A “pedra filosofal” cósmica


Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

O ouro da Terra veio da colisão de estrelas mortas

 IMAGEM: Esta concepção artística retrata a colisão de duas estrelas de nêutrons. Novas observações confirmam que essas colisões produzem erupções curtas de raios gama. Essas colisões também produzem os raros elementos mais pesados, inclusive o ouro. Clique aqui para mais informações.

Nós damos valor ao ouro por várias razões: sua beleza, sua utilidade como joia e sua raridade. Uma das razões para o ouro ser raro na Terra, é que ele é raro por todo o universo. Diferentemente de elementos como carbono ou ferro, ele não pode ser criado dentro de uma estrela. Em lugar disto, o ouro tem que nascer de um evento mais cataclísmico – tal como o que ocorreu no mês passado, do tipo conhecido como uma curta erupção de raios gama (gamma-ray burst, ou GRB).

As observações desta GRB dão indícios de que ela resultou da colisão de duas estrelas de nêutrons – os núcleos mortos de estrelas que já explodiram como supernovas. Além disso, um brilho singelo que persistiu por dias no local da GRB, provavelmente significa a criação de quantidades substanciais de elementos pesados – inclusive ouro.

“Estimamos que a quantidade de ouro produzido e ejetado durante a fusão dessas duas estrelas de nêutrons possa ser da magnitude de 10 massas lunares – um bocado de grana!” diz o principal autor Edo Berger do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA).

Berger apresentou sua descoberta hoje em uma conferência imprensa no CfA em Cambridge, Massachusetts.

Uma erupção de raios gama é um clarão de luz de alta energia (raios gama) vindos de uma explosão extremamente energética. A maior parte delas é encontrada no universo distante. Berger e seus colegas estudaram a GRB 130603B, a qual, a uma distância de meros 3.9 bilhões de anos-luz da Terra, é uma das mais próximas erupções vistas até hoje.

As erupções de raios gama vêm em dois tipos – longas e curtas – dependendo do quanto durar o clarão de raios gama. A GRB 130603B, detectada pelo satélite Swift da NASA em 3 de junho, durou menos de dois décimos de segundo.

Embora os raios gama tenham desaparecido rapidamente, a GRB 130603B também exibiu um brilho evanescente, dominado por luz infravermelha. Sua luminosidade e seu comportamento não se enquadravam em uma típica ‘luminescência”, fenômeno criado quando um jato de partículas de alta velocidade colide com o ambiente em torno.

Ao invés disso, o brilho se comportou como se proviesse de raros elementos radioativos. O material rico em nêutrons ejetado pelas estrelas de nêutrons que colidem, pode gerar tais elementos, os quais, em seguida, sofrem o decaimento radioativo, emitindo um brilho dominado por luz infravermelha – exatamente o que a equipe observou.

“Estivemos procurando por um indício forte para fazer a ligação entre uma curta erupção de raios gama com uma colisão entre estrelas de nêutrons. O brilho radioativo da GRB 130603B pode ser este indício”, explica Wen-fai Fong, um estudante de pós-graduação do CfA e co-autor do artigo.

A equipe calcula que cerca de um centésimo de uma massa solar foi ejetado pela erupção de raios gama, parte da qual era ouro. Combinando a estimativa da quantidade de ouro produzida em uma única e curta erupção de raios gama com o número de tais explosões que devem ter ocorrido ao longo da vida do universo, todo o ouro que existe hoje deve ter saído de erupções da raios gama. .

“Parafraseando Carl Sagan, todos nós somos poeira de estrelas e nossas jóias são a poeira de estrelas que colidiram”, diz Berger.

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Magnetômetros no bico

Goethe
University Frankfurt


Um magnetômetro na parte superior dos bicos das aves?

Como identificar sistemas magneto-sensíveis em vários organismos

FRANKFURT — Pequenos ramos de nervos que contém ferro, na parte superior dos bicos das aves pode servir como um magnetômetro para medir o vetor (intensidade e inclinação) do campo magnético da Terra e não somente funcionarem como uma bússola magnética que indica apenas a direção das linhas do campo magnético. Já fazem alguns anos que os neuro-biólogos de Frankfurt, Dra.Gerta Fleissner e seu marido Prof. Dr. Günther Fleissner, descobriram essas estruturas em pombos-correio e, em estreita cooperação com o físico experimentar Dr. Gerald Falkenberg (DESY Hamburg), identificado os óxidos de ferro essenciais.”Após termos exibido o sistema de dendritos com compartimentos sub-celulares distintos contendo ferro em pombos-correio, a questão imediata que se seguiu foi se poderíamos encontrar sistemas dendríticos semelhantes em outras espécies de aves também”, comenta Gerta Fleissner, a principal investigadora. Neste meio tempo, eles foram capazes de descrever estruturas similares e potencialmente satisfatórias nos bicos de diversas espécies de aves. Medições de fluorescência em Raios-X feitas no DESY, demonstraram que os óxidos de ferro dentro desses dendritos nervosos são idênticos. Estas descobertas foram publicadas, há poucos dias, em PlosOne.

Um número maior do que cerca de 500 dendritos na periferia codifica a informação sobre o campo magnético que é integrada pelo sistema nervoso central em um mapa magnético. Obviamente não vem ao caso se a ave usa esse mapa magnético para navegação magnética de longa distância, ou não: o equipamento pode ser encontrado em pássaros migratórios, tais como os piscos-de-peito-ruivo e felosas-das-figueiras, assim como nas galinhas domésticas. “Essa descoberta é surpreendente, já que os pássaros estudados têm diferentes estilos de vida e têm que realizar tarefas de orientação diferentes: pombos-correio, treinados para retornar de diferentes lugares para sua casa, migratórios de curtas distâncias como o pisco-de-peito-ruivo, migratórios de longas distâncias como felosas-das-figueiras e os decididamente domésticos como as galinhas”, explica Gerta Fleissner.

A fim de produzir indícios convincentes, foram realizadas vários milhares de medições comparativas. O tecido dos bicos foi estudado sob o microscópio para identificar os locais “quentes” que continham ferro, como base para subsequentes análises fisico-químicas. No Hamburg Synchrotron
Strahlungslabor no DESY, a distribuição e a quantidade de vários elementos foi topograficamente mapeada por um dispositivo de raios-X de alta resolução. “Aqui, o tecido dos bicos pode ser investigado sem destruição por processos histológicos referentes à posição e à natureza detalhada dos compostos magnéticos ferrosos dentro dos dendritos”, explica Gerta Fleissner, enfatizando que a cooperação com o físico experimental Gerald Falkenberg como líder do projeto no DESY foi essencial para essa descoberta científica.

Os compostos ferrosos especializados dentro dos dendritos amplificam localmente o campo magnético da Terra e, assim, induzem um potencial receptivo inicial. Muito provavelmente, cada um desses mais de 500 dendritos codifica apenas uma direção do campo magnético. Esses dados espaciais são processados no cérebro da ave e, devidamente integrados, servem para compor um mapa magnético que facilita a orientação espacial. Se esse mapa magnético é consultado ou não, depende da espécie de ave e de sua motivação corrente para fazê-lo: pássaros migratórios, por exemplo, exibem orientação magnética apenas durante seu período de inquietação migratória, como demonstrado nas várias experiências de comportamento realizadas pelo Prof. Wolfgang
Wiltschko, que descobriu a navegação guiada por campos magnéticos nas aves. A cooperação com sua equipe de pesquisas sugere que a bússola magnética e o sentido de mapa magnético se baseiam em mecanismos diferentes e se funcionam em locais diferentes: a bússola funciona nos olhos e o magnetômetro no bico.

“Os resultados agora publicados claramente desmentem os velhos mitos referentes à magneto-sensitividade ser processada em locais aleatórios do corpo [das aves], tais como o sangue, o cérebro, ou os ossos da cabeça. Em lugar disto, eles apresentam um conceito sólido sobre como identificar os sistema magneto-sensíveis em vários organismos”, relata alegremente Günther Fleissner. Esses dados claros e facilmente reproduzíveis podem ser usados como base para futuros projetos experimentais que podem elucidar os variados passos entre a percepção do campo magnético e seu uso como um farol de navegação.

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O projeto foi finanaciado pelas Fundações de Frankfurt (Stiftung
Polytechnische Gesellschaft e Kassel-Stiftung), pelo “Freunde und
Förderer” da Universidade Goethe, pelo ZEN-program do Hertie-Stiftung e o Deutsche Forschungsgemeinschaft. As medições elaboradas no HASYLAB foram patrocinadaas pela Fundação Helmholtz.

Referência: Falkenberg G, Fleissner Ge, Schuchardt K, Kuehbacher M,
Thalau P, et al. (2010) Avian Magnetoreception: Elaborate Iron Mineral
Containing Dendrites in the Upper Beak Seem to Be a Common Feature of
Birds. PLoS ONE 5(2): e9231. doi:10.1371/journal.pone.0009231
([email protected])


Nota do Tradutor:

Eu adoraria ver experiências semelhantes serem realizadas em diversos outros tipos de animais, especialmente nos répteis… mais especialmente ainda em repteis pré-históricos.

Nas pegadas da natureza

[ Livremente traduzido de Following in the Footsteps of Nature ]

Pesquisadores chegam um passo mais perto da natureza com o desenvolvimento de polímeros e adesão direcional que seguem o modelo das patas de uma lagartixa

Video showing gecko feet.


Video
available
Veja aqui o vídeo

Pesquisadores finanaciados pela NSF colaboraram para o desenvolvimento de um adesivo sintético “tipo lagartixa”.
Crédito e imagem ampliada

9 de fevereiro de 2010

A nanotecnologia não só aproximou a natureza da engenharia, como também encorajou a colaboração entre pesquisadores de diferentes disciplinas. Em uma dessas colaborações, dois pesquisadores exploraram a extraordinária capacidade de grudar dos pés das lagartixas para desenvolver um adesivo sintético para ajudar robos a escalar paredes.

Os pesquisadores financiados pela NSF Mark Cutkosky, engenheiro da Universidade Stanford, e Kellar Autumn, um biólogo do Lewis and Clark College, trabalharam em conjunto para desenvolver um adesivo sintético “tipo lagartixa” que funciona da mesma forma que as cerdas nas patas das lagartixas para aplicações em aparelhos escaladores. A equipe descobriu os princípios de física fundamentais por trás da adesividade das lagartixas que permitiu a invenção de uma nano-estrutura adesiva.

A inspiração veio da lagartixa Tokay, uma das lagartixas maiores e mais pesadas.

“O desafio era simplesmente levar os robos a um lugar onde jamais tinham estado, por exemplo, escalando paredes de edifícios”, descreve Cutkosky. “Se os robos puderem escalar superfícies verticais, eles poderão ser usados na inspeção de edifícios, pontes e outros locais de difícil acesso”.

Cutkosky recebeu uma verba de pesquisa no valor de US$ 1 milhão da National Science Foundation, ao longo de quatro anos, para desenvolver o primeiro adesivo “tipo lagartixa” (gecko-like synthetic adhesive = GSA) que funciona de forma igual às verdadeiras cerdas de lagartixas. Autumn recebeu dois financiamentos para a contínua pesquisa sobre a adesividade das lagartixas. A equipe de Cutkosky trabalhou em conjunto com Kellar Autumn e seu laboratório de lagartixas para estabelecer se um adesivo sintético poderia ser empregado em robos.

Photo of a gecko's foot.

O pé de uma lagartixa tem um sofisticado sistema de adesão que emprega forças de van der Waals.
Crédito e imagem ampliada

“A cooperação com o grupo de Mark foi incrivelmente produtiva. Com base nas medições das micro-forças, nós estabelecemos a hipótese de que uma ação conjunta da tensão de cisalhamento e a adesão era a responsável pelo sistema de aderência das lagartixas”, explica Autumn.

A pata de uma lagartixa possui um sistema de aderência sofisticado que emprega as forças de van der Waals, a atração básica entre moléculas. As forças de van der Waals permitem que as lagartixas escalem e se pendurem em uma superfície lisa e vertical com apenas um dedo.

Cutkosky e sua equipe vêm desenhando robos bio-inspirados que usam as forças de van der Waals. Seu projeto mais recente é o “stickybot” (literalmente: “robo-grudento”), um robo que tem suportes semelhantes às patas das lagartixas que lhe permitem escalar paredes e edifícios.

Projeto bio-inspirado em nano-escala

O intrincado trabalho da natureza  ocorre eu uma escala minúscula, abaixo dos limites de nossa visão. Por baixo da superfície da pata de uma lagartixa existe uma hierarquia de três níveis de estruturas. O primeiro nível é composto de lâmelas que são uma série de estruturas que se parecem com flapes em um microscópio. As lâmelas se dividem em estruturas menores, mais finas do que um cabelo humano. Estas, por sua vez, se ramificam em pequenas extremidades chamadas espátulas que têm apenas algumas centenas de nanômetros.

Photo of Sangbae Kim and Mark Cutkosky with the robot stickybot.

Sangbae Kim e Mark Cutkosky desenvolveram um robo, inspirado em lagartixas, chamado “stickybot”.
Crédito e imagem ampliada

“O que acontece, então, é que a lagartixa é capaz de se acomodar a superfícies que vão de dezenas ou centenas de nanômetros até a ordem dos centímetros”, explica Cutkosky. “É algo muito legal, quase de natureza fractal”

As estruturas que compõem os diferentes níveis da hierarquia tem um comportamento similar em várias escalas de comprimento.

A estrutura dos dedos da lagartixa só fica adesiva quando exerce esforço em uma determinada direção e a lagartixa pode controlar a adesão alinhando suas micro-estruturas e as pondo em contato imediato com a superfície. O “stickybot” segue os mesmos princípios de uma lagartixa, porém precisa ajustar a orientação de seus pés enquanto escala, para se assegurar que os dedos estejam sempre exercendo esforço na direção apropriada para a adesão.

Cutkosky e Autumn fizeram estruturas sintéticas que seguem o projeto da pata de uma lagartixa. No presente, eles obtiveram uma hierarquia de duas camadas de polímero com adesão direcional. Não é o suficiente para que o “stickybot” consiga escalar paredes, porém sempre se pode fazer aperfeiçoamentos.

“Tudo se resume em quanta adesão se consegue por unidade de área. A lagartixa pode aguentar facilmente seu próprio peso em um único dedo. Na verdade, dá e sobra. Sem os mais recentes e melhores adesivos, eu acho que o “stickybot” mal pudesse suportar seu peso em um único dedo. Nós não chegamos nem perto de uma lagartixa. Fundamentalmente, isso se resume [à correlação entre] o peso do robo e quantos pascais se pode tirar de seu material”, afirma Cutkosky.

O Pascal é uma medida de força por unidade de área que permite aos pesquisadores, Cutkosky, estabelecer quanta tensão a adesão sintética pode tolerar. Isso ajuda a calibrar como o adesivo será desenvolvido e como ele poderá ser modificado no futuro.

O futuro do “stickybot”

O “stickybot” emprega três princípios principais para escalar superfícies lisas: ajustagem hierárquica para se adequar em níveis dos micrômetros aos centímetros, adesão direcional para se prender e desprender suavemente de uma superfície e controle de força para controlar as forças de atrito nos pés. Apesar do “stickybot” conseguir escalar superfícies verticais e lisas, Cutkosky espera desenvolver um robo capaz de escalar uma ampla gama de superfícies.

Photo of the robot stickybot.

O “stickybot” emprega os mesmos princípios que uma lagartixa, fazendo uso da adesão seca para escalar paredes.
Crédito e imagem ampliada

“Vamos continuar tentando melhorar o adesivo seco em si, mas, independente disso, estamos trabalhando em um novo [modelo de] “stickybot”. Tornar os tornozelos do robo giratórios é, provavelmente, o primeiro passo, mas também queremos melhorar o sensoreamento e o controle. Atualmente, o “stickybot” não tem muitos sensores, de forma que, se ele estiver escalando e ficar em dificuldades, ele não fica sabendo disso e acaba caindo”, disse Cutkosky.

A pesquisa em conjunto de Cutkosky e Autumn mostrou que a ciência de materiais está tentando seguir os passo da natureza.

“A natureza tem a enorme vantagem de poder criar e diferenciar célula por célula. Enquanto isso, quando fabricamos coisas, usamos processos que vão “de cima para baixo” e, assim, cada camada fica difícil e cara para obter”, conclui Cutkosky.

—  por Gwendolyn Morgan


Estresse causa mais estresse


University of Calgary

Mecanismo novo e inesperado identificado: como o cérebro responde ao estresse

O “desligamento” de uma proteina faz com que “os freios falhem” em nossa habilidade natural em responder ao estresse

Calgary, Canadá — O estresse crônico cobra uma taxa física e emocional sobre nosso corpo, e os cientistas estão trabalhando na montagem de um quebra-cabeças para compeender como respondemos ao estresse a nível celular no cérebro. Ser capaz de responder rapidamente e com sucesso ao estresse é algo essencial para a sobrevivência.

Usando um rato como modelo, Jaideep Bains, PhD, um cientista da Universidade de Calgary, e sua equipe de pesquisadores do Hotchkiss Brain Institute descobriram que os neurônios no hipotálamo, o centro de comando no cérebro para resposta ao estresse, interpreta “sinais químicos de ‘desligado’ ” como “sinais químicos de ‘ligado’ ” quando percebe o estresse. “É como se os freios em seu carro passassem a acelerar o veículo, em vez de diminuir a velocidade”, diz Bains. Esta descoberta inesperada foi publicada na edição online de 1 de março de Nature Neuroscience.

Normalmente, os neurônios recebem diferentes sinais químicos que lhes dizem para “ligar” ou “desligar”. O sinal de “desligar”, ou freio, somente funciona se os níveis do íon cloro nas células forem mantidos em um nível baixo. Isto é realizado por uma proteína, conhecida como KCC2. O que Bains e seus colegas demonstraram que o estresse reduz a atividade da KCC2, removendo, assim, a capacidade do “freio”, uma substância química conhecida como GABA, para funcionar adequadamente. Uma perda da capacidade do cérebro em “frear” pode explicar algumas das consequências emocionais danosas do estresse.

Embora a descoberta dê uma nova explicação da mecânica sobre como o cérebro interpreta os sinais de estresse, “ainda é necessário muito trabalho na ciência básica deste fenômeno, antes que ocorram quaisquer novos avanços no tratamento médico do estresse”, prossegue Bains

“Isto abre avenidas inteiramente novas e totalmente inesperadas para o controle das resposta ao estresse”, declara Yves De Koninck, PhD, presidente-eleito da Associação Canadense de Neurociência e professor de psiquiatria na Universidade Laval.

“Eu fiquei fascinado quando soube desse trabalho. Não estava claro, até agora, como a resposta neuro-endócrina ao estresse era ativada por estressantes externos. O trabalho de Bains mostra uma solução complexa, embora elegante, que envolve uma mudança de inibição para excitação”, diz Jane Stewart, PhD, uma neurocientista comportamental da Universidade Concordia. “Esta descoberta pode levar a uma melhor compreensão das mudanças na sensibilidade ao estresse que resulta da exposição crônica”.

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O estudo completo pode ser encontrado (em formato PDF e em inglês) aqui


A “Doce Vida” Extraterrestre

Molécula Doce pode nos levar até a vida extraterrestre

Cientistas detectaram uma molécula de açúcar orgânico que é diretamente ligada à origem da vida, em uma região de nossa Galáxia onde pode haver planetas habitáveis. Esta descoberta, financiada parcialmente pelo Conselho de Instalações de Ciência e Tecnologia do Reino Unido (Science and Technology Facilities Council = STFC), foi publicada ontem, 25 de novembro, no website “Astro-ph”.


 Plateau de Bure Interferometer


Interferômetro do Plateau de Bure
Crédito: Rebus


A equipe internacional de pesquisadores que inclui uma pesquisadora do University College London (UCL), usou o rádio telescópio IRAM na França para detectar a molécula em uma região onde ocorre uma massiva formação de estrelas no espaço, a uns 26.000 anos luz da Terra.

A Dra. Serena Viti, uma dos autores do artigo do University College London, declarou: “Esta é uma importante descoberta, porque é a primeira vez que se detecta um glicoaldeído, um açúcar básico, na direção de uma região de formação de estrelas, onde planetas que podem potencialmente abrigar a vida, podem existir”.

A molécula — glicoaldeído — só foi detectada anteriormente na direção do centro da galáxia, onde as condições são extremas, em comparação ao resto da galáxia. Esta nova descoberta, em uma área longe do centro da galáxia, também sugere que a produção desse ingrediente chave para a vida pode ser comum ao longo da galáxia. Isto é uma boa notícia para nossa busca por vida extraterrestre, na medida em que uma grande abundância de moléculas aumenta as chances delas existirem juntamente com outras moléculas essenciais para a vida e em regiões da galáxia onde podem existir planetas semelhantes à Terra.

A equipe foi capaz de detectar o glicoaldeído usando o telescópio para observar a região, com uma grande resolução angular e em diferentes comprimentos de onda. As observações confirmaram a presença de três linhas de glicoaldeído na direção mais central do núcleo da região.


 Model of the glycolaldehyde molecule


Modelo da molécula de glicoaldeído
Crédito: Rebus


O glicoaldeído, o mais simples dos monossacarídeos, pode reagir com a substância propenal, formando a ribose, um dos componentes principais do Ácido Ribonuclêico (RNA), que se acredita ser a molécula central para a origem da vida.

O Professor Keith Mason, Executivo-Chefe do Conselho de Instalações de Ciência de Tecnologia (STFC), declarou: “A descoberta de uma molécula de açúcar orgânico em uma rgião de formação de estrelas no espaço é muito estimulante e fornecerá informações incrivelmente úteis para nossa busca por vida extraterrestre. Pesquisas como esta, combinadas com a vasta gama de outros projetos astronômicos que envolvem astrônomos do Reino Unido, estão continuamente expandindo nosso conhecimento do universo e mantendo o Reino Unido na vanguarda da astronomia”.

Contatos

  • Julia Short
    STFC Press Office
    Tel: +44 (0)1793 442 012
    Mob: +44 (0)777 027 6721
  • Dr Serena Viti
    Dept of Physics and Astronomy
    University College London
    Tel: +44 (0)20 7679 3435

O artigo será também publicado em Astrophysical Journal Letters.
A equipe internacional de cientistas vem de:

  • Universitat de Barcelona-CSIC, Barcelona
  • INAF-Istituto di Radioastronomia  e INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri in Florence
  • University College London
  • Institute de Radiastronomie Millimétrique, Grenoble

A região de formação de estrelas onde as moléculas de glicoaldeído foram descobertas, é conhecida como G31.41+0.31
Para maiores informações sobre o Institut de RadioAstronomie Millimétrique (IRAM).
Versão online do artigo no Astrophysical Journal.


Copyright: STFC. Traduzido com permissão expressa dos autores.

Bactérias, Movimento Browniano… e a Universidade Brown


Brown University

Como as bactérias nadam? Os físicos da Brown explicam

IMAGEM: físicos da Universidade Brown completaram o estudo mais detalhado de como bactérias como a unicelular  Caulobacter crescentus nada e como seu movimento é influenciado pelo arrasto hidrodiâmico e pelo movimento Browniano.Crédito: Guanglai Li, Brown University
Clique aqui para a imagem ampliada.

PROVIDENCE, Rhode Island. [Universidade Brown] — Imagine-se nadando em uma piscina: o que dita a velocidade e a direção com que você nada é o movimento de seus braços e pernas, não a viscosidade da água.

Para organismos minúsculos, a situação é diferente. A direção e a velocidade do micróbios são mais sujeitos às variações físicas do fluido em torno deles.

“Para as bactérias, nadar em água é como para nós seria nadar em mel” explica Jay Tang, professor associado de física na Universidade Brown, “O arrasto hidrodinâmico é dominante”.

Tang e sua equipe na Brown acabaram de completar o estudo mais detalhado dos padrões de natação de uma bactéria em particular, Caulobacter crescentus. Em um artigo publicado on-line nesta semana em Proceedings of the National Academy of Sciences (edição impressa de 25 de novembro), os pesquisadores demonstram como a movimentação desse micróbio é afetado pelo arrasto e pelo fenômeno do Movimento Browniano. As observações parecem ser igualmente válidas para diversas outras bactérias, diz Tang, e lança novas luzes sobre como esses organismos catam resíduos e como eles se aproximam de superfícies e “grudam” nelas.

A Caulobacter é um organismo unicelular com uma espécie de “cauda”, chamada “flagelo”. Quando ela nada, seu corpo celular redondo gira em uma direção, enquanto a cauda gira na direção oposta. Isto cria um torque, o que ajuda a explicar o movimento não-linear da bactéria através de um fluido. O que Tang e sua equipe descobriram, no entanto, é que a Caulobacter também é influenciada  pelo movimento Browniano, que é o movimento em ziguezague que acontece quando partículas imersas são esbarradas pelas moléculas do meio circundante. Isso significa que, com efeito, a Caulobacter está sendo jogada para lá e para cá pelas moléculas de água circundantes, enquanto nada.

IMAGEM: Esta ilustração mostra como as rotações em sentidos opostos da cabeça e da cauda do micróbio unicelular Caulobacter crescentus cria um arrasto que contribui para determinar a direção de seu deslocamento em um fluido. A outra influência é o movimento Browniano.Crédito: Jay Tang, Brown University

Clique aqui para a imagem ampliada.

Esse efeito conjunto da interação hidrodinâmico e o movimento Browniano rege os padrões circulares da Caulobacter e vários outros microorganismos, descobriram os cientistas.

“Forças aleatórias são tanto mais importantes quanto menor for o objeto”, argumenta Tang, cuja equipe incluiu Guanglai Li, professor (pesquisador) assistente da Brown, e Lick-Kong Tam, um estudante recentemente graduado na Brown que agora estuda engenharia biomédica na Universidade Yale University. “No tamanho da Caulobacter, as forças aleatórias se tornam dominantes”.

Os pesquisadores também descobriram outra “dica” para o padrão de natação: os círculos descritos pela Caulobacter nadando, ficam mais apertados à medida em que a bactéria chega perto de uma superfície limitante, no caso, uma inclinação no vidro. A equipe descobriu que o círculo mais estreito é o resultado de um maior arrasto exercido sobre o micróbio quando ele nada mais perto da superfície. Quando o micróbio está mais longe da superfície, encontra menos arrasto e o círculo que ele descreve fica mais largo, foi o que o grupo aprendeu.

Este efeito de ziguezague ajuda a explicar por que “na maioria das vezes as células não estão tão próximas da superfície como seria de prever”, diz Tang. “O motivo é o movimento Browniano que as joga de um lado para outro”.

Essa descoberta é importante, porque ajuda a explicar as áreas de alimentação para organismos unicelulares. Talvez mais importante ainda, pode ajudar os cientistas a entender como as bactérias finalmente chegam a uma superfície e aderem a ela. As aplicações vão de uma melhor compreensão do fluxo e da adesão de plaquetas na corrente sangüínea, a uma melhor compreensão sobre como os contaminantes são capturados à medida em que percolam o solo.

“Como se depreende, a natação é um mecanismo importante para o processo de adesão”, conclui Tang.

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“Por Dentro da Ciência” do Instituto Americano de Física (18/11/08)

Inside Science News Service
18 de novembro de 2008

O Líder do Grupo

Um novo estudo mostra porque, algumas vezes, é melhor seguir à frente
Por Phillip Schewe
Colaborador do ISNS

Lance Armstrong, o ciclista que venceu o Tour de France seis vezes, freqüentemente chegou em primeiro lugar porque ficou por muito tempo em segundo. Ou seja, ele pedalava regularmente logo atrás de um companheiro de equipe cujo trabalho era vencer a resistência da corrente de ar contrária, tornando mais fácil para Armstrong economizar sua energia para um sprint final. Os stock cars também freqüentemente manobram para se colocar no “vácuo” à frente, reduzindo, assim, o arrasto aerodinâmico. Entretanto, um novo estudo sugere que essa estratégia de ficar atrás do líder pode ser um tiro pela culatra.

Bicicletas e carros são corpos rígidos que projetam uma “sombra” aerodinâmica definida. Mas se o objeto à frente for um corpo tremulante, tal como um peixe coleante, uma bandeira ondulante, ou um pássaro batendo suas asas, aí o fluxo cheio de perturbações estabelecido pelo movimento trêmulo pode aumentar, em lugar de diminuir, o arrasto aerodinamico para quem vem atrás. Não somente o seguidor experimenta um arrasto maior — forçando-o a gastar mais energia para se manter na “cola” — como o líder experimenta um arrasto menor.

Essa hipótese é difícil de testar em animais vivos, tais como pássaros ou peixes, de forma que dois cientistas realizaram uma experiência com pequenas bandeiras tremulantes.  Leif Ristroph da Universidade Cornell e Jun Zhang da Universidade de Nova York usaram duas bandeirolas. Em lugar de um fluxo de ar, eles usaram um filme de sabão fluente que permitia a obtenção de imagens nítidas dos complexos padrões que se estabeleciam quando o fluido passava pelas bandeirolas.

O resultado foi surpreendente. Não só o arrasto sobre a bandeirola seguidora ficava pior com o fluido convoluto, como também o arrasto medido na bandeirola líder ficava reduzido em até 50%, menor do que o arrasto que experimentaria se estivesse só. Isso se deve ao fato da perturbação estabelecida pela bandeirola seguidora diminuir o arrasto experimentado pela líder.

O Dr. Zhang diz que ainda é  muito cedo para confirmar que para certos animais — tais como pássaros migratórios ou cardumes de peixes — ser o líder do bando é melhor porque isso reduz o gasto de energia necessária para vencer o arrasto. Até agora, a experiência só foi realizada com duas e com seis bandeirolas, e Zhang e seus colegas gostariam de estudar suas idéias com animais de verdade. Ele acredita que seus resultados possam ter aplicações industriais, onde reduzir o consumo de energia é quase sempre vantajoso.

O trabalho de Zhang foi publicado em uma edição recente de Physical Review Letters.


Este texto é fornecido para a media pelo Inside Science News Service, que é apoiado pelo Instituto Americano de Física (American Institute of Physics), uma editora sem fins lucrativos de periódicos de ciência. Contatos: Jim Dawson, editor de notícias, em [email protected].


Nota do Tradutor:

Eu já tinha “posto na agulha” uma tradução do press-release publicado no EurekAlert sobre essa experiência, só que o ISNS me passou a perna. Quem quiser, pode consultar: “Following the leader can be a drag, according to student’s research on flapping flags” (que eu mencionei em um comentário aqui mesmo no Lablogs).

Bio-baterias

Via EurekAlert:
National Institute of Standards and Technology (NIST)

Modelos de células de poraquês sugerem possibilidades “eletrizantes”



Anatomia do poraquê: O primeiro detalhe mostra as pilhas de eletrócitos, células ligadas em série (para aumentar a voltagem) e em paralelo (para aumentar a corrente).O segundo detalhe mostra uma célula individual com canais e “bombas” percolando a membrana. O modelo Yale/NIST representa o comportamento de várias dessas células. O último detalhe mostra um canal de íons uma das peças de montagem do modelo. (Crédito da ilustração: Daniel Zukowski, Yale University)


Os engenheiros sabem há muito tempo que grandes idéias podem ser tiradas de Mamãe Natureza, mas um novo artigo* preparado por pesquisadores da Universidade Yale e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of Standards and Technology = NIST) levam a coisa ao nível celular. Com a aplicação de modernas ferramentas de projeto a uma das unidades básicas da vida, eles argumentam que podem ser produzidas células artificiais que não só reproduzem, como de fato melhoram o desempenho das células elétricas dos poraquês. Versões artificiais das células que geram a eletricidade no poraquê podem ser desenvolvidas para se tornarem fontes de energia para implantes médicos e outros dispositivos pequenos, é o que eles dizem.
O artigo, de acordo com o engenheiro do NIST David LaVan, é um exemplo do relativamente novo campo da biologia de sistemas. “Será que entendemos como uma célula produz eletricidade bem o suficiente para projetar uma — e aperfeiçoar o projeto?”, pergunta ele.
Os poraquês canalizam a energia gerada por milhares de células especializadas, chamadas eletrócitos, até gerar potenciais elétricos da ordem de 600 Volts, de acordo com os biólogos. O mecanismo é similar ao das células dos nervos. A chegada de um sinal químico dispara a abertura de canais altamente seletivos na membrana de um célula, fazendo com que íons de sódio fluam para dentro e íons de potássio fluam para fora. A troca de íons aumenta a voltagem ao longo da membrana, o que causa a abertura de mais canais ainda. A partir de um certo ponto, o processo passa a ser auto-alimentado, resultando em um pulso elétrico que atravessa a célula. Os canais então se fecham e passagens alternativas se abrem para “bombear” os íons de volta a suas concentrações iniciais, durante o estado de “repouso”.
No total, de acordo com LaVan, existem ao menos sete diferentes tipos de canais, cada um com várias possíveis variáveis para manipular, tais como sua densidade na membrana. Células de nervos, que transportam informação em lugar de energia, podem disparar rapidamente mas com uma energia relativamente pequena. Os electrócitos têm um ciclo mais lento, mas liberam mais energia por períodos maiores. LaVan e seu companheiro Jian Xu desenvolveram um complexo modelo numérico para representar a conversão da concentração de íons em impulsos elétricos e o testaram comparando com dados anteriormente publicados sobre eletrócitos e células de nervos para verificar sua precisão. A partir disso, consideraram como otimizar o sistema para maximizar a vazão de energia, através da modificação geral dos tipos de canais.
Seus cálculos mostram que são possíveis melhoramentos substanciais. Um projeto de célula artificial pode gerar mais do que 40% de energia a mais, em um único pulso, do que um eletrócito natural. Outro, poderia produzir valores de pico mais do que 28% maiores. Em princípio, dizem os autores, camadas empilhadas de células artificiais em um cubo ligeiramente maior do que 4 mm de aresta são capazes de produzir um fluxo de corrente contínuo de cerca de 300 microWatts para ativar pequenos dispositivos implantados. As fabricações dos componentes individuais de tais células artificiais — inclusive um par de membranas artificiais separados por uma camada isolante e canais de íons, que podem ser criados pela engenharia sobre proteínas  — já foram demonstrados por outros pesquisadores. Tal como em sua contraparte natural, a fonte de energia para as células seria do trifosfato de adenosina (ATP), sintetizado a partir dos açúcares e gorduras do corpo, com o uso de bactérias ou mitocôndrias específicas.

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* J. Xu e D.A. LaVan. “Designing artificial cells to harness the biological ion concentration gradient”. Nature Nanotechnology, publicado online em 21 de setembro de 2008.

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