Schrödinger: Aspectos Quânticos da ‘Estabilidade Molecular’

“Um organismo vivo tem o dom surpreendente de concentrar uma corrente de ordem sobre si, de modo a escapar da deterioração do caos quântico ao redor… A vida suga ordem… — a partir de um mar de desordem”…  (Erwin Schrödinger – ‘What is life?’)

A “matéria viva” – embora não escape às leis atuais da física…parece envolver, em uma ordem pré-estabelecida, outras leis, até aqui desconhecidas…as quais – uma vez reveladas formarão parte integrante da biologia — tal como outras o fizeram.

Apesar desta linha sutil de pensamento se sujeitar a mal-entendidos – é comum que leis da “física clássica”…sejam alteradas à baixas temperaturas, pela teoria quântica.

Nesse sentido… – a “vida” parece ser um exemplo particularmente evidente desse fenômeno… – representando… o comportamento bem ordenado e regrado da matéria, não exclusivamente baseado na ‘tendência entrópica‘ de passar da ordem para a desordem…mas sim – ordenado por uma ordem ‘pré-existente’.

No entanto, para conciliar a elevada durabilidade da substância hereditária em seu diminuto tamanho, tivemos de escapar da tendência à desordem…inventando uma molécula (DNA), de fato excepcionalmente complexa… uma obra-prima de ordem altamente diferenciada… – garantida pela “vara de condão“…da “teoria quântica“.

As leis do acaso (probabilísticas) não são invalidadas por essa ‘invenção’…mas seu resultado é modificado. O princípio geral aí envolvido é a 2ª lei da termodinâmica (princípio da ‘entropia’)… e sua fundamentação estatística… (Gibbs & Boltzmann)

Para esclarecer esse ponto de vista, vale dizer que o organismo vivo parece ser um sistema macroscópico, cujo comportamento…em parte… se aproxima daquela conduta puramente mecânica…para a qual todos os sistemas tendem… – de acordo com sua temperatura, a se aproximar do ‘zero absoluto‘, quando a ‘desordem molecular‘ é completamente removida.

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Significado de DNA e RNA

DNA e RNA são siglas que referem-se aos ácidos desoxirribonucleico…e ribonucleico, respectivamente…Eles são fundamentais à existência da vida — tal como conhecemos, por transmitirem… de geração em geração, as características hereditárias que definem a individualidade de cada ser, e da espécie.

O DNA e o RNA são encontrados em todas células, de todos seres vivos, e além da função de armazenar, transmitir e utilizar informações genéticas…são também responsáveis por produzir ‘proteínas‘ – a matéria-prima fundamental na constituição dos “seres vivos“.   No DNA encontramos o chamado código genético. Instruções contidas nas moléculas do DNA estabelecem como será o desenvolvimento do “ser vivo”… como funcionará cada parte do seu corpo; definindo através dos genes que contêm a informação genética…qual tipo de espécie.

Em seu composto orgânico o DNA apresenta 2 estruturas helicoidais em forma espiral, se conectando entre si…por suas bases nitrogenadas, na formação do “código genético”… As substâncias que compõe o DNA, e dão origem a sua sigla, são… as ‘bases nitrogenadas‘ (letra “N”); o ácido fosfórico…(letra “A”); e desoxirribose (letra “D”)…um açúcar. Os dois últimos componentes formam a “estrutura helicoidal“… – As ‘bases hidrogenadas‘, que combinadas formam o código genético…ou genes…são formadas por adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T).

Já o RNA é criado no núcleo das células a partir do DNA, num processo conhecido como transcrição. Depois de formado o RNA migra para o citoplasma onde fabrica e sintetiza proteínas. No citoplasma o RNA forma moléculas bem menores do que aquelas formadas no núcleo da célula pelo DNA. São identificados 3 tipos de RNA. O RNA ribossômico, e o RNA transportador…que trabalham na produção de proteínas, e o RNA mensageiro que sintetiza as proteínas. Enquanto o DNA tem 2 estruturas helicoidais em sua constituição,   o RNA só tem uma, constituída por…’bases nitrogenadas’ (“N”); ‘ácido fosfórico’ (“A”); e ribose (letra “R”)…um açúcar. E, suas ‘bases hidrogenadas’ não contam com a timina (T), em seu lugar aparece a uracila (U). ############# (DNA/RNA)##############

Princípio entrópico para organismos vivos

Qual a característica particular da vida? … Quando se pode dizer que uma porção de matéria está viva?… — A resposta é… — quando ela se esquiva do decaimento para o equilíbrio térmico, ao relacionar-se com o ambiente, num período muito mais longo         do que o esperado para uma ‘matéria inanimada‘… – nas mesmas circunstâncias.

Esse equilíbrio térmico se caracteriza como uma entropia máxima, quando um sistema inanimado é isolado, ou colocado num ambiente uniforme… e todo o seu movimento cessa rapidamente como resultado de vários tipos de fricção. — Diferenças de potencial químico ou elétrico são equalizadas… substâncias tendentes a formar compostos químicos o fazem; e a temperatura da substância, por condução térmica, se torna uniforme… – A partir daí… todo o sistema míngua para um bloco de matéria inerte, atingindo um estado permanente, no qual, nenhum evento observável ocorre… — o “equilíbrio termodinâmico” vira então… “estado de entropia máxima“.

Na prática… um estado desse tipo é atingido muito rapidamente – porém, na teoria, não se trata de equilíbrio absoluto – nem verdadeiramente de entropia máxima. A partir daí, a aproximação até o estado de equilíbrio total é muito lenta – podendo levar horas, anos, ou séculos…No entanto, não podendo jamais ser confundidas com manifestações de vida.

É por evitar o rápido decaimento no estado inerte de equilíbrio… — que um organismo parece tão enigmático… Mas, como pode o ‘organismo vivo’ evitar este decaimento?… A resposta óbvia é… — comendo, bebendo, respirando…e, para plantas… assimilando. O termo técnico é metabolismo, palavra cuja origem grega significa: troca, câmbio. A ideia era ‘troca de material’…nesse caso, porém – é absurdo que a simples troca de material deva ser sua essência… qualquer átomo de oxigênio, nitrogênio…enxofre é tão bom quanto qualquer outro. Então, o que se ganha nessa troca?…’Energia‘??…

A princípio, pode parecer absurdo…Para um organismo adulto, o conteúdo de energia é tão estacionário quanto o conteúdo de matéria. Já que, por certo, uma caloria é tão ‘boa’ quanto qualquer outra, não se consegue ver o interesse em uma troca pura e simples. O que é então esse algo tão precioso contido em nosso alimento que – pelo menos por um bom tempo, nos livra da morte?

Tudo o que acontece na natureza significa um aumento de entropia da parte do mundo que nos cerca. Assim, um organismo vivo aumenta, constantemente, sua entropia – ou, como se pode dizer, produz entropia positiva, tendendo a se aproximar…cada vez mais,   do perigoso estado de entropia máxima, que é a morte… — A única possibilidade desse organismo se manter vivo é extraindo entropia negativa do meio ambiente, o que aliás,       é algo muito positivo…

Na verdade, um organismo se alimenta de “entropia negativa”… ou seja,                               o essencial no metabolismo é que o organismo tenha sucesso em se livrar                               de toda entropia que ele não pode deixar de produzir … — por estar vivo.

Mas, então, o que é entropia?    

Primeiramente, não se trata de um conceito teórico, mas de uma quantidade física mensurável. — No ponto ‘zero absoluto’ de temperatura (-273º C)…a entropia de qualquer substância (classicamente) é zeroPara qualquer outro estudo em que a substância seja levada…através de pequenos passos, lentos e reversíveis … mesmo mudando sua natureza física ou química, ou se dividindo em partes distintas…sua   entropia aumenta, na proporção calculada, ao se dividir cada pequena quantidade             de calor fornecida durante o processo… – pela ‘temperatura absoluta’ no ponto de contacto; e somando essas pequenas contribuições.

Como exemplo… — quando se funde um sólido — sua entropia aumenta na proporção do calor de fusão, dividido pela temperatura no ponto de fusão. Assim… temos que a unidade pela qual se mede a entropia é Calorias / ºC.

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Das pesquisas de Boltzmann e Gibbs, a “relação estatística” entre ordem e desordem…é dada pela equação de Boltzmann (entropia = k. log W) onde k é a “constante de Boltzmann” (em Cal/ºC) e W o nº de possíveis estados do sistemaSe W é uma medida de desordem, sua recíproca, 1/W pode ser considerada uma medida direta de ordem…E assim, como o logaritmo de 1/W é o negativo do logaritmo de W…podemos então escrever a ‘equação de Boltzmann‘ da seguinte forma:  – (entropia) = k.log (1/W), isto é,  S = k.logW.

Extraindo ordem do ambiente                                                                                             “A vida parece ser um comportamento bem ordenado, e regulado da matéria,                     baseada, em parte, pela manutenção de uma ordem existente”. (Schrödinger)  

A expressão entropia negativa pode significar uma medida de ordem… – a maneira pela qual um ‘organismo’ se mantém “estacionário”…em um nível razoavelmente alto de ordem (baixa entropia)…consiste – com efeito… em absorver ordem de seu meio ambiente. – Por outro lado, um “sistema isolado” – ou em ambiente uniforme…aumenta sua entropia com o tempo, em uma tendência natural ao ‘estado inerte’ de entropia máxima (de acordo com a 2ª lei termodinâmica)Como então, poderíamos expressar…em termos ‘estatísticos‘, a faculdade do organismo vivo em atrasar seu decaimento…no “equilíbrio termodinâmico”? 

Considerando que ele se alimenta da entropia negativa extraída do seu ambiente… é como se ele atraísse um fluxo de entropia negativa para si mesmo, afim de compensar o aumento de entropia que produz por viver – mantendo-se assim, num nível de entropia baixo e estacionário… – No caso alimentar… essa ordem vem dos ‘compostos orgânicos’, mais ou menos complexos. – Estes, após utilizados…serão excluídos de uma forma bem mais degradada… todavia, não o bastante para que ainda não possa servir de adubo aos vegetais, os quais têm na “fotossíntese(pela luz solar) seu fornecimento primordial de entropia negativa.

Contudo, um pedaço de carvão, ou uma pedra lapidada de diamante também possuem um estado altamente ordenado de ‘compostos orgânicos’, mais ou menos complexos. Portanto, o conteúdo energético da nossa dieta alimentar, também é importantíssimo nessa questão.

Ciclos biológicos de vida                                                                                                Energia é necessária para repor, não apenas a ‘energia mecânica’ de nossos               esforços corporais, mas também o calor que liberamos no ambiente, quando                   nos livrarmos do excesso de…”entropia”… – que produzimos continuamente.

O desdobramento de eventos – no ciclo de vida de um organismo – exibe uma admirável regularidade e ordem…Descobrimos que esse ciclo é controlado por um grupo de átomos extremamente bem ordenado — que representa, apenas uma ínfima fração da soma total de átomos de uma célula… Além disso, do ponto de vista do ‘mecanismo de mutação‘, concluímos que basta o deslocamento de uns poucos átomos dentro do grupo de átomos “dirigentes” da célula germinativa… para fazer aparecer uma alteração bem definida nas características de larga escala de um organismo.

A impressionante capacidade que tem um organismo de concentrar “fluxo de ordem para si mesmo … e assim escapar do decaimento no  ‘caos quântico‘… parece conectada à presença desólidos aperiódicos‘.

As moléculas de cromossomos representam o mais alto grau de organização atômica que conhecemos — muitíssimo mais coerente do que o ‘cristal periódico’, haja visto o incrível ‘desempenho individual’ de todo átomo…e todo radical…lá instalado… — A ordem, ali existente…apresenta a capacidade de ‘manter-se a si própria’…ao produzir eventos ordenados em termos semelhantes à uma “organização social“, e a outros eventos, que envolvam… — “atividades biológicas“.

O “surpreendente contraste”                                                                                                Pode parecer que isso implica algum tipo de círculo vicioso… – Seja como for, o que deve ser sempre enfatizado é que…fisicamente, o ‘estado de coisas’…não é apenas implausível, como…”extremamente excitante”… – pois, “indubitavelmente”… – “não tem precedentes”.

Contrariamente à crença comum, o curso regular dos eventos regidos pelas leis da física, nunca é consequência de uma configuração bem ordenada de átomos, nem quando essa configuração de átomos se repete inúmeras vezes… seja como no cristal periódico…num líquido, ou em um gás composto por grande número de moléculas idênticas… – Mesmo quando um químico manuseia “in vitro” uma molécula complexa… sempre lida com um enorme nº delas… – Suas leis a elas se aplicam…Mas, se uma certa molécula – supondo que se possa seguir seu curso individual – estará entre as que reagiram, ou não…a certa experimentação, isso ele não pode prever…Devido à sua aleatoriedade, sobre isso só se pode conjecturar.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Movimento_browniano

Não é o caso de que não se possa mais observar o destino de um pequeno grupo de átomos… ou mesmo, de um átomo individual… Podemos, às vezes, mas sempre que o fizermos vamos achar uma completa irregularidade…que espera para produzir regularidade apenas na média. — Por exemplo… – o ‘movimento browniano de uma pequena partículasuspensa em um líquido, é completamente irregular. – Mas…se existirem muitas partículas semelhantes… graças ao seu movimento ‘totalmente irregular’… – elas irão resultar no fenômeno regular da… “difusão“.

Em biologia, temos uma situação inteiramente diferente da física…Um grupo de átomos produz eventos exemplarmente ordenados entre si e o ambiente, de acordo com as mais variadas (e ‘ocultas’) leis biológicas. – No entanto, é preciso apenas uma sóbria reflexão científica para reconhecer que estamos, nesse caso … frente a frente com situações, cuja evolução regular e ordenada se deve a um mecanismo – inteiramente diferente daquele mecanismo probabilístico da física.

É um fato observacional simples que a ‘finalidade (ou princípio-guia) em toda célula é corporificada em uma única associação atômica, que existe em apenas uma (ou, talvez 2) cópias…e – é fato observacional também, que o princípio resulta na produção de eventos que são um paradigma de ordem. Quer achemos espantoso ou razoável que um pequeno, mas altamente organizado grupo de átomos…seja capaz de agir dessa forma – a situação não tem precedentes, sendo desconhecida em qualquer outro lugar além da matéria viva.

O físico e o químico investigando a matéria inanimada, nunca testemunharam fenômenos que precisassem ser interpretados dessa forma. Nossa bela estatística — da qual tanto nos orgulhávamos, por nos permitir olhar por trás da cortina, apreciando o magnífico emergir da ordem da lei física exata – a partir da desordem atômica e molecular – por nos revelar que a mais importante, a mais geral, a totalmente abrangente lei do aumento da entropia, podia ser entendida sem qualquer suposição ‘ad hoc’nada mais é, do que a própria desordem molecular.

A ordem encontrada na evolução da vida vem de uma fonte diversa. Parece que existem 2 mecanismos distintos…pelos quais eventos ordenados podem ser produzidos: o mecanismo estatístico, que produz ordem a partir da desordem; e outro…que produz ‘ordem a partir da ordem‘. Aparentemente, esse segundo método se assemelha — como muito mais simples e plausível.

O ‘círculo virtuoso’ O princípio (causal) da ordem a partir da desordem, seguido pela natureza,  permite entender a irreversibilidade de suas leis…porém, não explica o comportamento da matéria viva – cujas características mais evidentes…são baseadas     no princípio da ordem a partir da ordem…também denominado…”finalidade.

Com efeito, não seria de se esperar que 2 métodos tão diferentes entre si resultassem no mesmo tipo de lei. Portanto, não devemos nos sentir desencorajados pela dificuldade de interpretar a vida a partir de leis comuns da física – pois dificuldade é justamente o que     se deve esperar do conhecimento adquirido da estrutura da matéria viva. — Precisamos então, estar preparados para nela encontrar um novo tipo de lei – física…ou não. Penso, porém, que este novo princípio é genuinamente físico…e, para explicá-lo… – temos que incluir um refinamento (ou correção) na asserção feita…de que, todas as leis físicas são construídas estatisticamente. – Esta suposiçãoevidentemente, não poderia deixar de gerar contradições… – pois existem fenômenos cujas características mais evidentes são visivelmente fundamentadas pelo “princípio da ordem a partir da ordem” … não parecendo, portanto…estarem relacionados a probabilidades…ou desordem molecular.

Por exemplo, a ordem do sistema solar, no movimento planetário, é mantida por um tempo indeterminado (sobre o assunto, a título de curiosidade ver ‘Lei de Titius-Bode’.)

http://www.vocesabia.net/ciencia/astronomia/sistema_solar/
http://www.vocesabia.net/ciencia/astronomia/sistema_solar/

Nem o movimento regular do pêndulo…ou, de qualquer outro mecanismo semelhante, parece ter algo de ‘estatístico’… – Todos os eventos “puramente mecânicos”…parecem emergir…distinta e diretamente – de um princípio de…”ordem a partir de ordem“.

Assim, pode ser entendido que esse novo princípio — ao qual nos referimos (solenemente) como sendo a verdadeira chave para a compreensão da vida, não é de todo, novidade para as teorias físicas. Aí – parece então, que chegamos à ridícula conclusão de que a pista para a compreensão da vida está fundada em um método puramente mecânico. Contudo, essa conclusão, aparentemente insólita, não está de todo equivocada, embora deva ser tomada com muita cautela.

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Os “Mecanismos de relojoaria

Tomando como exemplo o movimento de um relógio, podemos constatar que este não se trata – absolutamente… de fenômeno ‘puramente mecânico.

Um relógio, puramente mecânico, não precisaria de molas nem cordas, já que, uma vez posto em movimento — assim continuaria, para sempre… Porém, um relógio real, sem molas, está destinado a parar, depois de umas tantas oscilações do pêndulo… – com a totalidade de sua “energia mecânica” convertida em calor…Se, por ventura, conseguíssemos aproveitar essa energia térmica, poderíamos teoricamente reconvertê-la em movimento, fazendo o relógio se mover novamente. Portanto, depende inteiramente de nossa atitude o fato do movimento de um relógio ser atribuído a eventos sujeitos a leis do tipo estatístico…ou dinâmico. – Ao afirmarmos que é um fenômeno dinâmicosupomos umcurso regular’…assegurado, no caso, por uma mola – superando pequenos distúrbios… devido ao movimento térmico, de forma a podermos ignorá-lo. – Mas, se nos lembrarmos de que sem a mola, o relógio será gradualmente retardo pelo atrito… descobriremos que tal processo só pode ser entendido, se o considerarmos como um ‘fenômeno estatístico‘.

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A mola espiral no pêndulo é o coração do antigo mecanismo do relógio, fornecendo seu movimento.

Mecanismos feitos de “matéria física real”… (em contraste com a “imaginação“) não são verdadeiros ‘mecanismos de relojoaria‘… O elemento probabilístico do acaso pode estar mais… ou menos reduzido – todavia, estará sempre presente como influências térmicas friccionais irreversíveis, até no movimento de corpos celestes… Por exemplo, a rotação da Terra diminui lentamente em virtude da ‘fricção das marés‘…e, justamente por essa redução – a Lua afasta-se gradualmente da Terra… Mas, não obstante tais “influências aleatórias” — permanece verdadeiro o fato de que “mecanismos físicos“… apresentam características manifestas de…”ordem a partir de ordem“…sendo esse, justamente, o tipo de processo que atrai a excitação dos físicos, quando ele as encontra em organismos.

“Teorema de Nernst”                                                                                                                   Parece provável que os 2 casos tenham, no fim das contas… algo em comum. Só falta descobrir que coisa é essa…cuja diferença, torna o organismo algo assim tão notável.

Quando, então… um tipo qualquer de associação de átomos, caracterizando um ‘sistema físico’, exibe características mecânicas ou ‘leis dinâmicas‘? A ‘teoria quântica’ possui uma breve resposta à essa questão… – à temperatura de zero absoluto!… À medida que a temperatura se aproxima do 0ºK, uma desordem molecular deixa de ter qualquer relação com os eventos físicos. Esse resultado, aliás, não foi descoberto pela teoria, mas por meio de uma cuidadosa investigação de ‘reações químicas’, em uma ampla gama de temperaturas… – cujos resultados foram extrapolados até o limite da temperatura 0ºK.

Se trata do famosoTeorema do Calor” de Walther Nernst… o qual, às vezes, e com propriedade, se dá o nome de  3ª Lei da Termodinâmica  (1ª lei…”princípio da energia” — 2ª lei…”princípio da entropia”).

A teoria quântica fornece uma fundamentação racional para a lei empírica de Nernst, e também nos permite estimar o quanto um sistema deve se aproximar do ‘zero absoluto’,     a fim de apresentar comportamento ‘aproximadamente dinâmico’. Qual a temperatura que, em qualquer caso particular… é praticamente equivalente a zero?…  —  Ora, não é preciso acreditar que ela deve ser sempre uma temperatura muito baixa!… Na verdade,       a descoberta de Nernst foi induzida pelo fato de que… mesmo à temperatura ambiente,       a entropia tem um papel bem insignificante em muitas reações químicas. Por exemplo,       o relógio de pêndulo encontra-se, virtualmente, à temperatura zero (absoluto), ou seja, para ele, a temperatura ambiente equivale a 0ºK. Por isso, funciona “dinamicamente”; trabalhando quando esfriado… – mas não… aquecido acima da temperatura ambiente.

Teoria da estabilidade molecular

Ao oferecer essas considerações como uma ‘teoria de estabilidade molecular‘… — supõe-se que o “salto quântico proporcione uma ‘configuração molecular’ essencialmente diferente, ou seja…para além de uma “molécula isomérica” … composta dos mesmos átomos em arranjos diferentes… Com efeito… o salto quântico tipificará umamutação‘. Mas… para admitir essa interpretação — temos de considerar que… o nível mais baixo…é seguido por uma série enorme de níveis… — que não envolvem nenhuma alteração apreciável na “configuração molecular“…correspondendo apenas à pequenas vibrações… entre átomos da molécula… – Assim, a expressão “nível imediatamente superior” é o nível seguinte; uma mudança relevante da configuração.

Transições isoméricas são aquelas…em que a molécula conserva suas propriedades constituintes; um ‘salto quântico‘, contudo, exige um nível de energia externo superior ao nível de energia molecular básico, o que irá gerar uma outra molécula diferente (por mutação)…Entre um conjunto discreto de estados de uma dada seleção de átomos…não é necessário que haja – mas pode haver um nível mais baixo de energia… o que implica numa maior aproximação entre os ‘núcleos‘. – Átomos… nesse estado, podem formar moléculas estáveis…mantendo portanto…sua configuração…   a menos que, de fora, lhe seja dada a diferença suficiente…para alcançar “nível superior“.

 Assim, essa diferença de nível… – bem definida quantitativamente,          determina, empiricamente, o ‘grau de estabilidade molecular‘.

Supondo que uma molécula, ou seja, um ‘sistema de átomos’, esteja…a princípio, em seu estado mais baixo de energia – fisicamente, poderíamos então dizer, que a molécula está   à temperatura de ‘zero absoluto’… Para elevá-la ao nível de energia seguinte exige-se um determinado suprimento de energia…A maneira mais simples de fornecer essa energia é esquentar a molécula, elevando a temperatura ambiente – permitindo assim, que outros sistemas (átomos ou moléculas) colidam com ela… Considerando a total “irregularidade” do movimento térmico – não existe limite exato de temperatura…a que essa elevação se processe…imediatamente… Pelo contrário, a qualquer temperatura ambiente (diferente   do 0ºK) vai haver uma probabilidade – maior ou menor…para a ocorrência da elevação.

A melhor maneira de expressar essa possibilidade é indicar o tempo médio que se deve esperar…até que esta elevação ocorra… – o qual chamamos de… “tempo de espera”.

‘Forças de London-Heitler

‘Forças de London-Heitler‘ se definem como a ‘teoria quântica de ligação química’ delineada entre 1926 e 1927 – que conecta, quantitativamente…’saltos quânticos‘, e ‘mutações biológicas‘ … ao relacionar… à diferentes temperaturas — diferenças de níveis de ‘energia de ligação’ com graus de ‘estabilidade molecular’…Assim, podemos agora definir “organismos biológicos“, através das leis quânticas… como aqueles que, mantidos em sua forma material por “forças de London-Heitler” … e, apoiados na mais requintada “obra-prima hereditária“…mantêm sua “estabilidade natural” frente à inexorável tendência termodinâmica à desordem térmica da ‘entropia caótica‘.

Mas, afinal de contas…’leis orgânicas são leis físicas?… – Em suma, de tudo que sabemos sobre a estrutura da “matéria orgânica“, podemos concluir que ela funciona de forma irredutível às leis da física. – Todavia, isso não quer dizer que exista alguma “nova força” dirigindo o comportamento de cada átomo de um ser vivente… mas sim – que sua construção é diversa de tudo já testado em laboratório. (texto extraído do livro…”O que é vida?”…de Erwin Schrödinger) ## p/consulta: ‘Emaranhamento quântico na biologia?’    ‘Transição de fase quântica’ (Ordem -> Ordem) >>>>>>(texto complementar)>>>>>>>

termodinâmica e vida

Aplicar a termodinâmica aos organismos vivos não foi trabalho de um cientista só. Schrödinger (à esquerda) lançou as primeiras ideias, mas foi Prigogine quem conseguiu transformá-las em equações. (Wikimedia Commons)

Termodinâmica e vida (jan/2016)

Tudo indica… — que os avanços da biologia sintética, da biologia quântica, e da biologia sistêmica farão das ‘ciências biológicas’, um marco importante no ‘paradigma científico’ deste século…Parte desse sucesso deve-se à termodinâmica… — ciência que, embora tenha surgido há mais de 150 anos, apenas nos últimos 50 … teve seu reconhecimento no estudo dos ‘sistemas biológicos’. – Essa demora tem a ver com a indisponibilidade de recursos matemáticos… que só no final dos anos 1940… – com os estudos de Prigogine sobresistemas dissipativos“… aplicados em uma…”termodinâmica de processos irreversíveis“… lograram disponibilidade.

A termodinâmica clássica refere-se a sistemas fechados em equilíbrio… Mas, sistemas naturais, tipo biológicos constituem sistemas abertos em condições de não-equilíbrio. Por isso as ferramentas da termodinâmica clássica, normalmente, não podem ser usadas nos ‘sistemas biológicos’.

O passo inicial para esse reconhecimento foi dado por Erwin Schrödinger…em 1944, ao publicar seu memorável livro ‘O que é vida?. Suas reflexões dirigiram-se para o aspecto físico da célula viva, incluindo termodinâmica, mecânica quântica e estatística…O livro     de Schrödinger influenciou muitos cientistas… – incluindo James Dewey Watson… que decidiu investigar os “códigos de instruções hereditárias” sugeridos por Schrödinger…e terminou, chegando à definição da estrutura molecular do DNA … em colaboração com Francis Crick e Maurice Wilkins….No entanto, foi Ilya Prigogine quem providenciou os recursos operacionais para aplicação à termodinâmica… – elaborando sua ‘teoria das estruturas dissipativas‘, e ganhando por isso, em 1977, o Prêmio Nobel de Química.

A entropia, com efeito, é um conceito de difícil compreensão… – Por exemplo… a 2ª lei termodinâmica diz que sistemas em equilíbrio evoluem para um estado no qual a energia  é mínima…e a entropia é máxima. Na linguagem popular é associada à “desordem“, mas em termos científicos, pode ser associada à indisponibilidade de energia, ou seja, quanto maior a entropia, menos energia disponível…ou ainda, à quantidade de microestados em que um sistema pode se encontrar.

O paradoxo observado por Schrödinger foi que os sistemas vivos tendem para estados de maior ordem, ou seja, de menor entropia, em aparente contradição com a segunda lei da termodinâmica. Como é possível – então…sistemas tão organizados como os seres vivos?

A saída imediata para o encaminhamento da solução é o reconhecimento de que sistemas vivos não obedecem à termodinâmica clássica, a que chamamos…’de equilíbrio‘. Eles não são sistemas fechados – mas abertos, e trocam matéria e energia com seu meio ambiente. É aí que começa a explicação… – A tendência dos sistemas que seguem a ‘termodinâmica clássica’ é a ‘morte súbita’ … quando a energia é mínima, e a entropia é máxima. – Então, como organismos vivos evitam isso por um longo prazo…para alguns de mais de 1 século?

Schrödinger ainda não sabia como formatar isso em equações… – esse conhecimento veio com os trabalhos de Prigogine – o ‘poeta da termodinâmica’… – que, para isso se utilizou de reflexões do ‘pai da mecânica quântica ondulatória’… – Como explica Schrödinger…a resposta óbvia é…comendo, bebendo e respirando. O seu termo técnico é ‘metabolismo‘, que significa troca. – Mas, troca do quê?… – O que é que nosso corpo recebe para evitar o aumento de entropia… – que o levaria à morte?…

A resposta de Schrödinger foi ousada e muito combatida por uma parte da comunidade científica… — Os seres vivos extraem entropia negativa do ‘meio ambiente’…Ou seja, os organismos se alimentam na verdade de “entropia negativa“… – para não deixar sua entropia interna se aproximar do máximo…Sistemas que trocam matéria e energia com     o ‘meio ambiente‘… evoluem de modo irreversível, do nascimento à morte. Prigogine transformou isso em equações com a criação de uma ‘termodinâmica do não-equilíbrio’ aplicável a todos os sistemas dissipativos… – como ‘seres vivos’, e ‘materiais biológicos’.

A teoria de Prigogine começa com a definição da entropia total – constituída de 2  termos – a entropia interna…cujo crescimento é sempre igual ou maior do que zero;       e a entropia externa, transferida do meio ambiente…cujo crescimento pode assumir qualquer valor maior, igual, ou menor que zero – de modo que a entropia total sempre cresce……….Carlos Alberto dos Santos – Instituto de Física da UFRGS (texto base) >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>(adendo cosmobiológico)>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 

Não existe pressão para a produção de organismos mais complexos – ou mais ‘perfeitos’, como muitos acreditam. Os mais complexos não parecem ser mais vantajosos…do ponto de vista da sobrevivência, que os mais simples. – Se isso fosse verdade…existiriam muito  mais organismos complexos do que simples; ao contrário do que se observa na natureza.  
Essa ideia de evolução como aperfeiçoamento – através de um ‘plano inteligente’ (sic) se traduz…simplesmente…na crença de que as forças naturais não seriam capazes de criar ‘ordem e beleza’, se não fossem guiadas por uma inteligência exterior à própria matéria.

Adotar esse ponto de vista é dar à ciência um mero papel de desvendar qual é esse plano subjacente à natureza – que já está preestabelecido para todo o sempre (…determinismo já abandonado pela Mecânica Quântica há quase 1 século) (Augusto Damineli…USP/SP)

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Sobre Cesarious

estudei Astronomia na UFRJ no período 1973/1979.
Esse post foi publicado em cosmobiologia, física e marcado , , , . Guardar link permanente.

3 respostas para Schrödinger: Aspectos Quânticos da ‘Estabilidade Molecular’

  1. Living matter, although not escape the laws of physics (as it is located today), seems to involve other laws unknown so far, which, however, once revealed, will form an integral part of this science.

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  2. Cesarious disse:

    Nesse resumo do livro do Schrödinger, uma questão implícita que me parece da maior importância (fisicamente falando) é a questão da temperatura que, na realidade, envolve 2 aspectos complementares, a saber, a temperatura termodinâmica que conhecemos no dia a dia, definida pela agitação molecular, e uma outra temperatura (quântica), ainda por ser devidamente explicada.

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