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’.

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.

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“.

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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 (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                                                                        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 diz…produz ‘entropia positiva’, tendendo a se aproximar,              cada vez mais, daquele perigoso estado de entropia máxima… – que é a ‘morte‘.

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?…A única possibilidade desse organismo se manter vivo      é extraindo entropia negativa do meio ambiente… – o que aliás, é algo muito positivo…

Mas, então, o que é entropia?                                                                                                  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.    

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, muitíssimo bem ordenado…representando, ínfima fração…da soma total de átomos de uma célula.  Ademais, sobre o mecanismo de mutação, concluímos que, basta o deslocamento de alguns 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 deste – em concentrar “fluxo de ordem” para si mesmo… e assim escapar do decaimento no caos quânticoparece conectada irreversivelmente à presença de “sólidos aperiódicos.

As moléculas de ‘cromossomos‘ representam o mais alto grau de organização atômica  conhecido, 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 similares à uma organização social, e a outros, envolvendo 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. – E nesse caso, estamos lidando 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’.)

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.  Caso fosse, não precisaria de molas ou cordas, pois…uma vez em movimento, assim continuaria para sempre… Mas, um relógio real, sem molas, depois de umas oscilações…pára…com toda sua energia mecânica convertida em calor.

Se, por acaso, conseguíssemos aproveitar essa energia térmica, teoricamente poderíamos  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 ser ‘fenômeno dinâmico’,  supomos um ‘curso regular’… assegurado, no caso, por uma mola – superando pequenos distúrbios térmicos…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.

As transições de fase mais conhecidas são aquelas que marcam a passagem do gelo para    a água e da água para o vapor. Nessas transições, a matéria muda entre estados mais ou menos ordenados, dependendo se a temperatura sobe ou desce. Mas… se a temperatura      for hipoteticamente fixada no zero absoluto e outro parâmetro…como pressão…variado,    na tentativa de uma transição, isso vai ocorrer sem variação de entropia – ou seja, seria uma transição de ‘ordem para ordem‘ (é na vizinhança do zero absoluto que emerge uma transição de fase de… ‘entropia zero‘ — a dasupercondutividade“.) (texto base*********************************************************************************

http://tsistemica.blogspot.com.br/2011/12/o-aspecto-vivo-da-celula-viva-por-erwin.html

“Teoria da estabilidade molecular”                  Quando será que um tipo qualquer de “associação de átomos”, assim caracterizando um “sistema físico“, exibe características mecânicasou leis dinâmicas‘? 

Parece provável que os 2 casos… – no fim das contas… tenham algo em comum. Só falta descobrir que coisa é essa…cuja diferença, torna o organismo algo assim tão notável…Todavia, a ‘teoria quântica’ possui uma breve resposta para essa questão ou seja… À medida que a temperatura do sistema se aproxima do zero absoluto, uma desordem molecular“… deixa de ter qualquer relação com eventos físicos… — Esse resultado não foi descoberto em teoria, mas por cuidadosa investigação de reações químicas, extrapoladas até o limite de 0ºK.

“Teorema de Nernst”                                                                                                            Teorema do Calor” de Walther Nernst… o qual, com propriedade, se dá o nome de        3ª lei 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.

Ao oferecer essas considerações como uma ‘teoria de estabilidade molecular’, supõe-se que o “salto quântico proporcione uma ‘configuração molecular’…essencialmente diferente, ou sejapara além de uma…”molécula isomérica“…composta dos mesmos átomos, em arranjos diferentes. Com efeito… “o salto quântico tipificará uma mutação. 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. — Dessa forma…a expressão ‘nível imediatamente superior‘ é o nível referente a uma mudança relevante da configuração… — Quantitativamente definida… tal diferença de nível exprime, de modo empírico, o… “grau de estabilidade molecular”.

‘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‘. 

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‘… – Nesse estado…os átomos podem formar moléculas estáveis…mantendo portanto, sua configuração. – A menos que… de fora, lhe seja dada a diferença suficiente de energia — para poder alcançar um… “nível superior”.

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”.  (uma seleção de textos extraídos do livro… “O que é vida?” … de Erwin Schrödinger)  *********************************************************************************

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Estudos mostram que leis da mecânica quântica também valem na natureza, extrapolando o campo da física, e invadindo a biologia. Entender melhor essas leis é essencial, em todos os sentidos. (Imagem: Sofia Moutinho)

Emaranhamento quânticona biologia? Fenômenos genuinamente quânticos assumem  papel relevante em alguns processos biológicos.

Em seu maravilhoso livro… – “O que é vida?…  O aspecto físico da célula viva” … o renomado  físico… – Erwin Schrödinger… – refere-se aos “organismos multicelulares” — como a “mais requintada obra-prima já obtida pelas leis da mecânica quântica… Diante das recentes observações de efeitos quânticos na natureza,    e em…”seres vivos” – não podemos deixar de apreciar o caráter premonitório da sua frase.

O “tunelamento quântico”, por exemplo, consequência da dualidade ‘partícula-onda’, está presente em processos bioquímicos… sendo um dos grandes mistérios da natureza. Outro fenômeno que se vale da dualidade partícula-onda é o “entrelaçamento quântico“, ou “emaranhamento“… objeto de intenso debate na comunidade científica… a respeito de sua observação em sistemas biológicos. – Trata-se de uma propriedade mais complexa, e menos intuitiva do que o “tunelamento“… com aplicações na “computação quântica”. O problema é que esta correlação (‘coerência quântica’) é muito instável, com uma forte dependência da temperatura e do meio ambiente que geralmente, funcionam como um sistema ruidoso. Em suma, podemos dizer que o aumento de temperatura, ou do nível de ruído provoca a perda do estado de ‘coerência quântica’ (“decoerência“), extinguindo o “emaranhado”; a alta sensibilidade é o maior entrave ao melhor desempenho tecnológico.

O “emaranhado quântico”

Nas condições em que a matéria deve ser tratada sob a ótica da teoria quântica, cada partícula (elétron, próton, átomos, entre outras) se caracteriza, por um conjunto de propriedades…intrínsecas (spin), ou circunstanciais (posição, velocidade e interação      com outras partículas, por exemplo). Tais propriedades determinam… o que se pode chamar de estado ou nível quântico, geralmente representado em termos de energia.

Supondo o caso mais simples – de apenas 2 partículas… quando estas interagem (para qualquer tipo de interação), os 2 estados quânticos se misturam, resultando num novo estado composto pelas 2 partículas. Tecnicamente se diz que houve uma ‘superposição’ dos estados das partículas individuais. – Esse estado composto, ou “emaranhado“, é     tal…que as “informações individuais” das partículas…são “provisoriamente” perdidas.

O emaranhado quântico representa o conjunto e reflete apenas as correlações entre os seus componentes…O que diz a teoria quântica é que essa correlação continua mesmo depois que as partículas são separadas. – Uma tese bem conhecida e controversa, é de      que essa correlação é preservada, mesmo a distância infinita. Tal ‘correlação quântica’,        é a propriedade necessária, mas não suficiente para a existência do “emaranhamento”.

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Quando 2 partículas estão emaranhadas, elas perdem suas características individuais e passam a funcionar como um único sistema. Se não houver ruído, a interação continua, mesmo quando separadas por longas distâncias. (Miroslav Kostic; Sofia Mountinho)

“Emaranhamento na fotossíntese”  Enzimas em materiais fotossintetizantes, teriam evolucionado para o uso eficiente da energia solar em processos quânticos.

Entender a razão da grande eficiência da conversão da “energia solar”, em energia química no processo da fotossíntese tem sido um desafio permanente, enfrentado por pesquisadores de diferentes áreas do conhecimento (‘O big bang da evolução‘).

Há menos de 1 década(2002), medidas óticas efetuadas no Instituto Max Planck, na Alemanha, e da Universidade de Leiden, na Holanda, evidenciaram a existência de coerência quântica na fotossíntese, motivando uma série de experimentos com vários materiais biológicos, e especulações sobre a existência de “emaranhado quântico” em circunstâncias até então consideradas improváveis… – por exemplo, em temperatura ambiente… – que é considerada muito alta – e…um ambiente extremamente ruidoso.

O debate ficou mais acirrado quando uma hipótese ainda mais controvertida foi levantada por alguns pesquisadores… – entre os quais a química Judith Klinman … da Universidade da Califórnia, em Berkeley, EUA, e uma das pioneiras no estudo de tunelamento quântico em proteínas…As enzimas nesses materiais fotossintetizantes teriam testado um processo evolutivo, para fazer uso eficiente da “energia solar” – por meio de “processos quânticos”.

Os opositores da hipótese, como o químico Gregory Scholes, da Universidade de Toronto, Canadá, afirmam que os “mecanismos quânticos” não passam de um “acidente” no modo como essas moléculas atuam… – Ou seja, os organismos escolheriam rotas diferentes por acaso, e não porque essa, ou aquela são mais eficientes… Na verdade, Scholes afirma que não há dados experimentais suficientes… — sequer para que se possa ‘levantar a questão’.

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O “campo magnético” da Terra – que protege a superfície do planeta das partículas carregadas do vento solar – influencia a orientação de várias espécies de animais. A causa ainda é um grande mistério, que lentamente, começa a ser desvendado pela aplicação da “mecânica quântica” à biologia. (Ilustração: NASA)

“Coerência prolongada”

Outro mistério biológico que parece começar a ser desvendado com o uso da teoria quântica é a influência do ‘campo magnético’ no processo orientação/navegação, de cerca de 50 espécies animais… – O objeto aqui é bem diferente dos “materiais fotossintetizantes”, mas por trás do processo há algo em comum que é a separação de cargas induzidas pela absorção da luz solar, na retina dos animais. – Essa absorção resulta na liberação de um ‘par de elétrons’…Como os elétrons estão em ambientes próprios…têm os seus spins orientados, de um modo particular.

Esses estados de orientação dependem da inclinação das moléculas na retina em relação ao campo magnético terrestre. Assim, o processo de    foto-ionização resulta num par de elétrons com spins correlacionados.

Estudos recentes, realizados por pesquisadores das Universidades de Oxford e Singapura, liderados pelo professor Simon Benjamim, têm mostrado que esse estado de correlação ou coerência quântica tem se mantido a intervalos da ordem de centenas de microssegundos,  algo inimaginável. Estimativas teóricas até o momento não passavam de 1 microssegundo. Há inclusive, quem acredite que a “computação quântica” poderá avançar a partir de uma compreensão mais profunda do processo de transmissão de energia na fotossíntese…e, do mecanismo de proteção usado por pássaros…no aumento do tempo de coerência quântica.

Qualquer que seja o resultado do debate em torno do processo evolutivo das enzimas dos materiais fotossintetizantes, e da orientação magnética de animais, o aspecto que a priori todos concordam é que fenômenos genuinamente quânticosocupam papel de destaque, em alguns processos biológicos. Aprender com a natureza é um desejoe uma busca do homem desde tempos imemoriais. – Mas agoraum tipo de simbiose quântico-biológica parece atingir estágios antes inimaginados. (texto baseCarlos Alberto dos Santos (2011) *******************************(texto complementar)******************************* 

Termodinâmica, Caos… e ‘Vida’ (jan/2016)  “Aplicar a termodinâmica aos organismos vivos, não foi trabalho de um cientista só. Schrödinger lançou as primeiras ideias – mas… foi Prigogine quem conseguiu transformá-las…em equações”.

Tudo indica que os avanços da biologia sintética, da biologia quântica, e biologia sistêmica… farão das “ciências biológicas”…um importante marco 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 ‘falta de recursos matemáticos’, que só no final dos anos 1940 com estudos de Prigogine sobre “sistemas dissipativos“… aplicados numa…”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.

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?

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… Mas, ele ainda não sabia como formatar isso em equações. — Esse conhecimento só veio com os trabalhos de Ilya Prigogine, que para isso criou uma “termodinâmica do não-equilíbrio” aplicável a todos os ‘sistemas dissipativos’ – como ‘seres vivos’…e ‘materiais biológicos’.

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.

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*********************************************************************************

“Bactéria de Schrödinger” pode ser um marco na biologia quântica (out/2018)  Um experimento recente pode ter colocado, pela 1ª vez, organismos vivos, num estado de entrelaçamento quântico, o que seria a chave para demonstrar a possibilidade da ideia de uma…”bactéria de Schrödinger“.

BACTERIA QUÂNTICAO mundo quântico é estranho. Na teoria e até certo ponto na prática, seus princípios exigem que uma partícula ‘aparente’ estar em dois lugares … ao mesmo tempo – um fenômeno conhecido como ‘superposição‘,  e que 2 partículas podem se ‘entrelaçar’, compartilhando informações, a quaisquer distâncias entre  si; por mecanismo ainda desconhecido. E o mais famoso exemplar, dessa tal ‘estranheza quântica’ – é o “gato de Schrödinger: experimento imaginado por Erwin Schrödinger…(1935) — em que um gato é colocado numa caixa, com uma substância radioativa…de modo que, pelo menos até que a caixa seja aberta e, seu conteúdo medido… — ele estaria em uma ‘superposição’ (tanto morto, quanto vivo).

Por mais estranho que pareça…o conceito foi experimentalmente validado inúmeras vezes em escalas quânticas. No entanto, para o nosso mundo macroscópico aparentemente mais simples e certamente mais intuitivo as coisas mudam. Ninguém jamais testemunhou uma estrela, um planeta…ou um gato em superposição, ou emaranhado quântico. Mas, desde a formulação inicial da “teoria quântica”…no início do século 20, os cientistas se perguntam onde exatamente os mundos microscópico e macroscópico se cruzam…ou melhor dizendo:

Quão grande pode ser o “reino quântico”…e, poderia                                          ser grande o suficiente, para que seus aspectos mais                                            estranhos influenciem intimamente os “seres vivos”?

Nas 2 últimas décadas o campo emergente da “biologia quântica” buscou respostas para essas questões, propondo e realizando experimentos com organismos vivos, para sondar os limites da ‘teoria quântica‘… Esses experimentos já renderam resultados promissores, mas inconclusos. – No início deste ano, por exemplo, os pesquisadores mostraram que o processo de fotossíntese… por meio do qual organismos produzem alimentos usando luz, pode envolver alguns efeitos quânticos. Como os pássaros navegam, ou como cheiramos, também sugerem tais efeitos… – que podem ocorrer de formas incomuns em seres vivos.

Mas isso é a superfície do mundo quântico. Até hoje ninguém conseguiu                              induzir todo um organismo vivo – nem mesmo uma bactéria unicelular,                              a exibir efeitos quânticos… – como emaranhamento… ou, superposição.

entanglement

Concepção artística de um emaranhamento quântico.

Bactérias x Fótons (“entrelaçados”)

Não obstante todas estas dificuldades, um novo artigo…de um grupo de cientistas da Universidade de Oxford, afirma ter obtido sucesso entrelaçando…bactérias…a fótons de luz. Publicado em outubro no “Journal of Physics Communications”…o estudo — liderado pela física Chiara Marletto é uma análise de um experimento realizado pela equipe de David Coles, físico da ‘Sheffield University’, Inglaterra em fevereiro/2017.

Nesse experimento, a equipe de Coles isolou várias centenas de ‘bactérias fotossintéticas’  verdes de enxofre entre 2 espelhos, encolhendo progressivamente a distância entre estes até algumas centenas de nanômetros…Incrementandoluz branca‘ entre os espelhos, os cientistas esperavam fazer com que as ‘moléculas fotossintéticas‘ se unissem dentro das bactérias, ou interagissem com a cavidade, essencialmente significando que as bactérias absorveriam, emitiriam e reabsorveriam continuamente fótons…O experimento foi bem sucedido; com até 6 bactérias parecendo agir dessa forma. – Marletto argumenta que as bactérias fizeram mais do que apenas acoplar à cavidade. Em sua análise, comprova que    a assinatura de energia produzida no experimento pode ser consistente com os sistemas fotossintéticos das bactérias…tornando-se emaranhados…com a luz dentro da cavidade.    Em essência… – parece que certos fótons estavam simultaneamente sendo absorvidos e emitidos por moléculas fotossintéticas dentro da bactéria… – uma ‘marca registrada’ do emaranhamento. – Segundo o co-autor do estudo, Tristan Farrow, também de Oxford…

“Nossos modelos mostram que o registro desse fenômeno é uma assinatura do entrelaçamento entre a luz … e certos graus de liberdade dentro das bactérias,                sendo esta, a primeira vez que tal efeito foi vislumbrado num organismo vivo”.

Tristan sugere outro exemplo potencial de…”biologia quântica” emergente – as bactérias verdes do enxofre residem no oceano profundo…onde a escassez de luz que dá vida pode até mesmo estimular “adaptações evolutivas quânticas” para incrementar a ‘fotossíntese’. Porém há muitas ressalvas nestas controversas situações. Em primeiro lugar, a evidência para o emaranhamento neste experimento é circunstancial…depende de como se escolhe interpretar a luz que… “escorre através das bactérias confinadas na cavidade“.

Nesse ponto Marletto reconhece que o modelo clássico de ‘efeitos quânticos’ também explicaria os resultados do experimento… No entanto, é lógico que fótons não são clássicos… — são ‘quânticos’. Por esse motivo, até mesmo um “modelo semiclássico”, mais realista, usando ‘leis de Newton’ para bactérias…e para os fótons, a mecânica quântica – não seria capaz de reproduzir exatamente o resultado do experimento que foi observado por Coles… e, sua equipe em laboratório…Tal fato, sugere que os ‘efeitos quânticos’ estavam em jogo – tanto na luz, quanto no campo das bactérias.

Uma outra questão em aberto, é que as energias das bactérias e do fóton não foram medidas de forma independente; o que seria, de acordo com Simon Gröblacher, da Universidade de Delft, Holanda, um tipo de limitação na pesquisa…que ele explica:

“Parece haver algo quântico ocorrendo, coletivamente. Todavia, para provarmos o emaranhamento, e confirmar que a correlação quântica            é verdadeira – precisamos medir os 2 sistemas…independentemente”.

Apesar de toda incerteza…para muitos especialistas — a transição da biologia quântica;        do sonho teórico – para a realidade tangível… é uma questão de tempo. Em décadas de experimentos em laboratório… – em isolamento…ou coletivamente…moléculas fora de sistemas biológicos já exibiram ‘efeitos quânticos’. – No entanto… tais efeitos quântico, quando calculados para grandes organismos multicelulares se mostram insignificantes.

Pode ser que a “seleção natural” tenha surgidocriando formas dos sistemas vivos explorarem naturalmente fenômenos quânticos – observa Marletto… — seguindo o        exemplo mencionado da fotossíntese de bactérias no mar profundo…faminto de luz.    Mas, para chegar a essa profundidade, é preciso começar no raso…e a pesquisa tem, constantemente caminhado em direção a experimentos de nível mais complexojá envolvendo a ordem de milhões de átomos…Provar que as moléculas que compõem    objetos vivos exibem ‘efeitos quânticos’ significativos…mesmo que, para propósitos        triviais…seria o próximo passo fundamental. Explorar esse limite quântico-clássico, significaria entender o ser como macroscopicamente quântico – se isso for verdade.

Os objetivos de longo prazo são fundamentais. – Trata-se de entender a natureza da realidade, e se os efeitos quânticos têm utilidade nas funções biológicas. Na raiz das coisas…tudo é quântico. – Então, a grande questão… é saber se os ‘efeitos quânticos’ desempenham algum “papel” – em como as… “coisas vivas” funcionam. (texto base*****************************************************************************

Inteligência artificial abre caminho para a “química quântica” (dez/2020)            O grande objetivo daquímica quânticaé prever propriedades químicas e físicas das moléculas com base exclusiva no arranjo de seus átomos…evitando a necessidade de experimentos de laboratório com cada substânciao que demora muitoe é caro. A princípio isso seria feito resolvendo a equação de Schrodinger para a função de onda: ‘objeto matemático’, que especifica o comportamento dos elétrons em uma molécula.

A função de onda é uma entidade de dimensão elevada, sendo portanto…extremamente difícil capturar todas nuances…que codificam…como os elétrons individuais afetam…uns aos outros.

Por este motivo, resolver na prática a ‘equação de Schrodinger’  para qualquer molécula … é extremamente difícil. — Na verdadeaté hoje continava sendo impossível … de se encontrar uma solução exata para ‘moléculas arbitrárias’ que possa ser calculada – com…boa eficiência.

Mas agora, 3 pesquisadores da Universidade Livre de Berlim desenvolveram um método de aprendizado profundo (técnica de ‘inteligência artificial’) que alcança uma combinação sem precedentes entre…eficiência computacional do cálculo…e precisão do resultado.  A rede neural profunda criada por eles é uma nova maneira de representar as funções de onda dos elétrons; como assim explicou o pesquisador Frank Noé, que faz parte do grupo:

“Em vez da abordagem padrão de compor a função de onda a partir          de componentes matemáticos relativamente simples… – projetamos        uma rede neural artificial capaz de aprender os padrões complexos,            de como os elétrons se localizam – ao redor dos…núcleos atômicos”.

Seu colega Jan Hermann … acrescentou que: “Uma característica peculiar das funções de onda eletrônicas é sua antissimetria‘…Quando 2 elétrons são trocados, a função de onda deve mudar seu sinal. – Tivemos que construir essa propriedadena arquitetura da rede neural para que a abordagem funcionasse”. Tal característica, conhecida comoPrincípio da Exclusão de Pauli“, é o motivo pelo qual os autores batizaram sua rede de…”PauliNet”.

Além do ‘Princípio de Exclusão de Pauli’, as funções de onda dos elétrons também têm        outras propriedades físicas fundamentais…e muito do sucesso inovador da “PauliNet”      reside em sua capacidade de integrar essas propriedades…na “rede neural profunda”,      ao invés de fazer o “aprendizado profundo” decifrá-las…apenas observando os dados.

Monte Carlo Quântico                                                                                                        “Construir a física fundamental na IA é essencial para sua capacidade                                        de fazer previsões significativas… – no campo da… química quântica”.

Há muitos métodos na “química quântica”que abrem mão por completode tentar expressar a “função de onda” limitando-se a determinar a energia de uma dada moléculaMas isso requer muitas aproximaçõeslimitando a qualidade da previsão destes métodos…por exemplo: previsão do comportamento molecular e características essenciais, próprias de qualquer uma substância.

Outros métodos, por sua vez, representam a “função de onda” usando um nº enorme          de blocos de construção matemáticos simples — mas tais métodos são tão complexos,          que são impossíveis de colocar em prática…para mais do que um punhado de átomos.          E Hermann explica…“Escapar do compromisso entre precisão e custo computacional          é a maior conquista da química quântica. Acreditamos que o…’Monte Carlo Quântico Profundo’, a abordagem que estamos propondo, pode ser muito bem-sucedida. – Ela oferece uma precisão sem precedentes, com um custo computacional ainda aceitável.”

Mas ainda existem muitos ‘nós’ a serem desfeitos, antes que o novo método esteja pronto para ser aplicado, por exemplo…no desenvolvimento de novos materiais ou no projeto de reações químicas para a indústria.  Para os pesquisadores… “Esta ainda é uma pesquisa fundamental mas também uma abordagem nova, para um velho problema das ciências moleculares e dos materiais, e estamos confiantes em seu enorme potencial”. (texto base)

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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