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O que é a vida?
Qual a origem da vida?

1
Razã entre o raio
o
da Terra e o raio
da Universo:
1.5x10—20

Adaptada de Figura em John Barrow's "The Artful Universe"
2
Nã havia espaç o, nem
o
tempo. Nem maté ria, nem
energia. Era o "vá
cuo" (o
"nada"). Mas, o "vá
cuo"
també m nã existia. Era
o
apenas um estado quâ
ntico.
Nos primeiros 10-43 s os
físicos nã sabem bem o
o
que aconteceu. Isso foi há
cerca de 15 mil milhõ de
es
anos! Deram-lhe o nome
de "Big Bang". A partir daí,
a física tem uma teoria
relativamente bem
fundamentada, suportada
por observaç õ da
es
radiaç ã có smica.
o
A Terra deve ter-se
formado hácerca de 4,56
mil milhõ de anos.
es

3
POSSÍ VEIS ORIGENS DA VIDA:
Extra-terrestre (Panspermia):
Esta ideia é suportada por vá
rios dados sobre a observç ã de
o
molé culas da vida em meteoritos, nomeadamente um que caiu em
1969, em Allende, no Mé xico onde foi detectada evidê
ncia de
aminoá
cidos (exó ticos — que nã aparecem nos sistemas vivos
o
conhecidos!).
Esta hipó tese é considerada incorrecta, embora em 1996, a NASA
tenha publicado um relató rio em que defendia a hipó tese de que há
vestígios de vida em Marte e afirmou ter na sua posse microfó sseis
de organismos do tipo bacté ria, com 3,6 mil milhõ de anos.
es
Dos cerca de 24 000 meteoritos descobertos na Terra, só 34 foram
identificados como vindos de Marte. Estes sã os meteoritos em
o

que a NASA diz haver vestígios de vida:

Um meteorito de Marte
(m= 452.6 gramas)

Um meteorito de Marte
(m= 245.4 gramas.)
4
Pesa 1,9 kg, foi
encontrada em 1984 no
Antartico, e pensa-se que
tem 4,5 mil milhões de
anos. O meteorito
ALH84001 é
provavelmente a pedra
mais discutida no mundo.
Alguns cientistas
suspeitam que as formas
observadas pelo
microscópio electrónico de
varrimento (SEM) sejam
apenas de origem mineral.
David McKay do Centro
Espacial Lyndon B.
Johnson assegurou em
1996, que são micróbios
marcianos fossilizados.
5
Origem Química:
A descoberta da síntese da ureia em 1828 por Friedrich Woehler, a
partir do cianato de amô nio (sal inorgâ
nico). Esta síntese derrubou a
teoria de que os compostos orgâ
nicos só poderiam ser sintetizados
pelos organismos vivos (teoria da forç a vital).
Em 1922 o cientista russo Oparin sugeriu que a vida da cé lula foi
precedida de um período de evoluç ã química.
o
Em 1953, Stanley Miller (na Universidae de Chicago), entã com 23
o
anos, realizou uma experiê
ncia que ficou cé lebre:
Colocou num reactor (balã uma mistura de amó nia, hidrogé nio e
o),
vapor de á
gua (a que se chamou depois, a sopa primitiva). Queria
assim simular a atmosfera primitiva. Depois de selar o reactor,
provocou sucessivas descargas elé ctricas no seu interior. Duas
semanas depois (e muitas descargas) o líquido começ ou a mudar
de cor. Quando o analisou encontrou pelo menos dois aminoá
cidos, a
alanina e a glicina.

Stanley Miller
(7/3/1930—20/5/2007)

6
Produtos obtidos na experiência de Miller:

"A production of amino
acids under possible
primitive Earth
conditions”
Science 1953; 117: 528529.

7
As interacções entre estas moléculas poderiam levar à formação de moléculas mais complexas.
A formação de ácidos nucleicos poderia ser um indício de vida pré-celular.
De facto, em experiências posteriores (com outros reagentes inorgânicos simples) foram
detectados ácidos nucleicos.
A adenina poderia ser obtida a partir da polimerização de cianeto (que se poderia facilmente
formar numa atmosfera primitiva):

A adenina e outras bases poderiam, na presença de ácidos nucleicos, auto-organizar-se e
formar hélices. Eventualmente, estes elementos pré-celulares poderiam ser envolvidos por
uma membrana (lípido-proteína) dando origem a células primitivas.
Do ponto de vista da bioquímica, os sistemas vivos distinguem-se pelas seguintes
características:
1) A capacidade de replicação.
2) A presença de enzimas e outras moléculas complexas necessárias aos sistemas vivos.
3) A membrana que separa os constituintes químicos do ambiente exterior. Sidney W. Fox
produziu esferas proteinóides, que embora não sejam células, sugerem uma via possível
para a vida celular.
8
A existê
ncia de fó sseis coloca a origem da vida a pelo menos 3,5 mil milhõ de
es
anos. Hámesmo vestígios fó sseis de cé lulas primitivas em rochas da Groenlâ
ndia
com pelo menos 3,8 mil milhõ de anos.
es
As rochas mais antigas que se conhecem datam de cerca de 3,96 mil milhõ de
es
anos e sã originá
o
rias do Á
rtico (Canadá Assim, é prová que a vida tenha tido
).
vel
início pouco depois do arrefecimento da Terra e da formaç ã da atmosfera e dos
o
oceanos.
Estes fó sseis ocorrem em rochas marinhas sedimentares, que se formarm nos
oceanos antigos. Os organismos vivos actuais mais parecidos com as formas de
vida primitivas sã as arquibacté rias.
o

9
Como apareceu a vida e como evoluiu?
De entre as molé culas que havia na Terra antes do aparecimento da vida (há
3 ou 4 mil milhõ de anos) estavam provavelmente a á
es
gua, o dió xido de
carbono, o metano e a amó nia.
Em dado momento formou-se, por causas ainda obscuras (e.g. Processo de
Miller), uma molé cula capaz de criar có pias de si mesma: um "replicador",
que actuava como modelo, no caldo rico nos blocos moleculares necessá
rios
à formaç ã de có pias.
o
Surgiram entretanto vários replicadores que competiam entre si
pelos tais blocos. As variedades menos favorecidas ter-se-ão
extinguido. As que sobreviveram construíram "máquinas de
sobrevivência" dentro das quais pudessem viver.
Actualmente os replicadores sã os genes e as "má
o
quinas de sobrevivê
ncia"
somos nó s!
Richard Dawkins, O Gene Egoísta, Gradiva, 3ª edição, 2003
O gene é uma "entidade molecular" de extraordiná estabilidade — só assim se
ria
justifica a sua sobrevivê
ncia. Essa estabilidade de molé culas e agregados só se pode
explicar, pela ligaç ã química e pelas interacç õ intermoleculares (e.g., ADN = 2
o
es
hé lices enroladas uma sobre a outra!). A teoria que explica a ligaç ã química e
o
estabilidade das molé culas é a teoria QUÂNTICA.
10
1

“The origins of life. From the Birth of Life to the Origins of Language
John Maynard Smith and Eö Szathmá Oxford University Press. 1999
rs
ry,
Metabolismo (os á
tomos que constituem o ser vivo nã sã permanentes, mas
o o
retirados do meio ambiente e combinados para formar os vá
rios compostos
químicos e depois devolvidos ao meio ambiente) — ciclo autocatalítico
Replicaç ão (Hereditariedade -informaç ã gené tica) — molé cula informacional
o

Processo evolutivo: transiç õ (descontinuidades)
es
Moléculas replicadoras

Populações de moléculas em protocélulas

Replicadores indepen dentes

Cromossomas

ARN como gene e enzima

Genes de ADN e proteinas-enzimas

Células bacterianas (procariotes)

Células com núcleos e organelos (eucariotes)

Clones assexuados

Populaçãoes sexuadas

Organismos unicelulares

Animais, plantas e fungos

Individuos solitários

Colónias com castas n ão reprodutíveis (abelhas, etc)

Sociedades primatas

Sociedade humana (língua)
11
Cada cadeia da molé cula de ADN
original actua como molde para a
síntese de uma nova cadeia
complementar.
As duas cadeias sã separadas
o
pelas enzimas. Com a assistê
ncia de
outras enzimas, as componentes
disponíveis no interior da cé lula sã
o
ligadas às cadeias individuais
segundo regras de
complementaridade
(emparelhamento das bases)

12
2 “Origins of life”, Freeman Dyson, Cambridge University Press, 1999
FD cita von Newmann (1948) que faz a analogia de um organismo vivo com
um automato (computador). O hardware é constituído sobretudo pelas
proteínas (essenciais para o metabolismo) e o software, o có digo gené tico
no ADN.
Um automato composto de hardware sem software pode existir e manter o
metabolismo. Pode viver independente enquanto encontrar alimentos. Um
automato com software e sem hardware só pode viver como parasita.

FD defende a origem da vida como dual:
• Ou começ ou simultaneamente com as funç õ de metabolismo e
es
replicaç ão presentes no mesmo organismo desde o princípio.
• Ou teve duas fases, com dois tipos de criaturas separadas: uma capaz de
metabolismo sem replicaç ã e outra capaz de replicaç ã sem
o
o
metabolismo
Se começ ou em duas fases, a primeira deve ter sido com molé culas semlhantes
a proteínas, e a segunda com molé culas parecidas com á
cidos nucleicos
13
O que é a vida?
A vida é definida como um sistema químico capaz
de transferir a sua informação molecular por autoreprodução e que é capaz de evoluir.
Os aminoácidos,
elementos constituintes
da matéria viva, poderão
ter-se formado em grãos
de poeira cósmica no
espaço interestelar
(ilustração da ESA)
Ingredientes necessários à vida:
Todos os cientistas estão de acordo que a água é essencial para a vida evoluir e sobreviver. Os blocos
elementares que são necessários são o carbono, o oxigénio, o hidrogénio e o azoto. Para que se reacões
químicas se processem também é necessária energia.
As moléculas simples deram origem a moléculas mais complexas (aminoácidos) nos mares da Terra
primitiva. A energia necessária pode ter vindo das tempestades ou de fontes quentes do interior da Terra.
Os aminoácidos deram origem às proteínas e ao AND que tem a capacidade de se replicar. Transporta o
código para gerar um ser vivo.
Há também cientistas que acreditam que a vida veio do espaço, trazida por um cometa!
14
Todos os seres vivos têm cé lulas (?).
Cada cé lula é delimitada por uma membrana e conté m um
conjunto completo de instruç õ para a sua operaç ã e
es
o
reproduç ã Todas as cé lulas usam o mesmo sistema
o.
operativo: ADN — ARN—proteínas
A vida é um fenó meno emergente complexo. Como tal é governado um
conjunto de regras de selecç ão, que controlam o modo como os agentes (as
cé lulas, os orgã etc.) interactuam uns com os outros.
os,
A característica esssencial das
cé lulas vivas é a HOMEOSTASE
— abilidade de manter um balanç o
químico estacioná e mais ou
rio
menos constante num ambiente em
mudanç a.
A homeostase é o conjunto de
mecanismos de controle químico e
de feedback que assegura que, na
cé lula, cada espé cie molecular é
produzida nas proporç õ
es
adequadas, nem demais, nem de
menos.

15
Célula viva

Dimensões: 10 - 100 µm
(micron)
Numa célula viva há cerca
de 10 000 proteínas que se
movem de modo
organizado.
Cada célula sabe a sua
posição no organismo,
pensa-se que,
comunicando com as
vizinhas.
A origem evolutiva da
célula está relacioanda com
a origem da vida.
Não se sabe quase nada!
16
O que é a vida? — E. Schrö
dinger, 1943
O Funcionamento de um organismo requer leis físicas exactas
Os á
tomos individuais tê comportamento aleató rio. É o facto de lidarmos com
m
grandes nú
meros de á
tomos (da ordem de 1023) que o comportamento da
maté ria nos parece regido por leis físicas exactas.
• Hereditariedade
• Divisã celular. Processo de duplicaç ã
o
o
• Selecç ã natural. Estabilidade e mutaç õ bruscas (mecâ
o
es
nica
quâ
ntica — enorme estabilidade do gene — estados descontínuos e saltos
quâ
nticos)
A vida parece ser comportamento ordenado da maté ria, nã baseado na
o
tendê
ncia para passar da ordem à desordem (segundo princípio da
Termodinâ
mica), mas sim na ordem existente, que se perpetua, ou mesmo na
passagem da desordem à ordem (auto-organizaç ã e self-assembly).
o
Parece violar o segundo princípio da Termodinâ
mica. De facto a maté ria viva
alimenta-se de entropia negativa!
A organizaç ã manté m-se, extraindo a ordem (entropia negativa) do meio
o
ambiente (a partir da desordem, ou melhor dispersão) ou a partir da ordem
pré -existente (mais prová
vel).

17
Self-assembly" (auto-agregaç ão) e "auto-organizaç ão".
“Self-assembly” (auto-agregaç ão) molecular: associaç ã espontâ
o
nea de molé culas, em
condiç õ de equilíbrio, de modo a formar agregados estruturalmente bem definidos, ligados por
es
ligaç õ químicas fracas (nã
es
o-covalentes).
Nã esquecer os aspectos termodinâ
o
micos— a competiç ã entre a entalpia e entropia na energia de
o
Gibbs que tende sempre para um mínimo (equilíbrio) na self-assembly.

Auto-organizaç ão
A auto-organizaç ã é um processo complexo, e dinâ
o
mico, que ocorre longe do equilíbrio
termodinâ
mico e implica que o sistema deve ser aberto (receber energia e/ou informaç ã
o).

O conceito de emergência surge associado à complexidade.
JáAristoteles, hámais de 2000 anos, escrevia na Metafíisca, que "o todo é algo de diferente
e acima das suas partes, e nã apenas a soma de todas elas.
o
Foi no entanto no sé culo XIX que essa ideia surgiu entre os bió logos para explicar como
alguns aspectos dos seres vivos sã está
o
veis e reprodutíveis, enquanto que as leis
microscó picas da química donde descendem sã aleató rias e probabilísticas.
o
Os especialistas consideram que os fenó menos emergentes sã governados por regras de
o
selecç ão, que controlam o modo como os agentes interactuam uns com os outros. Essas
regras sã muitas vezes expressas em modelos matemá
o
ticos. É curioso como um
pequeno conjunto de regras simples pode gerar comportamentos de grande
complexidade.
18
Princípios de self-assembly molecular em biologia:
i) Associaç ã de interacç õ fracas de modo a dar uma
o
es
estrutura final que corresponde a um mínimo termodinâ
mico.

∆G = ∆H - T∆S ≤ 0

Condiç ã de espontaneidade
o

ii) Só estã normalmente envolvidos poucos tipos de
o
molé culas — minimizando a informaç ã requerida para uma
o
determindada estrutura: 20 aminoá
cidos, uns poucos
nucleó tidos, uma dú de lípidos, 2 dú
zia
zias de aç ú
cares +
alguns intermediá
rios
iii) Cooperatividade

Onde vão os sistemas vivos buscar a entropia negativa?
19
A Energia do Sol é altamente
organizada e transportada por fotõ
es.
A Biosfera absorve fotões quentes do Sol
e emite fotões frios de maior
comprimento de onda.
O fluxo de energia e entropia é
equivalente ao total da energia e entropia
do circulo da vida.

Trê subsistemas termodinâ
s
micos: o
Sol, a Bioesfera e o Universo.
A Bioesfera extrai entropia negativa no
processo de troca de fotões quentes
(T=5800 K) por fotões frios (T=280 K).
Este processo é responsá pela
vel
misteriosa Força Vital que parece
desafiar a segunda lei
daTermodinâ
mica.

Balanç o da entropia para a Bioesfera :
O fluxo de entropia recebida pela Bioesfera é dS/dT = 5,6x1036 bits s-1 (a T=5800 K)
O fluxo de entropia emitida pela Bioesfera é dS/dT = 122x1036 bits s-1
O influxo de entropia negativa responsá pela formaç ã e manutenç ã da vida na Terra é
vel
o
o
dSINPUT/dT = —1,16x1038 bits s-1
http://www.digital-recordings.com/publ/publife.html

20
É possível criar um ser vivo artificial a partir de matéria inorgânica?
A experiência de Miller levou à ideia de criar vida artificial. Tem havido muitas
tentativas. David W. Deamer, por exemplo, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz
lançou a ideia de criar uma protocélula (célula primitiva) há cerca de 30 anos.
Segundo ele, a protocélula deveria satisfazer 12 requesitos, nomeadamente, ter uma
membrana que capta energia, manter gradientes de concentração de iões, confinar
macromoléculas e dividir-se. As macromoléculas devem poder crescer por
polimerização, evoluir, armazenar informação, ter a possibilidade de sofrer mutações,
promover o crescimento de polímeros catalíticos. Vários laboratórios já conseguiram
estes requisitos, mas ainda faltam dois: i) a célula deve conter genes e enzimas que
podem ser replicados e ii) esses genes devem ser partilhados entre as células filhas.
David W. Deamer espera que, na próxima década, seja possível atingir estes
objectivos, talvez através de uma enzima que se duplica, e actue simultaneamente
como material genético e catalisador.
Albert Libchaber da Rockefeller University processou um plasmódio (célula com vários
núcleos, formada através da divisão de um núcleo inicial) que gera proteínas e as coloca em
sacos de membranas.
Estas células (que funcionam) sobrevivem por 4 dias, mas ainda não
conseguiu que se reproduzissem.

Scientists around the world, using a multitude of approaches, are
closing in on a functioning artificial cell. Does that mean they're
close to creating life in the lab?
Scientist, January 2006

Albert Libchaber

21
amphiphilic molecules can self-assemble into
microscopic sacs sharing some properties of
cell membranes
incorporated bacteriorhodopsins and an
ATPase into a liposome membrane to
generate ATP from light.

liposomes capable of maintaining proton
gradients

macromolecules can easily be captured in
lipid vesicles by mixing the vesicles with
the molecules, then drying and rehydrating
the mixture.

22
RNA com um marcador fluorescente
vermelho é absorvido numa partícula
de calcáreo, encapsulada por um
vesículo de ácido gordo com um
marcador fluorescente verde.
Esta estrutura é formada por selfassembly mediada pelo calcáreo, e
ilustra um possível processo pelo qual
precursores das células primitivas
poderiam ser formados

23
Em Junho de 2007 apareceu nos media (e. g., BBC
News) uma notícia que deixou muito boa gente
estupefacta: um grupo de cientistas submeteu um
pedido de patente para um mé todo de criar um
"organismo sinté tico". O pedido de patente, do
Instituto J. Craig Venter, reclama propriedade
exclusiva de um conjunto de genes e de um organismo
sinté tico vivo, que pode crescer e replicar-se, feito a
partir desses genes.
http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6733797.stm

24
O termo BIOLOGIA SINTÉTICA apareceu pela primeira vez no título de um
artigo na revista NATURE em 1913, mas desapareceu até 1980, altura em que é
aplicado no mesmo sentido que a tecnologia do ADN recombinante. Hoje em dia, o
termo é usado para descrever a engenharia de circuitos gené ticos, genomas e
memso organismos.
Algumas definiç õ
es:
A biologia sintética é a engenharia de novos sistemas usando partes em que se
pode confiar. É a aplicaç ã da aná de sistemas bioló gicos para fabricar e testar
o
lise
má
quina bioló gicas complexas.
- George Church, professor of genetics at Harvard Medical School and
Director of the Center for Computational Genetics
A definiç ã de biologia sinté tica é ilusiva, com o é a definiç ã de vida. Como
o
o
físicos, gostariamos de construir má
quinas, robots, etc. É o que tentamos fazer
com as molé culas da vida. É uma espé cie de engenharia, mas há ainda muitas
questõ fundamentais
es
-Vincent Noireaux, assistant professor of physics, University of Minnesota
"Let me ask my funding agency. ... I'll get back to you."
- Frederick Blattner, professor of genetics, University of Wisconsin,

25
Alguns aspectos mais fundamentais
René Thom

• Biologia — Morfogénese biológica
• Química — Auto-agregação, Auto-organização
• Física — Teorias Complexidade
• Matemática — Caos, Catástrofes
• Lógica
• Filosofia

Teoria das catástrofes

26
Alguns aspectos mais fundamentais (continuação)
Morfogénese biológica
Teoria dos modelos
René Thom

27
Filosofia
Tales:
A ideia de Tales, o fundador da escola Milé sia, de que a á
gua é a
substâ
ncia fundamental, da qual todas as outras sã formas
o
transientes. Note-se, no entanto, o aspecto crucial de que a ideia de
substâ
ncia nessa é poca nã deve ser interpretada no sentido
o
puramente material, como actualmente, mas que a Vida estava
associada e era inerente a essa substância.
Aristó teles dizia que a substância de Tales estava cheia de deuses.
Ref: Werner Heisenberg, Physics and Philosophy: The Revolution in
Modern Science, Penguin Modern Classics.

Platão: Timeu

28
Bibliografia
1. O que é a vida? E. Schrö
dinger (1943)
2 “The origins of life. From the Birth of Life to the Origins of Language
John Maynard Smith and Eö Szathmá Oxford University Press. 1999
rs
ry,
3 “Origins of life”, Freeman Dyson, Cambridge University Press, 1999
Nota:
Esta foi a ú
ltima aula da disciplina de Química-Física (em Julho de 2008) da licenciatura em
Engenharia Bioló gica do Instituto Superior Té cnico.
Em Setembro de 2012, muita coisa poderáestar desactualizada, na medida em que muita
investigaç ã tem sido feita e estáem curso em todas as disciplinas relevantes para o tema.
o
A título de exemplo, sugere-se a visualizaç ã do vídeo com uma conferê
o
ncua sobre selfreplication (uma das carcterísticas da maté ria viva) de um sistema simples. O conferencista é o
físico teó rico Paul Chaikin, que desde os anos de 1970 trabalha em condutores orgâ
nicos e
conheci, e trouxe a Portugal em 1979, agora a investiigar soft matter na New York University
http://online.kitp.ucsb.edu/online/biopoly-c11/chaikin/rm/flash.html
Luis Alcacer, IST, Lisboa
mailto:alcacer@lx.it.pt
url: http://www.lx.it.pt/~alcacer/
29

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Origem da vida

  • 1. O que é a vida? Qual a origem da vida? 1
  • 2. Razã entre o raio o da Terra e o raio da Universo: 1.5x10—20 Adaptada de Figura em John Barrow's "The Artful Universe" 2
  • 3. Nã havia espaç o, nem o tempo. Nem maté ria, nem energia. Era o "vá cuo" (o "nada"). Mas, o "vá cuo" també m nã existia. Era o apenas um estado quâ ntico. Nos primeiros 10-43 s os físicos nã sabem bem o o que aconteceu. Isso foi há cerca de 15 mil milhõ de es anos! Deram-lhe o nome de "Big Bang". A partir daí, a física tem uma teoria relativamente bem fundamentada, suportada por observaç õ da es radiaç ã có smica. o A Terra deve ter-se formado hácerca de 4,56 mil milhõ de anos. es 3
  • 4. POSSÍ VEIS ORIGENS DA VIDA: Extra-terrestre (Panspermia): Esta ideia é suportada por vá rios dados sobre a observç ã de o molé culas da vida em meteoritos, nomeadamente um que caiu em 1969, em Allende, no Mé xico onde foi detectada evidê ncia de aminoá cidos (exó ticos — que nã aparecem nos sistemas vivos o conhecidos!). Esta hipó tese é considerada incorrecta, embora em 1996, a NASA tenha publicado um relató rio em que defendia a hipó tese de que há vestígios de vida em Marte e afirmou ter na sua posse microfó sseis de organismos do tipo bacté ria, com 3,6 mil milhõ de anos. es Dos cerca de 24 000 meteoritos descobertos na Terra, só 34 foram identificados como vindos de Marte. Estes sã os meteoritos em o que a NASA diz haver vestígios de vida: Um meteorito de Marte (m= 452.6 gramas) Um meteorito de Marte (m= 245.4 gramas.) 4
  • 5. Pesa 1,9 kg, foi encontrada em 1984 no Antartico, e pensa-se que tem 4,5 mil milhões de anos. O meteorito ALH84001 é provavelmente a pedra mais discutida no mundo. Alguns cientistas suspeitam que as formas observadas pelo microscópio electrónico de varrimento (SEM) sejam apenas de origem mineral. David McKay do Centro Espacial Lyndon B. Johnson assegurou em 1996, que são micróbios marcianos fossilizados. 5
  • 6. Origem Química: A descoberta da síntese da ureia em 1828 por Friedrich Woehler, a partir do cianato de amô nio (sal inorgâ nico). Esta síntese derrubou a teoria de que os compostos orgâ nicos só poderiam ser sintetizados pelos organismos vivos (teoria da forç a vital). Em 1922 o cientista russo Oparin sugeriu que a vida da cé lula foi precedida de um período de evoluç ã química. o Em 1953, Stanley Miller (na Universidae de Chicago), entã com 23 o anos, realizou uma experiê ncia que ficou cé lebre: Colocou num reactor (balã uma mistura de amó nia, hidrogé nio e o), vapor de á gua (a que se chamou depois, a sopa primitiva). Queria assim simular a atmosfera primitiva. Depois de selar o reactor, provocou sucessivas descargas elé ctricas no seu interior. Duas semanas depois (e muitas descargas) o líquido começ ou a mudar de cor. Quando o analisou encontrou pelo menos dois aminoá cidos, a alanina e a glicina. Stanley Miller (7/3/1930—20/5/2007) 6
  • 7. Produtos obtidos na experiência de Miller: "A production of amino acids under possible primitive Earth conditions” Science 1953; 117: 528529. 7
  • 8. As interacções entre estas moléculas poderiam levar à formação de moléculas mais complexas. A formação de ácidos nucleicos poderia ser um indício de vida pré-celular. De facto, em experiências posteriores (com outros reagentes inorgânicos simples) foram detectados ácidos nucleicos. A adenina poderia ser obtida a partir da polimerização de cianeto (que se poderia facilmente formar numa atmosfera primitiva): A adenina e outras bases poderiam, na presença de ácidos nucleicos, auto-organizar-se e formar hélices. Eventualmente, estes elementos pré-celulares poderiam ser envolvidos por uma membrana (lípido-proteína) dando origem a células primitivas. Do ponto de vista da bioquímica, os sistemas vivos distinguem-se pelas seguintes características: 1) A capacidade de replicação. 2) A presença de enzimas e outras moléculas complexas necessárias aos sistemas vivos. 3) A membrana que separa os constituintes químicos do ambiente exterior. Sidney W. Fox produziu esferas proteinóides, que embora não sejam células, sugerem uma via possível para a vida celular. 8
  • 9. A existê ncia de fó sseis coloca a origem da vida a pelo menos 3,5 mil milhõ de es anos. Hámesmo vestígios fó sseis de cé lulas primitivas em rochas da Groenlâ ndia com pelo menos 3,8 mil milhõ de anos. es As rochas mais antigas que se conhecem datam de cerca de 3,96 mil milhõ de es anos e sã originá o rias do Á rtico (Canadá Assim, é prová que a vida tenha tido ). vel início pouco depois do arrefecimento da Terra e da formaç ã da atmosfera e dos o oceanos. Estes fó sseis ocorrem em rochas marinhas sedimentares, que se formarm nos oceanos antigos. Os organismos vivos actuais mais parecidos com as formas de vida primitivas sã as arquibacté rias. o 9
  • 10. Como apareceu a vida e como evoluiu? De entre as molé culas que havia na Terra antes do aparecimento da vida (há 3 ou 4 mil milhõ de anos) estavam provavelmente a á es gua, o dió xido de carbono, o metano e a amó nia. Em dado momento formou-se, por causas ainda obscuras (e.g. Processo de Miller), uma molé cula capaz de criar có pias de si mesma: um "replicador", que actuava como modelo, no caldo rico nos blocos moleculares necessá rios à formaç ã de có pias. o Surgiram entretanto vários replicadores que competiam entre si pelos tais blocos. As variedades menos favorecidas ter-se-ão extinguido. As que sobreviveram construíram "máquinas de sobrevivência" dentro das quais pudessem viver. Actualmente os replicadores sã os genes e as "má o quinas de sobrevivê ncia" somos nó s! Richard Dawkins, O Gene Egoísta, Gradiva, 3ª edição, 2003 O gene é uma "entidade molecular" de extraordiná estabilidade — só assim se ria justifica a sua sobrevivê ncia. Essa estabilidade de molé culas e agregados só se pode explicar, pela ligaç ã química e pelas interacç õ intermoleculares (e.g., ADN = 2 o es hé lices enroladas uma sobre a outra!). A teoria que explica a ligaç ã química e o estabilidade das molé culas é a teoria QUÂNTICA. 10
  • 11. 1 “The origins of life. From the Birth of Life to the Origins of Language John Maynard Smith and Eö Szathmá Oxford University Press. 1999 rs ry, Metabolismo (os á tomos que constituem o ser vivo nã sã permanentes, mas o o retirados do meio ambiente e combinados para formar os vá rios compostos químicos e depois devolvidos ao meio ambiente) — ciclo autocatalítico Replicaç ão (Hereditariedade -informaç ã gené tica) — molé cula informacional o Processo evolutivo: transiç õ (descontinuidades) es Moléculas replicadoras Populações de moléculas em protocélulas Replicadores indepen dentes Cromossomas ARN como gene e enzima Genes de ADN e proteinas-enzimas Células bacterianas (procariotes) Células com núcleos e organelos (eucariotes) Clones assexuados Populaçãoes sexuadas Organismos unicelulares Animais, plantas e fungos Individuos solitários Colónias com castas n ão reprodutíveis (abelhas, etc) Sociedades primatas Sociedade humana (língua) 11
  • 12. Cada cadeia da molé cula de ADN original actua como molde para a síntese de uma nova cadeia complementar. As duas cadeias sã separadas o pelas enzimas. Com a assistê ncia de outras enzimas, as componentes disponíveis no interior da cé lula sã o ligadas às cadeias individuais segundo regras de complementaridade (emparelhamento das bases) 12
  • 13. 2 “Origins of life”, Freeman Dyson, Cambridge University Press, 1999 FD cita von Newmann (1948) que faz a analogia de um organismo vivo com um automato (computador). O hardware é constituído sobretudo pelas proteínas (essenciais para o metabolismo) e o software, o có digo gené tico no ADN. Um automato composto de hardware sem software pode existir e manter o metabolismo. Pode viver independente enquanto encontrar alimentos. Um automato com software e sem hardware só pode viver como parasita. FD defende a origem da vida como dual: • Ou começ ou simultaneamente com as funç õ de metabolismo e es replicaç ão presentes no mesmo organismo desde o princípio. • Ou teve duas fases, com dois tipos de criaturas separadas: uma capaz de metabolismo sem replicaç ã e outra capaz de replicaç ã sem o o metabolismo Se começ ou em duas fases, a primeira deve ter sido com molé culas semlhantes a proteínas, e a segunda com molé culas parecidas com á cidos nucleicos 13
  • 14. O que é a vida? A vida é definida como um sistema químico capaz de transferir a sua informação molecular por autoreprodução e que é capaz de evoluir. Os aminoácidos, elementos constituintes da matéria viva, poderão ter-se formado em grãos de poeira cósmica no espaço interestelar (ilustração da ESA) Ingredientes necessários à vida: Todos os cientistas estão de acordo que a água é essencial para a vida evoluir e sobreviver. Os blocos elementares que são necessários são o carbono, o oxigénio, o hidrogénio e o azoto. Para que se reacões químicas se processem também é necessária energia. As moléculas simples deram origem a moléculas mais complexas (aminoácidos) nos mares da Terra primitiva. A energia necessária pode ter vindo das tempestades ou de fontes quentes do interior da Terra. Os aminoácidos deram origem às proteínas e ao AND que tem a capacidade de se replicar. Transporta o código para gerar um ser vivo. Há também cientistas que acreditam que a vida veio do espaço, trazida por um cometa! 14
  • 15. Todos os seres vivos têm cé lulas (?). Cada cé lula é delimitada por uma membrana e conté m um conjunto completo de instruç õ para a sua operaç ã e es o reproduç ã Todas as cé lulas usam o mesmo sistema o. operativo: ADN — ARN—proteínas A vida é um fenó meno emergente complexo. Como tal é governado um conjunto de regras de selecç ão, que controlam o modo como os agentes (as cé lulas, os orgã etc.) interactuam uns com os outros. os, A característica esssencial das cé lulas vivas é a HOMEOSTASE — abilidade de manter um balanç o químico estacioná e mais ou rio menos constante num ambiente em mudanç a. A homeostase é o conjunto de mecanismos de controle químico e de feedback que assegura que, na cé lula, cada espé cie molecular é produzida nas proporç õ es adequadas, nem demais, nem de menos. 15
  • 16. Célula viva Dimensões: 10 - 100 µm (micron) Numa célula viva há cerca de 10 000 proteínas que se movem de modo organizado. Cada célula sabe a sua posição no organismo, pensa-se que, comunicando com as vizinhas. A origem evolutiva da célula está relacioanda com a origem da vida. Não se sabe quase nada! 16
  • 17. O que é a vida? — E. Schrö dinger, 1943 O Funcionamento de um organismo requer leis físicas exactas Os á tomos individuais tê comportamento aleató rio. É o facto de lidarmos com m grandes nú meros de á tomos (da ordem de 1023) que o comportamento da maté ria nos parece regido por leis físicas exactas. • Hereditariedade • Divisã celular. Processo de duplicaç ã o o • Selecç ã natural. Estabilidade e mutaç õ bruscas (mecâ o es nica quâ ntica — enorme estabilidade do gene — estados descontínuos e saltos quâ nticos) A vida parece ser comportamento ordenado da maté ria, nã baseado na o tendê ncia para passar da ordem à desordem (segundo princípio da Termodinâ mica), mas sim na ordem existente, que se perpetua, ou mesmo na passagem da desordem à ordem (auto-organizaç ã e self-assembly). o Parece violar o segundo princípio da Termodinâ mica. De facto a maté ria viva alimenta-se de entropia negativa! A organizaç ã manté m-se, extraindo a ordem (entropia negativa) do meio o ambiente (a partir da desordem, ou melhor dispersão) ou a partir da ordem pré -existente (mais prová vel). 17
  • 18. Self-assembly" (auto-agregaç ão) e "auto-organizaç ão". “Self-assembly” (auto-agregaç ão) molecular: associaç ã espontâ o nea de molé culas, em condiç õ de equilíbrio, de modo a formar agregados estruturalmente bem definidos, ligados por es ligaç õ químicas fracas (nã es o-covalentes). Nã esquecer os aspectos termodinâ o micos— a competiç ã entre a entalpia e entropia na energia de o Gibbs que tende sempre para um mínimo (equilíbrio) na self-assembly. Auto-organizaç ão A auto-organizaç ã é um processo complexo, e dinâ o mico, que ocorre longe do equilíbrio termodinâ mico e implica que o sistema deve ser aberto (receber energia e/ou informaç ã o). O conceito de emergência surge associado à complexidade. JáAristoteles, hámais de 2000 anos, escrevia na Metafíisca, que "o todo é algo de diferente e acima das suas partes, e nã apenas a soma de todas elas. o Foi no entanto no sé culo XIX que essa ideia surgiu entre os bió logos para explicar como alguns aspectos dos seres vivos sã está o veis e reprodutíveis, enquanto que as leis microscó picas da química donde descendem sã aleató rias e probabilísticas. o Os especialistas consideram que os fenó menos emergentes sã governados por regras de o selecç ão, que controlam o modo como os agentes interactuam uns com os outros. Essas regras sã muitas vezes expressas em modelos matemá o ticos. É curioso como um pequeno conjunto de regras simples pode gerar comportamentos de grande complexidade. 18
  • 19. Princípios de self-assembly molecular em biologia: i) Associaç ã de interacç õ fracas de modo a dar uma o es estrutura final que corresponde a um mínimo termodinâ mico. ∆G = ∆H - T∆S ≤ 0 Condiç ã de espontaneidade o ii) Só estã normalmente envolvidos poucos tipos de o molé culas — minimizando a informaç ã requerida para uma o determindada estrutura: 20 aminoá cidos, uns poucos nucleó tidos, uma dú de lípidos, 2 dú zia zias de aç ú cares + alguns intermediá rios iii) Cooperatividade Onde vão os sistemas vivos buscar a entropia negativa? 19
  • 20. A Energia do Sol é altamente organizada e transportada por fotõ es. A Biosfera absorve fotões quentes do Sol e emite fotões frios de maior comprimento de onda. O fluxo de energia e entropia é equivalente ao total da energia e entropia do circulo da vida. Trê subsistemas termodinâ s micos: o Sol, a Bioesfera e o Universo. A Bioesfera extrai entropia negativa no processo de troca de fotões quentes (T=5800 K) por fotões frios (T=280 K). Este processo é responsá pela vel misteriosa Força Vital que parece desafiar a segunda lei daTermodinâ mica. Balanç o da entropia para a Bioesfera : O fluxo de entropia recebida pela Bioesfera é dS/dT = 5,6x1036 bits s-1 (a T=5800 K) O fluxo de entropia emitida pela Bioesfera é dS/dT = 122x1036 bits s-1 O influxo de entropia negativa responsá pela formaç ã e manutenç ã da vida na Terra é vel o o dSINPUT/dT = —1,16x1038 bits s-1 http://www.digital-recordings.com/publ/publife.html 20
  • 21. É possível criar um ser vivo artificial a partir de matéria inorgânica? A experiência de Miller levou à ideia de criar vida artificial. Tem havido muitas tentativas. David W. Deamer, por exemplo, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz lançou a ideia de criar uma protocélula (célula primitiva) há cerca de 30 anos. Segundo ele, a protocélula deveria satisfazer 12 requesitos, nomeadamente, ter uma membrana que capta energia, manter gradientes de concentração de iões, confinar macromoléculas e dividir-se. As macromoléculas devem poder crescer por polimerização, evoluir, armazenar informação, ter a possibilidade de sofrer mutações, promover o crescimento de polímeros catalíticos. Vários laboratórios já conseguiram estes requisitos, mas ainda faltam dois: i) a célula deve conter genes e enzimas que podem ser replicados e ii) esses genes devem ser partilhados entre as células filhas. David W. Deamer espera que, na próxima década, seja possível atingir estes objectivos, talvez através de uma enzima que se duplica, e actue simultaneamente como material genético e catalisador. Albert Libchaber da Rockefeller University processou um plasmódio (célula com vários núcleos, formada através da divisão de um núcleo inicial) que gera proteínas e as coloca em sacos de membranas. Estas células (que funcionam) sobrevivem por 4 dias, mas ainda não conseguiu que se reproduzissem. Scientists around the world, using a multitude of approaches, are closing in on a functioning artificial cell. Does that mean they're close to creating life in the lab? Scientist, January 2006 Albert Libchaber 21
  • 22. amphiphilic molecules can self-assemble into microscopic sacs sharing some properties of cell membranes incorporated bacteriorhodopsins and an ATPase into a liposome membrane to generate ATP from light. liposomes capable of maintaining proton gradients macromolecules can easily be captured in lipid vesicles by mixing the vesicles with the molecules, then drying and rehydrating the mixture. 22
  • 23. RNA com um marcador fluorescente vermelho é absorvido numa partícula de calcáreo, encapsulada por um vesículo de ácido gordo com um marcador fluorescente verde. Esta estrutura é formada por selfassembly mediada pelo calcáreo, e ilustra um possível processo pelo qual precursores das células primitivas poderiam ser formados 23
  • 24. Em Junho de 2007 apareceu nos media (e. g., BBC News) uma notícia que deixou muito boa gente estupefacta: um grupo de cientistas submeteu um pedido de patente para um mé todo de criar um "organismo sinté tico". O pedido de patente, do Instituto J. Craig Venter, reclama propriedade exclusiva de um conjunto de genes e de um organismo sinté tico vivo, que pode crescer e replicar-se, feito a partir desses genes. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/6733797.stm 24
  • 25. O termo BIOLOGIA SINTÉTICA apareceu pela primeira vez no título de um artigo na revista NATURE em 1913, mas desapareceu até 1980, altura em que é aplicado no mesmo sentido que a tecnologia do ADN recombinante. Hoje em dia, o termo é usado para descrever a engenharia de circuitos gené ticos, genomas e memso organismos. Algumas definiç õ es: A biologia sintética é a engenharia de novos sistemas usando partes em que se pode confiar. É a aplicaç ã da aná de sistemas bioló gicos para fabricar e testar o lise má quina bioló gicas complexas. - George Church, professor of genetics at Harvard Medical School and Director of the Center for Computational Genetics A definiç ã de biologia sinté tica é ilusiva, com o é a definiç ã de vida. Como o o físicos, gostariamos de construir má quinas, robots, etc. É o que tentamos fazer com as molé culas da vida. É uma espé cie de engenharia, mas há ainda muitas questõ fundamentais es -Vincent Noireaux, assistant professor of physics, University of Minnesota "Let me ask my funding agency. ... I'll get back to you." - Frederick Blattner, professor of genetics, University of Wisconsin, 25
  • 26. Alguns aspectos mais fundamentais René Thom • Biologia — Morfogénese biológica • Química — Auto-agregação, Auto-organização • Física — Teorias Complexidade • Matemática — Caos, Catástrofes • Lógica • Filosofia Teoria das catástrofes 26
  • 27. Alguns aspectos mais fundamentais (continuação) Morfogénese biológica Teoria dos modelos René Thom 27
  • 28. Filosofia Tales: A ideia de Tales, o fundador da escola Milé sia, de que a á gua é a substâ ncia fundamental, da qual todas as outras sã formas o transientes. Note-se, no entanto, o aspecto crucial de que a ideia de substâ ncia nessa é poca nã deve ser interpretada no sentido o puramente material, como actualmente, mas que a Vida estava associada e era inerente a essa substância. Aristó teles dizia que a substância de Tales estava cheia de deuses. Ref: Werner Heisenberg, Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science, Penguin Modern Classics. Platão: Timeu 28
  • 29. Bibliografia 1. O que é a vida? E. Schrö dinger (1943) 2 “The origins of life. From the Birth of Life to the Origins of Language John Maynard Smith and Eö Szathmá Oxford University Press. 1999 rs ry, 3 “Origins of life”, Freeman Dyson, Cambridge University Press, 1999 Nota: Esta foi a ú ltima aula da disciplina de Química-Física (em Julho de 2008) da licenciatura em Engenharia Bioló gica do Instituto Superior Té cnico. Em Setembro de 2012, muita coisa poderáestar desactualizada, na medida em que muita investigaç ã tem sido feita e estáem curso em todas as disciplinas relevantes para o tema. o A título de exemplo, sugere-se a visualizaç ã do vídeo com uma conferê o ncua sobre selfreplication (uma das carcterísticas da maté ria viva) de um sistema simples. O conferencista é o físico teó rico Paul Chaikin, que desde os anos de 1970 trabalha em condutores orgâ nicos e conheci, e trouxe a Portugal em 1979, agora a investiigar soft matter na New York University http://online.kitp.ucsb.edu/online/biopoly-c11/chaikin/rm/flash.html Luis Alcacer, IST, Lisboa mailto:alcacer@lx.it.pt url: http://www.lx.it.pt/~alcacer/ 29

Notas do Editor

  1. Mostra-se a posição (em termos de dimensões) do ser humano (e da vida conhecida) em relação ao universo conhecido e ao microcosmo. O universo que se pode observar com a tecnologia actual é da ordem de 1026 (1 seguido de 26 zeros) vezes maior do que a nossa escala, e os átomos são 10-10 (1 seguido de 10 zeros  vezes mais pequenos) do que nós. E a teoria prevê que o espaço-tempo é descontínuo à escala de 10-35 (1 seguido de 35 zeros vezes mais pequeno) do que nós (são os laços da gravitação quântica). Isto mostra como devemos ser humildes perante estas dimensões quer no sentido do muito grande quer no sentido do muito pequeno. Tal como os primeiros filósofos colocaram a terra no centro do universo, também nesta figura nos colocamos no centro da escala. Talvez seja de perguntar se se pode conceber um para aquém e um para além!
  2. Segundo a teoria quântica os átomos individuais têm, em muitos aspectos, comportamento aleatório, mas quando em grandes números, aglomeram-se, ligam-se entre si formando moléculas e componentes biológicas, muito estáveis e com comportamento bem definido por leis físicas e químicas macroscópicas. Os genes são extraordinariamente estáveis, havendo casos de defeitos (ou variantes) genéticos (alelos) que se propagam durante séculos (e.g. os maxilares dos Habsburg). Isso deve-se á grande estabilidade do ADN (que contém o código genético) e essa estabilidade é explicada pela mecânica quântica. Sobre a frase: "Parece violar o segundo princípio da Termodinâmica. De facto a matéria viva alimenta-se de entropia negativa! A organização mantém-se, extraindo a ordem (entropia negativa) do meio ambiente (a partir da desordem, ou melhor dispersão) ou a partir da ordem pré-existente (mais provável.)" O segundo princípio da termodinâmica diz que um sistema isolado (de vários átomos, moléculas, etc., ) tende a aumentar a sua entropia, o que significa que tende a dispersar-se, ou seja, os átomos (ou moléculas) tendem a distribuir-se pelos estados (espaços) disponíveis. Ver comentário ao slide 19.
  3. “Self-assembly” (auto-agregação) molecular: associação espontânea de moléculas, em condições de equilíbrio, de modo a formar agregados estruturalmente bem definidos, ligados por ligações químicas fracas (não-covalentes) Auto-organização Organização espontânea de moléculas, ou grupos de moléculas Aristóteles escrevia na Metafísica, que "o todo é algo de diferente e acima das suas partes, e não apenas a soma de todas elas. Foi no entanto no século XIX que essa ideia surgiu entre os biólogos para explicar como alguns aspectos dos seres vivos são estáveis e reprodutíveis, enquanto que as leis microscópicas da química donde descendem são aleatórias e probabilísticas. Os especialistas consideram que os fenómenos emergentes são governados por regras de selecção, que controlam o modo como os agentes interactuam uns com os outros. Essas regras são muitas vezes expressas em modelos matemáticos. É curioso como um pequeno conjunto de regras simples pode gerar comportamentos de grande complexidade. Os sistemas auto-organizados apresentam muitas vezes propriedades emergentes. Significado da fórmula DG = DH - T DS: Esta fórmula é uma das leis da termodinâmica (a ciência do calor ou energia). Os significados dos vários termos são os seguintes: DG = energia de Gibbs, e é a energia livre, ou seja a energia que se pode extrair de um sistema (máquina, pilha, etc.) sob qualquer forma (calor, energia eléctrica, trabalho). Os D significam variações (ou diferenças) DH chama-se entalpia e é a energia, sob a forma de calor, usada (ou libertada se for negativa) pelo sistema (num processo qualquer). T é a temperatura na escala absoluta (em kelvin) tal que 0ºC=273,15 kelvin; e 100ºC = 373,15 kelvin, isto é, um kelvin é igual a um grau centígrado ou Celsius. O zero absoluto, i.e., a temperatura mínima possível (por definição) é zero kelvin (= -273,15 ºC). DS é a variação de entropia do sistema. Esse é o conceito mais difícil de entender. Vou tentar dar uma definição simples: se uma partícula, (e.g. átomo ou molécula) (inicialmente num dado volume V) passa a ocupar metade do volume, V/2, a entropia do sistema diminui de um certo valor (DS negativo), dado por uma fórmula concreta simples. A entropia diminui quando o sistema fica menos disperso. A entropia está associada à dispersão do sistema pelos estados possíveis. A fórmula DG = DH - T DS é conhecida pela condição de espontaneidade: para que um dado processo aconteça espontaneamente (i.e., deixando o sistema fechado abandonado a si próprio) é preciso que o G diminua (DG negativo). Um sistema pode evoluir espontaneamente para um sistema menos disperso (ou mais "organizado" como num processo vital) desde que aquele balanço seja negativo. Não sei se me fiz entender— não é fácil! Na teoria de informação também se usa o conceito de entropia. Vou dar um exemplo simples. Se atirar uma moeda ao ar, quando cai, o resultado pode ser caras ou coroas (ou se quiseres 0 ou 1). Há portanto duas possibilidades por onde o sistema se pode dispersar. A quantidade de informação é representada pelo número de resultados possíveis, que neste caso são 2. A informação sobre o resultado (de 2 hipóteses) é 1 bit. A entropia pode também ser medida em bits. Neste caso a entropia do sistema (moeda) diminuiu 1 bit. De entre as duas possibilidades (0 ou 1) o sistema ficou menos disperso pois acabou por ficar num dos estados. No fim do slide pergunta-se "Onde vão os sistemas vivos buscar a entropia negativa?" A pergunta é pertinente, porque para que o processo vital seja efectivo a entropia tem de diminuir e portanto tem de ir buscar entropia negativa (poder organizativo) ao ambiente. No slide seguinte diz-se que a vai buscar à luz do sol.
  4. Slide 20: A biosfera usa a luz do sol para suportar a vida. O sol emite radiação (luz) que é em parte absorvida pela terra e em parte reflectida. A entropia que entra na biosfera é menor do que a que sai sob a forma de luz e calor dispersos, pelo que o balanço é negativo, que é o que interessa: o que a biosfera usa para suportar a vida é entropia negativa.
  5. Thus I have ocme to the point I wanted to make in this lecture. Human beings understand and control the world they live in not because they have mastered the ultimate causes of things but because nature kindly organizes itself according to principles, and in this way allows us to understand. Indeed, every physical quantity known to great accuracy owes this accuracy to a collective principle we have identified and named. Our search for the ultimate causes is actually a myth, as are the allegations that this search has been successfully concluded, so that science is at an end.
  6. Neurónios [ver slides ]
  7. Neste slide chama-se à atenção para aspectos de natureza fundamental (biológicos, químicos, matemáticos, filosóficos, etc.). René Thom, (e outros) desenvolveu teorias matemáticas sobre evolução de sistemas em que acontecem descontinuidades (teoria das catástrofes e que incluem teorias de modelos) sobre a morfogénese biológica. A figura abaixo da foto é um esquema de um exemplo de um certo tipo de catástrofe: Em a) de 1 a 7 mostram-se curvas chamadas de energia potencial, em que há um vale (ou mais) de mais baixa energia, que corresponde ao sistema em equilíbrio (para o qual ele tende se deixado a si próprio). Em 1, o sistema — a bola encarnada — está no fundo do vale, portanto estável. De 2 a 6 a topologia da superfície de energia potencial evolui, passando por uma configuração com dois vales e terminando em 7 com um só novo vale diferente do 1. O sistema (a bola) tende a manter-se no vale de mais baixa energia, portanto, em 5 resvala de um vale para o outro. Aí o sistema passa por uma transformação brusca descontínua — uma transição ou catástrofe. Em b) a evolução de um dado processo é representada por uma superfície (topológica) de equilíbrio quando há variação dos parâmetros que influenciam o sistema. A superfície de equilíbrio tem a topologia de uma folha de papel, em que há uma dobra mas só numa parte da folha. Onde não há dobra, a evolução do sistema ocorre normalmente sem descontinuidades (curva a verde). Quando as condições (parâmetros) a que o sistema está sujeito implicam que a evolução do sistema se dê na parte da folha onde há a dobra (curva a encarnado) o sistema passa por uma região de instabilidade (catástrofe) e sofre uma transição brusca descontínua. Em c) dá-se um exemplo do aparecimento de um surto (por ex., de gripe) numa população de N pessoas (representado no gráfico na coordenada vertical): a quantidade de vírus (ou a virulência) (coordenada A) vai evoluindo e começam a aparecer pessoas com o vírus. Às tantas há uma descontinuidade e aparecem, de repente, montes de pessoas com o vírus (o surto começa). A doença pode eventualmente retroceder e o número de pessoas infectadas baixa até que tudo regressa à normalidade (o surto acaba). Estes modelos matemáticos são úteis para descrever muitos fenómenos em que há as tais descontinuidades. A teoria das catástrofes (de René Thom e outros) esteve na moda nos anos de 1970, mas actualmente usam-se mais outros tipos de modelos matemáticos mais sofisticados e com a utilização de grandes meios computacionais: modelos de Monte Carlo (processos estocásticos), teoria do caos, teoria da complexidade, etc.
  8. Este slide mostra um exemplo típico da teoria de modelos em que há replicação (como acontece num sistema biológico), mas para simplificar usa uma bola de futebol. A bola é sujeita a processos de deformação e deslocação: o processo começa com uma deformação contínua, e às tantas há uma rotura (descontinuidade, catástrofe) e a bola dá origem a duas bolas. O exemplo não é feliz porque uma bola de futebol real não dá origem a duas bolas de futebol, quando esticada — melhor exemplo seria uma bola de plasticina. Um exemplo de processo biológico seria a divisão celular.