Aula 1 Biofísica

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Estética
Aula 1 breve história da BiofísicaAula 1: Breve história da Biofísica
Apresentação
A história da Biofísica é marcada por importantes contribuições advindas de pesquisadores e pensadores de todos os tempos, até mesmo da Antiguidade.
Foi somente a partir do século XVIII, entretanto, com a difusão e a valorização do método científico, que a Biofísica recebeu as maiores contribuições para sua consolidação como ciência.
Vamos conhecer algumas delas!
Objetivo
· Reconhecer os principais pesquisadores e suas contribuições científicas para o estabelecimento e desenvolvimento da Biofísica;
· Explicar a importância da Biofísica como ciência interdisciplinar, com potencial para aplicações práticas nas questões da saúde, meio ambiente e biotecnologia.
Luigi Galvani
Nascido em Bolonha (Itália), em 1737, Luigi Galvani formou-se em Medicina, aos 22 anos, na Universidade de Bolonha onde, posteriormente, dedicou-se aos estudos sobre a interação e os efeitos da eletricidade em animais.
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Luigi Galvani e as rãs eletrificadas (1737 - 1798)
Acidentalmente, em 1786, Galvani deixou a parte inferior do corpo de uma rã dissecada, ainda com sangue e outros fluidos, sobre a mesa do laboratório ao lado de um gerador eletrostático (Figura 1).
Ao tocar os nervos da rã com um bisturi, as pernas do animal rapidamente se contraíram. Galvani atribuiu a contração muscular ao estímulo pelo gerador eletrostático, mas não ao uso do bisturi ou aos fluidos corporais.
Ao tocar os nervos da rã com um bisturi, as pernas do animal rapidamente se contraíram. Galvani atribuiu a contração muscular ao estímulo pelo gerador eletrostático, mas não ao uso do bisturi ou aos fluidos corporais.
Àquela época, relatos de espasmos musculares na presença de relâmpagos e eletricidade eram registrados, mas pouco estudados. Acreditava-se que, na presença de eletricidade, um fluido elétrico diferente do fluido corporal percorria o corpo do encéfalo, através da medula espinhal, até os músculos, provocando contrações.
 Figura 1: Laboratório de Galvani
Motivado pela sua observação Galvani decidiu testar a existência de um fluido elétrico realizando vários experimentos (BEAR, M. F.; CONNORS, B. W.; PARADISO, M. A., 2002).
Um dos seus experimentos consistiu no seguinte:
• Utilizou a parte inferior do corpo da rã preso a alças metálicas compostas por zinco (Zn) e cobre (Cu);
• A alça de cobre presa ao músculo de uma das pernas;
• A alça de zinco presa ao nervo lombar;
• Com uma das mãos, Galvani sustentava a ponta de cada uma das alças, formando um carco metálico (Figura 2);
• Ao fechar o arco, tocando as pontas das alças, ocorria a contração muscular nas rãs.
Galvani atribuiu o fenômeno a uma eletricidade natural da rã, e, equivocadamente, comprovou a existência do fluido elétrico. A explicação para o equívoco de Galvani foi posteriormente apresentada por Alessandro Volta.
 Figura 2: Representação do experimento de Galvani
Alessandro Volta
Alessandro Volta, nascido em 18 de fevereiro de 1745, no Ducado de Milão, Itália, foi professor de física na Escola Real e pesquisador com persistente dedicação à compreensão do fenômeno da eletricidade.
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Alessandro Volta (1745 – 1827) e a pilha voltaica
Segundo explicações de Volta, Galvani produziu uma corrente elétrica  através dos átomos de cobre e zinco das alças metálicas, sem a necessidade de usar um animal dissecado, pois a corrente elétrica forma-se quando dois metais de naturezas distintas são colocados em contato ou usam um condutor, que, nesse caso, era o fluido corporal animal.
A corrente elétrica gerada apresentava carga elétrica oposta ao corpo animal, exercendo atração e provocando contorções nos seus membros (Figura 3).
Volta explicou que se fosse utilizado o mesmo metal, em vez de dois diferentes, a contração não ocorreria.
O princípio da atração e repulsão de cargas afirma que cargas de mesmos sinais se repelem e cargas de sinais opostos se atraem.
Para demonstrar esse fenômeno, Volta fez uma analogia entre o fenômeno observado e o funcionamento de uma pilha de metais.
Em 1800, Volta comprovou sua teoria construindo a primeira pilha elétrica formada por discos intercalados de zinco, prata e papelão umedecido em salmoura, que seriam ligados a um fio condutor. Quando ligada ao fio, a pilha elétrica gerava uma corrente elétrica.
Uma pilha é um dispositivo que transforma energia química contida nos átomos de metais em energia elétrica.
 Figura 3: Ilustração do fluxo de corrente elétrica criada pelo contato entre dois metais, cobre e zinco, durante o experimento de Galvani
Motivado pela sua observação Galvani decidiu testar a existência de um fluido elétrico realizando vários experimentos (BEAR, M. F.; CONNORS, B. W.; PARADISO, M. A., 2002).
Um dos seus experimentos consistiu no seguinte:
• Utilizou a parte inferior do corpo da rã preso a alças metálicas compostas por zinco (Zn) e cobre (Cu);
• A alça de cobre presa ao músculo de uma das pernas;
• A alça de zinco presa ao nervo lombar;
• Com uma das mãos, Galvani sustentava a ponta de cada uma das alças, formando um carco metálico (Figura 2);
• Ao fechar o arco, tocando as pontas das alças, ocorria a contração muscular nas rãs.
Galvani atribuiu o fenômeno a uma eletricidade natural da rã, e, equivocadamente, comprovou a existência do fluido elétrico. A explicação para o equívoco de Galvani foi posteriormente apresentada por Alessandro Volta.
 Figura 2: Representação do experimento de Galvani
Curiosidades sobre a eletricidade no século XIX
George Forster: o Frankstein da vida real
“Em 1803, quinze anos antes do lançamento de Frankenstein, George Forster, um jovem inglês, foi condenado à forca por cometer assassinato em uma prisão em Londres. Depois da execução, seu corpo seria levado para uma dissecação pública na Royal College of Surgeons, uma tradicional faculdade de medicina na Inglaterra.”
Entretanto, em vez de dissecado, seu cadáver foi eletrificado por Giordani Aldini, sobrinho de Galvani. Durante a eletrificação, o cadáver de Foster movimentava os músculos, mandíbulas, abria a boca e até abriu um dos olhos.
O jornal inglês The Times cobriu e publicou todos os fatos ocorridos durante a eletrificação do corpo, experimento que chocou muitas pessoas, influenciou trabalhos científicos e até literários.
Mary Shelley e seu Frankenstein: a primeira obra de ficção científica
“Lançado em 1818, o romance Frankenstein foi escrito pela britânica Mary Shelley, que, na época, tinha apenas 19 anos”. O livro foi inspirado nos experimentos que envolviam a aplicação de choques elétricos em corpos humanos dissecados, incluindo o experimento de Aldani em George Foster. É considerada a primeira obra do gênero literário ficção científica.
“Exatos 200 anos depois do seu lançamento, a história do monstro criado pelo cientista Victor Frankenstein virou um verdadeiro símbolo da cultura pop, ganhando filmes inspirados no livro e aparecendo em outras produções associadas ao terror e ao Halloween”.
BATTAGLIA (2018)
Julius Robert von Mayer
Mayer nasceu em Heilbronn (Alemanha), em 1814, foi médico e físico formado pela University of Tübingen, Alemanha.
Em seus estudos, manifestou enorme interesse na compreensão dos fenômenos fisiológicos no corpo humano e nas plantas, pelas leis da física.
Nos primeiros anos de atuação como médico, Mayer trabalhou em viagens intercontinentais, muitas vezes realizando a sangria em seus pacientes europeus.
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Julius Robert von Mayer e a conservação de energia no corpo humano (1814-1878)
Em uma viagem para a ilha de Java, Mayer observou que a cor do sangue arterial e venoso apresentavam aspecto vermelho-vivo em clima tropical, ao contrário do que ocorria em clima frio, na Europa, em que a cor do sangue arterial é vermelho-vivo e do sangue venoso vermelho-escuro (MARTINS, 1984).
Mayer, então, remeteuao princípio defendido por Lavoisier, da Lei de Conservação das massas para explicar esse fenômeno.
Você já ouviu a frase “na natureza, nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”? Trata-se da Lei de Conservação das massas, defendida por Lavoisier.
Segundo Lavoisier, o oxigênio em maior quantidade no sangue arterial é usado na queima de matéria orgânica para gerar calor, gás carbônico e outros produtos, que são levados pelo sangue venoso até os pulmões. Hoje em dia, esse fenômeno é chamado de respiração celular.
A presença de oxigênio no sangue arterial confere a cor vermelho-vivo ao sangue arterial enquanto que a cor mais escura do sangue venoso se deve ao gás carbônico e aos produtos da queima da matéria orgânica.
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Mayer defendeu a transformação da energia química contida no alimento em energia térmica na forma de calor e introduziu a ideia de diferentes formas de energia conversíveis: química, térmica, elétrica, mecânica, gravitacional. O calor não é criado, nem o alimento destruído. São apenas diferentes formas de energia.
Desse modo, Mayer propôs que, assim como as massas, as energias são conservadas, mas se transformam. Essa passou a ser conhecida como Lei de conservação da energia, a Primeira Lei da termodinâmica:
“A energia não pode ser criada ou destruída, mas transformada”.
Herman von Helmholtz
Helmoltz, médico e físico alemão, contribuiu para estabelecimento da Lei da conservação da energia, assim como James Prescott Joule e Julius Robert Mayer, e criou a Teoria da Panspermia cósmica junto com William Thomson, segundo a qual as moléculas da vida provêm de materiais transportados do espaço.
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Herman von Helmholtz (1821 – 1894) e a percepção do som e das cores
Além de suas muitas contribuições para a ciência, Helmholtz  deixou um dos seus maiores legados: a descoberta dos mecanismos físicos da percepção humana da audição e visão.
Obviamente, a existência de ondas eletromagnéticas e mecânicas, envolvidas na visão e audição, respecivamente, já havia sido descoberta quando Helmoltz fez sua pesquisa.
Helmoltz foi o primeiro a sugerir que o fenômeno da audição partia da cóclea, órgão interno do ouvido, também chamado de caracol (Figura 4). Helmoholtz defendia que a cóclea continha elementos com vibração ressonantes individuais, isto é, estruturas distribuídas de forma organizada que eram específicos para cada frequência de onda do som, que o recebiam e o amplificavam para dentro do cérebro.
Posteriormente, Georg von Békésy, fisiologista húngaro-americano, comprovou que a vibração não era uma ressonância de componentes mecânicos individuais, mas de regiões mecanicamente associadas.
Para a compreensão do fenômeno da visão, Helmholtz e Thomas Young trabalharam de forma independente para descobrir a Teoria Tricromática da visão, atualmente chamada de Teoria Tricromática de Young-Helmholtz.
Em 1801, Thomas Young (1773-1829), físico e médico britânico, constatou que nossa retina seria composta de células receptoras — os cones, que são sensíveis às ondas de luz nas cores vermelha, verde e violeta.
Já Helmholtz sugeriu que uma das células seria sensível à onda de luz azul, em vez de violeta, e que a combinação das três cores primárias, vermelho (R); verde (G) e azul-violeta (B), ou RGB, forma toda a paleta de cores que somos capazes de ver. Assim foi constituída a Teoria Tricromática da visão.
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De onde vêm as cores?
Um dos primeiros estudos sobre a percepção das cores foi feito por Isaac Newton, no século XVIII. Newton fez incidir a luz do sol sobre um prisma e observou que ela se decompunha em um arco-íris de cores, que ia do azul ao vermelho. Ele foi capaz de combinar cores para formar outras cores distintas, concluindo que eram necessárias sete cores para representar todas as cores visíveis. Por volta de 1860, James Clerk Maxwell propôs, então, que a luz seria uma onda ou radiação eletromagnética.
Wilhelm Conrad Röentgen
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Wilhelm Conrad Röentgen, físico alemão nascido em Munique, em 1845, descobriu um tipo de radiação que acreditava não ter relação com a luz, assim a chamou de radiação X, ou raios X, para designar o desconhecido.
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Svante Arrhenius
Svante Arrhenius, nascido em 19 de fevereiro de 1859, foi um químico sueco, que atuou em vários campos da ciência.
Propôs a Teoria da dissociação eletrolítica para explicar de que modo soluções aquosas poderiam conduzir corrente elétrica, o que lhe rendeu um Prêmio Nobel, em 1903.
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Svante Arrhenius (1859 – 1927) os gases e o clima global
Segundo a Teoria de Arrhenius, as soluções aquosas podem apresentar-se de duas formas quanto à condução de eletricidade: soluções iônica ou eletrolíticas e soluções moleculares ou não eletrolíticas.
Soluções eletrolíticas
As substâncias se dissociam em água até chegar a partículas menores, como os íons (átomos ou grupos de átomos de elementos químicos com carga elétrica positiva – cátion, ou negativa — ânion) que fecham o circuito elétrico conduzindo a corrente elétrica.
Exemplo: Sal de cozinha (NaCl) em água.
O cloreto de sódio (NaCl) dissolvido em água dissocia-se em íons Na+ e Cl-, tornando a solução condutora de eletricidade.
NaCl (aq) --> Na+ + Cl-
Além dos sais, outros exemplos são os ácidos e bases fortes, principalmente, que liberam íons H+.
Soluções não eletrolíticas
Aquelas que não são condutoras, pois a dissociação das substâncias é interrompida até no nível de molécula e não libera íons.
Exemplos: Soluções de proteínas e carboidratos.
Além disso, Arrhenius demonstrou a dependência entre a velocidade das reações químicas em soluções gasosas e a temperatura.
Mais tarde, em 1896, Arrhenius calculou que a temperatura da Terra aumentaria 5ºC com o dobro de gás carbônico (CO2) liberado na atmosfera. Arrhenius já observara a elevação da temperatura global àquela época, e sugeriu que tal fenômeno ocorria por causa da emissão de CO2 para a atmosfera, em decorrência das atividades humanas. Foi, portanto, o primeiro a reconhecer o CO2 como gás de efeito estufa.
Aproximadamente cem anos antes, Jean-Baptiste Fourier, matemático e físico francês, já havia sugerido a contribuição da atmosfera na regulação da temperatura do planeta e, se não fosse a presença do CO2 na atmosfera, a Terra seria muito mais fria (Figura 7):
 Figura 7: Linha do tempo dos estudos sobre o clima, incluindo os de Fourier e Arrhenius
Apenas em 1957, os pesquisadores Roger Revelle e Hans Suess apresentaram, em um artigo, evidências do comportamento CO2 emitido pelas atividades antrópicas e demonstraram que os oceanos não poderiam absorver, como se pensava à época, todo o gás carbônico produzido. 
Carlos Chagas Filho
Na história da ciência, o Brasil também foi berço de cientistas de notável renome, como Carlos Chagas Filho, filho de Carlos Justiniano Ribeiro Chagas.
Carlos Chagas Filho nasceu no Rio de Janeiro, em 12 de setembro de 1910, ingressou na Faculdade Nacional de Medicina, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, em 1926, e se formou em 1931. Seis anos depois, retornou por concurso à mesma Faculdade, como livre-docente na cátedra de Física biológica.
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Carlos Chagas Filho (1910 - 2000) e o reconhecimento da Biofísica no Brasil
O cientista reportou que sua experiência em Manguinhos, entre sua formação e seu concurso, foi determinante para compreender que a pesquisa é necessária, pois ensina.
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“Foi entre 1932 e 1937, período em que, num vai e vem quotidiano, vivi entre o então chamado Pavilhão da Quinina no Instituto Oswaldo Cruz e as salas de aula da Praia Vermelha, que se arraigou no meu espírito o conceito de que a universidade é uma instituição de pesquisa, e porque pesquisa, ensina”.
- CHAGAS FILHO, 1956, p. 71-87
Àquela época, a Física já havia atingido a maturidadede formulação das leis para explicar os fenômenos da natureza, o que incluía os processos da Química e da Biologia.
Durante os anos de 1941 e 1942, o pesquisador foi supervisor do Serviço Especial de Grandes Endemias do Instituto Oswaldo Cruz. Em 1945, criou o primeiro Instituto de Biofísica do Brasil na Universidade do Brasil, atualmente Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
Conclusão
A história da Biofísica não se restringe ao que vimos nesta aula, mas o que estudamos já nos leva a perceber que essa ciência abrange uma multiplicidade de aplicações, o que caracteriza a maior parte dos campos de atuação das ciências biológicas.
Nas próximas aulas, veremos mais detalhadamente as explicações para os fenômenos apresentados nesse breve histórico da Biofísica.
 Atividade
1. Luigi Galvani, cientista italiano, é reconhecido no mundo pelos seus experimentos com rãs dissecadas suspensas por alças metálicas de zinco e cobre, e expostas à descarga elétrica.
Marque, entre as opções a seguir, aquela que não condiz com as conclusões de Galvani a partir dos experimentos:
a) Metais semelhantes, mesma composição química, não geram corrente elétrica quando ligados a um fio condutor.
b) Existe um fluido elétrico animal capaz de provocar contorções musculares mesmo após a morte.
c) O contato entre dois metais distintos e a solução iônica da rã forma uma corrente elétrica.
d) Ocorre a transmissão de um fluido elétrico da medula espinhal para os músculos de uma rã dissecada face às descargas elétricas.
e) N.R.A.
Gabarito comentado
Infelizmente, você errou!
Resposta correta: letra c.
Galvani constatou, equivocadamente, a partir dos seus experimentos, que existia um fluido elétrico animal, e que esse era proveniente da medula espinhal, sendo transmitido aos músculos quando a rã era exposta à descarga elétrica. As opções a, b e d estão de acordo com as conclusões de Galvani. Aquela que contradiz suas constatações é a letra c, que se refere à conclusão de Alessandro Volta sobre os resultados de Galvani.
2. Svante Arrhenius em seus estudos sobre a relação entre a composição e quantidade de gases atmosféricos e o aquecimento global concluiu que:
a) O aumento da concentração de gás carbônico na atmosfera é responsável pelo resfriamento da Terra.
b) O aumento acelerado do gás carbônico na atmosfera deve-se a causas naturais, não sendo de natureza antrópica.
c) O aumento da concentração de gás carbônico na atmosfera é responsável pelo aquecimento da Terra.
d) O aumento acelerado do gás carbônico na atmosfera deve-se a causas artificiais, de natureza antrópica.
e) O aumento da concentração de gás carbônico na atmosfera não interfere na variação da temperatura no Planeta.
Gabarito comentado
Parabéns! Você acertou!
Resposta correta: letra c.
Arrhenius concluiu que a elevação de gás carbônico na atmosfera aumentaria a temperatura global do clima. Segundo ele, o aumento da concentração de gás carbônico em dobro poderia provocar a elevação da temperatura global em 5º C
3. O físico alemão Wilhelm C. Röentgen descobriu os raios X, nomeados assim para designar o desconhecimento de suas propriedades. A primeira radiografia revelou a estrutura óssea da mão de sua esposa. Assim, Röentgen constatou que:
a) Os raios X funcionam como uma fotografia da superfície do corpo.
b) O tubo catódico emitia radiação que atravessava objetos e corpos e interagia com certas estruturas revelando sua forma.
c) O tubo catódico emitia ondas eletromagnéticas e mecânicas que atravessava objetos.
d) Os raios X apenas eram emitidos na presença de placas de platinocianeto de bário.
e) Todas as opções anteriores estão corretas.
Gabarito comentado
Infelizmente, você errou!
Resposta correta: letra b.
Röentgen constatou que o tubo catódico emitia radiação, de propriedades ainda desconhecidas, que atravessava barreiras e interagia com determinadas estruturas, de modo a revelar sua forma.
4. Alexandre Volta, o inventor da pilha elétrica, refutou a conclusão de Luigi Galvani sobre o surgimento de uma corrente elétrica a partir de um fluido elétrico animal em seu experimento com rãs recentemente mortas e dissecadas.
Os argumentos que Volta utilizou para provar que Galvani estava equivocado foram os seguintes, exceto:
a) O surgimento de uma corrente elétrica deveu-se ao circuito formado pelas duas alças de metal de natureza distinta e à solução iônica da rã.
b) Se os metais utilizados fossem os mesmos, a corrente elétrica não teria sido formada.
c) O experimento não dispensava a utilização de animais porque a formação do fluido elétrico é dependente de uma solução salina como a salmoura
d) As contorções do músculo da rã ocorreram por causa da formação de carga elétrica entre as alças de metal opostas ao corpo do animal funcionando como de atração das pernas da rã para cima.
e) N.R.A.
Gabarito comentado
Infelizmente, você errou!
Resposta correta: letra c.
Segundo Volta, o experimento dispensava o uso de animais, ao contrário do que diz a assertiva. Além disso, ocorre a formação de corrente elétrica, e não de fluido elétrico como descreve a questão. Ainda, a formação de uma corrente elétrica não é dependente de solução salina, mas apenas da presença de metais de natureza distinta ligados em um circuito.