras
forças.
Certo! Há mais três forças na natureza.
Toda a matéria e energia que
conhecemos estão sujeitas a essas
quatro forças. Essas forças são:
Força gravitacional;
Força eletromagnética;
Força nuclear fraca;
Força nuclear forte.
Então ainda há esperanças que o planeta
que rege seu signo exerça alguma dessas
forças sobre você? Lamento informá-los
que não.38
Representação artística das órbitas dos planetas do nosso
sistema solar.
Site Science Photo Library. Disponível em:
< http://www.sciencephoto.com/media/470739/enlarge >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Navalha de Occam
Vamos aprender um pouco mais sobre
essas quatro forças.
Força gravitacional. Está relacionada
com a massa dos corpos e com a
distância que os separam. Já calculamos
ela para Saturno e a xícara de café.
Força eletromagnética. Está
relacionada com a ação de cargas
elétricas. Um próton, com carga elétrica
positiva, atrai um elétron de carga elétrica
negativa. Simples! Não há carga elétrica
suficiente para uma ação à distância.
Força nuclear fraca. Atua no núcleo e é
de curto alcance.
Força nuclear forte. Atua em partículas
elementares e também tem curtíssimo
alcance.
Resumindo, se não é a força
gravitacional que está atuando a longa
distância, definitivamente não serão as
outras.39
Representação artística do Sol e das órbitas dos planetas do
nosso sistema solar.
Site Science Photo Library. Disponível em:
< http://www.sciencephoto.com/media/440573/enlarge >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Navalha de Occam
A aplicação de tal princípio lógico está no
centro do método científico. Sendo um
dos nossos guias para entendermos a
natureza do ponto de vista científico.
Voltando a hipótese da influência dos
astros sobre nossos destinos, o número
de suposições que temos que admitir, no
caso da astrologia, é astronômico, assim,
podemos considerar a explicação com o
menor número de suposições, os astros
não influenciam nosso destino. Tirando a
ação da gravidade, que vimos ser menor
que a da xícara de café.
Resumindo. Liberte-se dessas besteiras,
abra a mente para a ciência. A natureza e
seus mistérios são muito mais
interessantes, ou, como diria Mr. Spock.
“Fascinante”.
Mr. Spock da série Star Trek.
Disponível em:
<http://www.youtube.com/watch?v=cFods1KSWsQ >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
40
Navalha de Occam
O método científico é um conjunto de
procedimentos que possibilita a análise de
fenômenos naturais com um olhar crítico
e sistemático. O método científico visa
extrair modelos de observações
experimentais que permitam o
entendimento dos fenômenos da
natureza. Podemos estabelecer que o
método científico envolve a observação
de fenômenos, levantamento de hipóteses
sobre o fenômeno, experimentação para
verificar a validade ou não das hipóteses
levantadas e uma conclusão que valida
ou não as hipóteses. Resumindo, o
método científico é um guia para
descobertas científicas, é a luz que nos
separa da superstição e das trevas da
ignorância.
41
Método Científico
Rocha lunar coletada durante a missão da Apollo 15 em
exposição no Science Museum London UK. A peça mostrada
na foto foi cortada da rocha “Great Scott”, coletada pelo
astronauta David Scott em Agosto de 1971, após a
alunissagem da nave Apollo 15. A rocha lunar tem massa de 83
g e é mantida numa câmara de nitrogênio para não entrar em
contato com a atmosfera terrestre. Um total de 400 kg de
rochas foram trazidas da Lua. Uma análise comparativa das
rochas lunares indicou semelhanças com as rochas terrestres,
o que levou à hipótese da Lua ter se formado a partir de
pedaços da Terra, que foram levados ao espaço após a colisão
com um planetoide. Tal análise é um exemplo da aplicação do
método científico. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de
fevereiro de 2013. Informações adicionais em:
<http://www.sciencemuseum.org.uk/objects/loans/moonrock.as
px > . Acesso em: 03 de agosto de 2015.
O fluxograma ao lado ilustra os principais
passos para a aplicação do método
científico. Ao identificarmos o problema,
escolhemos qual parte da natureza
estamos interessados em estudar. Uma
vez definido o problema, coletamos dados
sobre o problema. A coleta de dados
significa observar e realizar medições
focadas no problema em estudo, ou usar
dados previamente coletados na literatura
científica sobre o problema a ser
estudado. A natureza das medidas
depende do sistema sendo estudado. Tais
medidas formam os dados, que serão
submetidos à análise estatística que
auxiliarão na elaboração da(s) hipótese(s)
e posterior teste(s) desta(s). A elaboração
da(s) hipótese(s) é uma tentativa de
explicar de forma racional a parte da
natureza (problema) que estamos
estudando.42
Identificação de
um problema
Coleta de
dados
Elaboração de
hipótese(s)
Teste de
hipótese(s)
(experimento)
Novos
dados
confirmam
as
hipótese(s)
?
Não Sim
Método Científico
Nada garante que nossa(s) hipótese(s)
está(ão) certas. Temos que testá-la(s),
elaborando um novo experimento que, por
sua vez, irá gerar novos dados. A caixa de
decisão, representada pelo losango ao
lado, indica que testamos se os novos
dados estão em concordância com a(s)
hipótese(s). Caso estejam, temos um
experimento em concordância com a(s)
hipótese(s) e podemos elaborar um novo
experimento para testar a(s) hipótese(s).
Depois que um número estatisticamente
relevante de experimentos for realizado,
preferencialmente por diversos
laboratórios independentes, a(s)
hipótese(s) pode(m) receber o status de
uma teoria. Caso os novos dados refutem
a(s) hipótese(s) levantada(s), temos a
necessidade de nova(s) hipótese(s), que
geram novos experimentos, o ciclo se
repete.43
Novos
dados
confirmam
as
hipótese(s)
?
Identificação de
um problema
Coleta de
dados
Elaboração de
hipótese(s)
Teste de
hipótese(s)
(experimento)
Não Sim
Método Científico
44
Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA)
Nosso problema está focado na forma
que o DNA armazena a informação
genética (identificação de um
problema). Antes da resolução da
estrutura do DNA, sabia-se que este
armazenava a informação genética
(Experimento de Avery-MacLeod-
McCarty)(Avery, MacLeod, McCarty,1944)
e era constituído de 4 nucleotídeos
(coleta de dados).
Referência: Avery, Oswald T.; Colin M.
MacLeod, Maclyn McCarty (1944-02-01).
"Studies on the Chemical Nature of the
Substance Inducing Transformation of
Pneumococcal Types: Induction of
Transformation by a Desoxyribonucleic
Acid Fraction Isolated from
Pneumococcus Type III". Journal of
Experimental Medicine 79 (2): 137-158.
Representação artística da estrutura do DNA. Science
Museum, London, UK.
Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de 2013.
45
Em seguida temos a elaboração da
hipótese. A hipótese levantada por
James Watson e Francis Crick é que a
estrutura do DNA apresenta uma hélice
dupla. Sabia-se que o padrão de difração
de raios X de uma estrutura helicoidal
produziria um padrão com formato de “X”
(Cochran, Crick and Vand, 1952). Assim,
temos uma forma de confirmar se o DNA
é helicoidal ou não. O passo seguinte é o
teste da hipótese, no caso os
experimentos que envolvem a
cristalização do DNA e a posterior coleta
de dados de difração de raios X (figura
mostrada ao lado). A cristalização e coleta
de dados de difração de raios X foram
realizadas por Rosalind Franklin.
Diagrama esquemático para a produção do padrão de
difração de raios X do DNA. O padrão foi obtido
originalmente por Rosalyn Franklin, e usado por James
Watson e Francis Crick para elucidarem a estrutura 3D do
DNA, contudo, ao publicarem o artigo relatando a estrutura
do DNA, o nome da Rosalyn Franklin foi omitido.
Site Science Photo Library. Disponível em:
<http://www.sciencephoto.com/media/210096/view >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA)
46
A partir da cristalização e, posterior coleta
do padrão de difração de raios X do DNA,
Watson e Crick propuseram a estrutura
em hélice dupla para DNA, mostrada no
modelo de metal em exposição do
Science Museum, London UK. A estrutura
de DNA foi descrita num artigo de duas
páginas, publicado na revista Nature em
Abril de 1953. O padrão em X da difração
de raios X deu suporte experimental para
a hipótese (teste da hipótese).
Referências:
Cochran W, Crick FHC and Vand V.
(1952) "The Structure of Synthetic
Polypeptides. I. The Transform of Atoms
on a Helix", Acta Cryst., 5, 581-586.
Watson JD, Crick FH. Molecular structure
of nucleic acids; a structure for
deoxyribose nucleic acid. Nature.
1953;171(4356):737-8.
Modelo em metal da estrutura do DNA. A estrutura do DNA
foi modelada a partir das informações contidas no padrão
de difração de raios X de cristais de DNA. Science
Museum, London, UK.
Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de 2013.
Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA)
Uma grande parte de cientistas da área
de inteligência artificial, acredita que
vivemos um momento especial da história
do desenvolvimento científico. Devido à
importância deste momento, destaco nos
meus modestos cursos alguns aspectos
relevantes do processo da singularidade
tecnológica. Uma das características
desta última é o aumento expressivo da
expectativa de vida. Se compararmos a
expectativa de vida hoje, com a de um
brasileiro do início do século XX, vemos
que mais que dobramos nossa
expectativa. No gráfico ao lado, vemos
que a expectativa de vida do brasileiro em
1910 era de 34 anos, e hoje está acima
de 70 anos. O aumento deve-se a
diversos fatores, tais como o
desenvolvimento no saneamento básico e
as conquistas científicas da medicina
moderna.47
Ano
Expectativa de vida do Brasileiro entre 1910 e 2009. Fonte
dos dados: Informe da Previdência Social. Disponível em: <
http://www.previdencia.gov.br/arquivos/office/4_110525-
171625-908.pdf >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020
Singularidade Tecnológica
Exp
ecta
tiva
de
vid
a
Dados para expectativa de vida, antes de
1910, indicam números ainda piores.
Segundo algumas fontes, a expectativa
de vida no Brasil em 1900 era inferior a 30
anos. Fonte: Laboratório de Demografia e
Estudo Populacionais. Disponível em: <
http://www.ufjf.br/ladem/2012/02/28/aume
nto-da-longevidade-e-estancamento-da-
esperanca-de-vida-artigo-de-jose-
eustaquio-diniz-alves/ >. Acesso em: 03
de agosto de 2015.
Um gráfico da evolução da expectativa de
vida ano a ano (2000-2012), mostra
aspectos curiosos do aumento. Vemos um
avanço considerável entre 2002 e 2004.
Este pulo na melhora da expectativa de
vida, é, também, uma consequência direta
de políticas públicas de redução da
pobreza.
48
Expectativa de vida do Brasileiro entre 2000 e 2012. Fonte
dos dados: Index Mundi. Disponível em:
< http://www.indexmundi.com/g/g.aspx?c=br&v=30&l=pt >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
80
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
Exp
ecta
tiva
de
vid
a
Ano
Singularidade Tecnológica
Olhando para o futuro, a expectativa de
vida traz grandes promessas. Um
geneticista da Cambridge University -
Reino Unido, prevê que a primeira pessoa
a viver mais de 1000 anos já está entre
nós (Site da BBC. Disponível em: <
http://news.bbc.co.uk/2/hi/uk_news/40030
63.stm >. Acesso em: 03 de agosto de
2015.
Isto mesmo, mil anos! Não é erro de
digitação. Eu sou cético com relação a
este número, mas acredito, baseado na
aceleração do desenvolvimento científico,
que ultrapassaremos o limite de 120 anos
nas próximas décadas.
49
Página de entrada do site da Strategies for Engineered
Negligible Senescence (SENS) Foundation.
Disponível em: < http://sens.org/>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Singularidade Tecnológica
A evolução da ciência médica, nos deu
nas últimas décadas desenvolvimentos
como transplantes, vacinas, novos
fármacos etc. Além disso, temos a
expectativa da substituição de órgãos,
como o rim crescido artificialmente
mostrado ao lado (Song et al., 2013).
Baseado neste cenário, podemos ser
otimistas quanto à expectativa de vida do
ser humano. Esperamos que, nas
próximas décadas, teremos a
possibilidade de substituição de nossos
órgãos conforme envelhecemos. A
substituição do rim por um crescido
artificialmente tem uma perspectiva de ser
possível numa década. Outros órgãos
apresentam equivalente biomecânico,
como o coração.
50
Rim artificial testado em ratos.
Disponível em: < http://www.bbc.co.uk/news/science-
environment-22149844>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Referência:
Song JJ, Guyette JP, Gilpin SE, Gonzalez G, Vacanti JP, Ott
HC.
Regeneration and experimental orthotopic transplantation of
a bioengineered kidney. Nat Med. 2013 Apr 14. doi:
10.1038/nm.3154
Singularidade Tecnológica
Além do aumento expressivo do número
de anos vividos, a humanidade usufruirá
de facilidades tecnológicas, cada vez
mais baratas.
A evolução da medicina e da cibernética,
permitirá o desenvolvimento de um
equivalente computacional ao cérebro
humano. Como o desenvolvimento
concomitante da neurociência, espera-se
que tenhamos a capacidade tecnológica
de transferirmos o conjunto de nossas
sinapses para um cérebro eletrônico, ou
seja, a substituição do cérebro humano,
por um equivalente computacional. Nessa
fase a humanidade atingirá virtualmente a
imortalidade. A situação onde esta
transição ocorrerá, é chamada de
singularidade tecnológica.Visão artística da modelagem matemática do cérebro.
Disponível em: <http://www.kurzweilai.net/mind-uploading-
featured-in-academic-journal-for-first-time>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
51
Singularidade Tecnológica
O gráfico ao lado ilustra a lei de Moore,
que estabelece que aproximadamente
entre 18 e 24 meses o número de
transistores por chip dobra. Esta lei foi
proposta por Gordon Moore cofundador
da Intel. Ou seja, considerando-se os
processadores hoje, esperamos que em
aproximadamente entre 18 e 24 meses
teremos disponíveis, pelo mesmo preço,
computadores com o dobro da
capacidade de processamento. Uma
extrapolação da lei de Moore para 2030,
ou um pouco depois, indica que teremos
computadores com a complexidade do
cérebro humano.
Disponível em: <
http://www.kurzweilai.net/the-law-of-
accelerating-returns >. Acesso em: 03 de
agosto de 2015.
Evolução do número de transistores por chip em função do
ano.
Disponível em:
http://library.thinkquest.org/4116/Science/moore%27s.htm.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
52
Singularidade Tecnológica
A pesquisa em singularidade tecnológica
é uma atividade multidisciplinar, cujo o
foco é o entendimento dos sistemas
biológicos e computacionais,
especificamente a interface do ser
humano com máquinas. A partir deste
conhecimento, teremos condições de
prolongar nossa expectativa de vida, até
termos condições tecnológicas de
transferirmos nossa consciência para um
sistema computacional, o que abre a
possibilidade da imortalidade, bem como
uma nova fase da evolução humana. Tal
fase da evolução permitirá a integração
das consciências computacionais, o que
abre um amplo espectro de
possibilidades. Tais tecnologias ainda não
existem, mas se consideramos a lei de
Moore, vemos que o rápido
desenvolvimento tecnológico nos levará
até este estágio.
Visão artística do cérebro digital.
Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/critique-of-
against-naive-uploadism#!prettyPhoto>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
53
Singularidade Tecnológica
Muitos autores destacam que, as
pesquisas mais importantes e
desafiadoras nos dias de hoje, estão
relacionadas com a singularidade
tecnológica. A biofísica pode contribuir
nesta área em duas frentes de atuação.
Uma frente para entendermos as bases
moleculares do funcionamento do
cérebro, que permitirá seu entendimento e
então sua modelagem computacional.
Noutra frente, ao vivermos mais (aumento
da expectativa de vida), nos tornamos
sujeitos a novas enfermidades, que
podem ser combatidas com abordagens
do desenho de fármacos baseado em
computadores.
54
Página de entrada do site Kurzweil Accelerating Intelligence.
Disponível em:<http://www.kurzweilai.net/ >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Singularidade Tecnológica
55
Ao atingirmos a singularidade
tecnológica, abandonaremos as
limitações biológicas do nosso ser e
atingiremos um universo de novas
possibilidades que tal fase nos
trará.
Singularidade Tecnológica
Maiores informações sobre a singularidade tecnológica podem ser encontradas nos
artigos de Ray Kurzweil disponíveis on-line no site Kurzweil Accelerating Intelligence.
► Kurzweil responds: Don’t underestimate the Singularity. Disponível em: <
http://www.kurzweilai.net/kurzweil-responds-dont-underestimate-the-singularity>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
► The new era of health and medicine as an information technology is broader
than individual genes. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/the-new-era-of-
health-and-medicine >. Acesso em: 03 de agosto de 2015.
► How my predictions are faring — an update by Ray Kurzweil. Disponível em: <
http://www.kurzweilai.net/how-my-predictions-are-faring-an-update-by-ray-kurzweil >.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
► The Law of Accelerating Returns. Disponível em: < http://www.kurzweilai.net/the-
law-of-accelerating-returns >. Acesso em: 03 de agosto de 2015.
56
Singularidade Tecnológica
Não há nenhum livro que cubra de forma
completa todos os tópicos da disciplina
biofísica. Para aqueles que gostam de ter
um livro de referência eu recomendo o
excelente livro do Prof. Jarbas de Oliveira
(EDIPUCRS, 2002). O livro do Prof.
Jarbas cobre os principais tópicos
relacionados com o segundo módulo da
disciplina biofísica.
•OLIVEIRA, Jarbas Rodrigues de;
WACHTER, Paulo Harald; AZAMBUJA,
Alan Arrieira. Biofísica para ciências
biomédicas. Porto Alegre: EDIPUCRS,
2002. 313 p.
Fonte da imagem:
http://books.google.com.br/books?id=l_Z5exSApPcC&printsec=frontcover&dq=biofisica&cd=1#v=onepage&q&f=false
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
57
Bibliografia
Além do livro do Prof. Jarbas temos dois
outros, indicados abaixo.
•OKUNO, Emiko; CALDAS, Iberê Luiz;
CHOW, Cecil. Física para ciências
biológicas e biomédicas. São Paulo:
Harper & Row do Brasil, 1982. 490 p.
•GARCIA, Eduardo Antônio Conde.
Biofísica. São Paulo: Savier, 1998. 387 p.
Ambos livros (OKUNO e GARCIA)
cobrem melhor o conteúdo referente ao
terceiro módulo da disciplina biofísica.
Fonte da imagem:
http://www.harbra.com.br/produto.php?id=4359&pg=F%EDsica%20para%20Ci%EAncias%20Biol%F3gicas%20e%20Biom%E9dicas%20-%20F%EDsica
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
58
Bibliografia
O melhor material sobre a Singularidade
Tecnológica, segundo minha modesta
avaliação, é o livro do Ray Kurzweil. “The
Singularity is Near”. O livro mostra de
forma científica e criteriosa o crescimento
rápido das revoluções científicas e
tecnológicas, extrapolando a tendência de
desenvolvimento para as próximas
décadas, onde chegaremos ao ponto da
Singularidade Tecnológica.
Disponível em:
<http://www.amazon.com/gp/product/images/0143037889/ref
=dp_otherviews_0?ie=UTF8&s=books&img=0>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015. 59
Livro Indicado
O site do Ray Kurzweil traz uma coleção
de notícias relacionadas com o
desenvolvimento científico em áreas de
interesse da Singularidade Tecnológica.
Há destaque para pesquisas em
Inteligência Artificial, Computação
Quântica, Bioinformática, Biomecânica,
desenvolvimento de novos fármacos,
entre outros:
http://www.kurzweilai.net/
Simplesmente fascinante!
60
Página de entrada do site Kurzweil Accelerating Intelligence.
Site Kurzweil Accelerating Intelligence. Disponível em:
<http://www.kurzweilai.net/>.
Acesso em: 03 de agosto de 2015.
Site Indicado
Para os interessados em ficção científica
minha sugestão cinematográfica é o filme
“Transcendence” que trata do assunto da
singularidade tecnológica.
Cartaz do filme: Transcendence
Disponível em:
<http://www.imdb.com/media/rm2593966848/tt2209764?ref_
=tt_ov_i>. Acesso em: 1 de mar. 2015.
61
Material Adicional (Filme Indicado)
ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora,
Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3).
DURÁN, J. E. R. Biofísica. Fundamentos e Aplicações. Pearson Education do
Brasil Ltda, São Paulo, 2003.
LESK, A. M. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New
York, 2001.
RAW, I. HO, P. L. Integração e seus sinais. Editora UNESP, São Paulo, 1999.
Última atualização em: Acesso em: 03 de agosto de 2015.
62
Referências Bibliográficas