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?’)

Ordem pré-estabelecida

A “matéria viva” – embora não escape às leis atuais da física…  —  parece envolver outras leis… até aqui desconhecidas… as quais – no entanto – uma vez reveladas, formarão parte integrante desta ciência, assim como outras a formaram.

Apesar desta ser uma linha bastante sutil de pensamento  –  sujeita a diversos mal-entendidos, o cientista está familiarizado com o fato de que – leis da física clássica são constantemente modificadas pela teoria quântica, em especial à baixas temperaturas. Existem muitos exemplos disso — a vida parece ser um deles… particularmente evidente.

O fenômeno da vida representa um comportamento bem ordenado e regrado da matéria, não exclusivamente baseado na tendência entrópica de passar da ordem para a desordem – mas sim… ordenado parcialmente, por uma ordem pré-existente, que é mantida.

Porém…para conciliar a elevada durabilidade da substância hereditária em seu diminuto tamanho – por exemplo – tivemos de escapar à tendência para a desordem…por meio da invenção de 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.

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 a sua temperatura… a se aproximar do ‘zero absoluto’ quando a desordem molecular é removida.

O princípio geral aí envolvido é a 2ª lei da termodinâmica (princípio           da ‘entropia’)…e sua fundamentação estatística (Gibbs & Boltzmann).

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 “estado de máxima entropia”.

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.

O metabolismo celular

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 … no caso das plantas, assimilando…  —  Seu termo técnico é… metabolismo, palavra de origem grega, cujo significado quer dizer troca, câmbio. 

Sem dúvida — a ideia básica 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 do seu tipo. Mas então, o que será 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 zero.

Para 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, numa proporção que se calcula dividindo 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 representada por CALORIAS/ ºC.

Boltzmann's-equation

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 é o nº de possíveis estados do sistema.

Se W é uma medida de desordem, sua recíproca, 1/W pode ser considerada uma medida direta de ordem… E, como o logaritmo de 1/W é o negativo do logaritmo de W, podemos escrever a equação de Boltzmann da seguinte forma:  – (entropia) = k.log (1/W), ou seja,  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)  

Levando em conta que 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 – na  realidade…em absorver ordem de seu meio ambiente.

Um sistema isolado – ou em ambiente uniforme… aumenta sua entropia, tendendo ao estado inerte de entropia máxima. Essa lei natural da física é reconhecida como sendo uma tendência natural ao ‘estado caótico‘. Como poderíamos então, expressar… em termos de teoria estatística… a incrível faculdade do organismo vivo – pela qual ele atrasa o 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 na forma organizada da matéria – dos compostos orgânicos, mais ou menos complexos. – Estes, após utilizados serão excluídos de uma forma bem mais degradada … mas, 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… — ao 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 o poder 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’.

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 não tem precedentes.

O surpreendente contraste  

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 um grande número de moléculas idênticas.

Mesmo quando um químico manuseia “in vitro” uma molécula complexa, sempre lida com enorme número delas…Suas leis se aplicam a elas…Mas, se uma certa molécula – supondo que se possa seguir seu curso – estará entre as que reagiram…ou não…a uma determinada experimentação…isso ele não pode prever. – Por ser um assunto aleatório, essa não é uma conjectura puramente teórica.

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.

O movimento browniano de uma pequena partícula suspensa em um líquido, p. exemplo, é completamente irregular…Mas, se existirem muitas partículas semelhantes — graças a 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 do 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 um fato observacional também que o princípio resulta na produção de eventos que são um paradigma de ordem. 

Quer achemos espantoso ou plausível 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 hocnada mais é, do que a própria desordem molecular.

A ordem encontrada no desenvolvimento da vida vem de uma fonte diferente. 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 mecanismo que produz ordem a partir da ordem. Aparentemente, esse segundo método parece 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…mas, não explica o comportamento       da matéria viva – cujas características mais evidentes são baseadas no princípio da ordem a partir da ordem (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 explicar esse ponto de vista, devemos incluir um refinamento (ou correção) na asserção feita de que, todas as leis físicas são construídas estatisticamente. Esta suposição – feita repetidamente, não poderia deixar de gerar contradições pois – de fato – existem fenômenos cujas características mais evidentes são visivelmente fundamentadas pelo princípio da ‘ordem a partir da ordem’… e, parecem não ter nada a ver com estatística, 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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O movimento pendular

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.

No entanto, um relógio real – sem molas… está destinado a parar, depois de umas tantas oscilações do pêndulo… – com sua energia mecânica transformada em calor… – Se… por ventura, conseguíssemos aproveitar essa energia térmica, poderíamos teoricamente reconverte-la em movimento, fazendo o relógio se mover novamente. Nesse caso o físico diria que … o relógio experimenta um ajuste do movimento browniano muito intenso”.

Portanto, depende inteiramente de nossa atitude, o fato do movimento de um relógio ser atribuído a eventos sujeitos a leis do tipo estatístico, ou do tipo dinâmico. – Ao dizer que ele é um fenômeno dinâmico … — fixamos nossa atenção no curso regular — assegurado, no caso por uma mola – superando pequenos distúrbios…devido ao movimento térmico, de forma a podermos ignorá-lo.

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

Mas, se nos lembrarmos de que sem a mola, o relógio será…gradualmente… retardo pelo atrito – descobriremos que esse processo só pode ser entendido, se o considerarmos umfenômeno estatístico‘.

Mecanismos de relojoaria                      “Um signo não é…de modo algum, um meio de representação, mas de comunicação…e a comunicação é um acontecer da vontade no qual…desde o início, nada se mantém fixo.” W. Stegmaier ‘Do Pensamento de Nietsche’

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 — mas sempre estará presente em influências térmicas friccionais irreversíveis, mesmo 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…  —  Não obstante, permanece o fato de que ‘mecanismos físicos‘ … apresentam características visivelmente manifestas de ‘ordem a partir de ordem‘, justamente o tipo que atrai a excitação dos físicos, quando ele as encontra em organismos.

Parece provável que os 2 casos tenham, no fim das contas, alguma coisa em comum… Falta apenas descobrir que algo é esse, e qual a diferença notável que torna o caso do organismo – afinal – algo de novo…e sem precedentes.

Walter Nernst (1864-1941) http://pt.wikipedia.org/wiki/Walther_Nernst

Walter Nernst (1864-1941)

Teorema de Nernst

Mas…quando 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 cuidadosa investigação de reações químicas…em uma ampla gama de temperaturas – cujos resultados foram extrapolados até o limite da temperatura ‘zero absoluto’ – que…aparentemente, de fato, é impossível de ser atingida.

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 – o ‘princípio da energia’; 2ª lei – o ‘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 tem de 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 zero…Essa é a razão dele funcionar “dinamicamente”… Continuará a trabalhar normalmente se for esfriado, mas não se for 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 os átomos da molécula. – Assim, a expressão ‘nível imediatamente superior’ deve ser entendida como o nível seguinte — similar a uma mudança relevante da configuração.

Portanto, transições isoméricas são aquelas, em que a molécula em questão, conserva suas propriedades constituintes; um salto quântico, contudo, exige um nível de energia externo superior ao nível de energia básico molecular, 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 que, necessariamente, terão alguma estabilidade – e, portanto…sua configuração não deverá mudar…a menos que seja fornecida externamente, a diferença suficiente para elevá-la a   um 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 — para permitir assim … que outros sistemas (átomos ou moléculas) colidam com ela.

Considerando a total irregularidade do movimento térmico, não existe um limite exato de temperatura a que essa elevação se processe…certa e imediatamente… — Pelo contrário, a qualquer temperatura ambiente (…diferente do 0º absoluto) 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 chamaremos de “tempo de espera”.

Podemos definir ‘organismos biológicos‘ através das leis quânticas — como mantidos em sua forma material por meio das forças de London-Heitler… e, apoiados na mais requintada… “obra-prima hereditária  para manter sua estabilidade natural frente à tendência à desordem térmica.

‘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 diferenças de níveis de ‘energia de ligação’ com graus de ‘estabilidade molecular’ … à diferentes temperaturas.

Mas, afinal… – 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. – Entretanto, 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 o que já testamos em laboratório.

(do livro “O que é vida?” de Erwin Schrödinger) p/consulta: ‘Emaranhamento quântico na biologia?’ # ‘Transição de fase quântica’ (Ordem -> Ordem) # relógios-padrão primordiais  >>>>>>>>>>>>>>>>>>(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)  >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>(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 (08/01/2016)

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… começaram a aparecer .

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 a aplicação da termodinâmica, ao desenvolver a “termodinâmica dos sistemas dissipativos”a partir do final dos anos 1940, pelo qual ganhou o Nobel de Química de 1977.

A termodinâmica clássica – aquela habitualmente tratada nos livros textos, da educação básica à universitária – refere-se a sistemas fechados em condições de equilíbrio. Mas os sistemas naturais, como materiais biológicos, constituem sistemas abertos em condições de não-equilíbrio…Por isso as ferramentas da termodinâmica clássica normalmente não podem ser usadas nos sistemas biológicos.

A 2ª lei da termodinâmica diz que os sistemas em equilíbrio evoluem         para um estado no qual a energia é mínima… e a entropia é máxima.

A entropia é um conceito de difícil compreensão. Na linguagem popular ela é associada à desordem, mas, na linguagem científica, 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 está o início da explicação…

A tendência dos sistemas que obedecem à ‘termodinâmica clássica’ é a morte rápida, quando a energia é mínima e a entropia é máxima. – Então, como ‘organismos vivos’ evitam isso por um longo período? — Para alguns seres humanos, esse período pode passar de um século.

Schrödinger ainda não sabia como transformar 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 termo técnico disso é metabolismo, que significa troca. — 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 da termodinâmica de não-equilíbrio – a termodinâmica aplicável aos sistemas dissipativos, como os seres vivos, e todos os 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. texto base

Carlos Alberto dos Santos – Professor aposentado do Instituto de Física da UFRGS

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Sobre Cesarious

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

3 respostas para 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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