sexta-feira, 27 de maio de 2011
O big bang da evolução
A fotossíntese pode até parecer um processo simples, mas não é. Em sua coluna de maio, Carlos Alberto dos Santos fala das lacunas no conhecimento sobre esse fenômeno e de como entendê-lo poderia ajudar a aumentar a eficiência do uso da energia solar.
Estrutura da enzima fotossistema II, responsável pela quebra da molécula de água, que resulta na produção de elétrons e prótons. O surgimento dessa enzima na Terra é considerado o “big bang da evolução”. (imagem: Curtis Neveu/ CC BY-AS 3.0)
O título, extraído de textos do bioquímico britânico James Barber, refere-se ao surgimento na Terra, há aproximadamente dois bilhões de anos, de um dos componentes do processo de fotossíntese.
Se você não é especialista do ramo, provavelmente vai dizer que a clorofila é a responsável pela cor verde da vegetação. Isso é apenas uma parte da história desse fenômeno, que é responsável por todas as formas de vida em nosso planeta.
Expresso em termos gerais, a fotossíntese aparenta ser muito simples. Ao incidir sobre a folha de uma planta, a luz solar produz uma reação fotoquímica, tendo água e gás carbônico como reagentes e oxigênio e glicose como produtos da reação. É o início da produção de biomassa.
Mas bastam umas poucas perguntas sobre detalhes do processo e logo se descobre sua complexidade. Não é por nada que mais de três séculos depois de sua descoberta, a fotossíntese continua desafiando nossa inteligência para entender muitos de seus aspectos.
No início do mês, a prestigiosa revista Science publicou artigo assinado por 18 pesquisadores de famosas universidades de vários países com o único objetivo de comparar cálculos de eficiência na fotossíntese e nos sistemas fotovoltaicos, uma tarefa tão difícil quanto necessária para o desenvolvimento tecnológico da energia solar.
- Usina solar PS10, na Espanha. Pesquisadores tentam comparar a eficiência na fotossíntese e nos sistemas fotovoltaicos, uma tarefa difícil, porém necessária, para o desenvolvimento tecnológico da energia solar. (foto: Wikimedia Commons/ afloresm – CC BY 2.0)
Uma parte da dificuldade em calcular a eficiência energética da fotossíntese reside na falta de conhecimento detalhado do processo. Um alerta contundente para algumas lacunas nesse conhecimento foi dado recentemente por Marco Sacilotti e colaboradores do Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE).
Não resta mais dúvida de que o mecanismo da fotossíntese é controlado pela mecânica quântica. No entanto, a literatura atual não apresenta elementos quantitativos ou mesmo qualitativos para justificar essa hipótese, afirmam os pesquisadores da UFPE ao propor modelos para sanar essa dificuldade.
Uma das principais deficiências dos modelos atuais é a falta de uma boa compreensão das forças que determinam o movimento de cargas elétricas positivas e negativas no interior dos sistemas fotossintetizantes.
Eficiência natural
Se por um lado o tratamento quântico da fotossíntese tem muito a evoluir – o que representa um vasto campo de trabalho para biólogos, físicos e químicos –, por outro, o cenário geral do processo já está bem estabelecido.
Não há mais questionamento na literatura sobre a natureza inicial do processo, que ocorre quando a luz solar atinge a clorofila e outros pigmentos fotossensíveis presentes nas folhas de plantas e algas.
A energia absorvida nessa interação é transferida para uma enzima estruturalmente complexa, conhecida como fotossistema II (PSII, na sigla em inglês). O surgimento dessa enzima na Terra é considerado o “big bang da evolução”.
Pesquisadores acreditam que procedimentos de engenharia genética possam contribuir para aumentar a eficiência energética de sistemas naturais
Ela é responsável pela quebra da molécula da água, que resulta na produção de elétrons e prótons por meio de um processo termodinâmico com eficiência de aproximadamente 70% na conversão da energia associada à luz solar incidente em energia armazenada nas ligações químicas dos produtos formados.
Para se ter ideia do quão alta é essa eficiência, basta compará-la com os 18% da mais eficiente célula solar disponível hoje comercialmente. Todavia, até chegar ao estágio energético utilizável, os sistemas naturais dissipam energia sob diferentes formas e, ao final, a eficiência teórica não ultrapassa 4,5%, e os melhores resultados experimentais não ultrapassam 3%.
Biólogos, físicos e químicos que trabalham na área acreditam que procedimentos de engenharia genética possam contribuir para aumentar essa eficiência. Uma possibilidade seria alargar artificialmente a faixa do espectro solar absorvido por pigmentos fotossensíveis.
É que os sistemas naturais captam apenas luz na faixa visível para realizar a fotossíntese. Então, se for possível manipular esses materiais para incluir pigmentos absorvedores de outras faixas, a eficiência poderá ser maior, na medida em que mais energia será captada para a mesma intensidade de radiação solar.
Física quântica & biologia sintética
O processo inverso da fotossíntese é a fotorrespiração, produzida pela ação de oxigênio sobre glicose, que libera energia sob a forma de água e gás carbônico. A fotorrespiração chega a consumir até 25% da energia inicialmente armazenada na fotossíntese.
Para enfrentar essa limitação, a natureza desenvolveu em algumas plantas a fotossíntese C4, na qual o gás carbônico é fixado em um ácido com quatro átomos de carbono. O resultado disso é que ao apresentar maior eficiência na fixação do gás carbônico e pequena perda de água, as plantas C4 praticamente dispensam a fotorrespiração. Já existem pesquisas em andamento na tentativa de incorporar materiais fotossintetizantes do tipo C4 em plantas nas quais inexistem esses componentes.
- 'Fimbristylis dichotoma'. Nas plantas do gênero 'Fimbristylis', ocorre a fotossíntese C4. Nesse processo, o gás carbônico é fixado em um ácido com quatro átomos de carbono, o que resulta em maior eficiência energética. (Keisotyo/ CC BY-SA 3.0)
Outras opções consideradas pela engenharia genética encontram-se em estudo, e as mais instigantes têm a ver com o uso tecnológico dos conceitos da teoria quântica para o estabelecimento da biologia sintética.
O amadurecimento das ferramentas teóricas e experimentais da biologia e da física chegou ao ponto de aplicação das ideias lançadas no início dos anos 1940 pelo físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), que ao referir-se aos organismos multicelulares disse que sua “singular engrenagem não é de grosseira manufatura humana, mas a mais requintada obra-prima já conseguida pelas leis da mecânica quântica”.
quarta-feira, 25 de maio de 2011
Placas Tectônicas
O conceito das Placas Tectônicas é relativamente recente, e revolucionou a Ciência do século 20. Este conceito propõe que todos os terremotos, atividade vulcânica, e processos de construção de montanha são causados pelo movimento de blocos rígidos chamado placas que compõem a capa da superfície da Terra, ou litosfera (lithosphere).
Em 1912, Alfred Wegner colocou sua teoria que a crosta terrestre era segmenta em doze grandes zonas que denominou de placas tectônicas, que estão em contínua modificação, e que os continentes se haviam formado a partir de um único continente chamado Pangea.
Os movimentos de deriva foi o que deu lugar a formação dos atuais continentes que se formaram a partir do Pangea.
Pela Teoria das Placas Tectônicas, a superfície da Terra está composta de uma dúzia de grandes placas e outras várias de menor tamanho.
O encontro de duas placas tectônicas
Várias razões levaram a formação do conceito das placas tectônicas e da deriva dos continentes:
• No alargamento dos mares, quando o magma esfria e se solidifica no solo submarino, os minerais magnéticos do material novo se solidificam de acordo com a polaridade do campo magnético da Terra na ocasião de seu resfriamento.
• Quando o campo magnético da Terra reverte sua polaridade, o novo magma se solidifica adquirindo a polaridade inversa.
• Assim a crosta oceânica possui o registro da própria formação, com a primeira mudança de polaridade registrada próximo ao limite entre as placas, onde a lava atinge a superfície e as mais antigas, próximas dos margens continentais, formadas quando o oceano era jovem em torno de 180 a 200 milhões de anos.
• Isso demonstra que os continentes devem ter se movido em direções opostas abrindo espaço para o oceano desde a Era Jurássica.
• Outra confirmação do conceito veio do estudo da distribuição de estruturas geológicas que passam de um continente para outro.
• Geologistas da Universidade de Cambridge usaram o computador para colocar todos os continentes e ilhas da Terra juntos como num quebra-cabeças, considerando contornos submarinos. O resultado foi impressionante, apresentando muito poucos buracos e sobreposições.
• Comparando a estrutura e composição das rochas e solo dos continentes que o modelo indica terem sido um só, confirmando que o modelo é bem próximo ao correto.
• Finalmente o estudo da fauna marinha e flora das diferentes áreas durante os anos também apresenta provas do movimento dos continentes.
Os modelos de Interação entre as Placas Tectônicas são quatro:
Subducção - ocorre onde duas placas de espessura semelhante entram em contato entre si.
Deslizamento - se produz quando duas placas oceânicas entram em contato, ou também uma placa continental e uma oceânica.
Extrusão - este fenômeno ocorre quando se juntam duas delgadas placas tectônicas que deslizam em direções opostas, como é o caso do contacto de duas placas do fundo oceânico.
Acrecencia - acontecem quando há um leve impacto entre uma placa oceânica e uma continental.
McAlester associa os movimentos das placas com a energia calorífica concentrada abaixo da litosfera.
Rikitake indica que o esquema general de desarranjo das placas, está relacionado com os movimentos de convecção das camadas inferiores, as quais estão em estado viscoso devido ao calor.
Nas zonas de extrusão aparece uma ''nova crosta'', enquanto nas zonas de subducção as placas que penetram por baixo se fundem, por efeito do calor liberado na interação entre as placas baixas sob condições de elevada pressão, dando lugar ao magma. O que explicaria a freqüência de vulcões ativos situados nestas zonas de subducção.
Os limites entre as placas são de três tipos:
• Onde elas se afastam, no meio do oceano, nova crosta se forma com o material expelido do interior da Terra;
• Onde uma placa avança para baixo de outra, parte da placa é consumida pela alta temperatura das camadas inferiores;
• Onde as placas se movem em direções opostas, causando falhas.
Acredita-se que os atuais oceanos da Terra foram formados pela geração de nova crosta entre placas que se afastaram; e que a convergência de placas deu origem a cadeias de montanhas.
Os oceanos da Terra encontram-se em diferentes estágios de formação:
• O Oceano Pacífico é antigo e já está diminuindo em ambos os lados, o que poderá resultar na colisão da Ásia com as Américas.
• O Oceano Índico está crescendo no oeste e diminuindo no leste.
• O Atlântico encontra-se ainda em expansão em ambos os lados.
• O Mar Vermelho é o embrião de um futuro oceano.
Os Alpes originaram-se da colisão da placa da África com a da Europa. Há restos de crosta oceânica ali, indicando que havia um oceano onde agora há uma cadeia de montanhas. O mesmo acontece na região dos Himalaias, causado pela colisão das placas da Índia e da Ásia.
Os terremotos ocorrem com bastante freqüência nos limites das placas tectônicas. Áreas como o lado oeste da América do Sul estão sobre área de compressão de placas. O lado oeste da África, por exemplo, está sobre o centro de uma placa e os movimentos tectônicos não se manifestam.
