A Primavera chega hoje!

O Google comemora hoje o equinócio da Primavera no Hemisfério Norte, com um logo desenhado por Marimekko.

Feliz dia do pai!

Um dia feliz para todos os papás do Mundo!

Conhece o teu inimigo!

Um estudo publicado pela revista Science revela a forma de actuação das sulfamidas (também conhecidas como sulfonamidas) como antibióticos. O estudo revela a forma como estes medicamentos actuam sobre as bactérias. O estudo também apresenta propostas para o desenvolvimento de novos medicamentos, capazes de ultrapassar as resistências que as bactérias desenvolvem às sulfamida.

As sulfamidas foram o primeiro grupo de antibióticos produzido em série, na década de 1930. Actuam sobre as bactérias atacando a enzima dihidropteroato sintase, que como o nome indica catalisa a (facilita a reacção de) formação de dihidropteroato, precursor de folato. O folato é um precursor de componentes do DNA e das proteínas, e é necessário para a reprodução das bactérias (patogénicas ou não). As sulfamidas actuam “imitando” uma das moléculas que participa na reacção catalisada pela DHPS. A figura em baixo representa a enzima DHPS e (a verde) as moléculas que participam na reacção catalizada pela enzima, p-ABA e pterina (Crédito: Swarbrick/ Simpson/Scammells/ Monash University).

Os mamíferos, entre eles os humanos, não conseguem produzir folato. As nossas necessidades de folato são satisfeitas pela dieta e pela flora intestinal (bactérias e outros microrganismos que vivem no nosso intestino). Por isso não somos afectados pelas sulfaminas. Mas sem capacidade de produzir DNA e proteínas, as bactérias sobre o “efeito” das sulfamidas não se conseguem reproduzir e acabam por desaparecer. Infelizmente as bactérias ganham resistência à actuação das sulfamidas com alguma facilidade. A resistência das bactérias é provocada por mutações na enzima DHPS que “dificultam” a ligação das sulfamidas.

Os autores do estudo publicado pela Science estudaram a fundo a DHPS de duas bactérias a Bacillus anthracis (bactéria gram-positiva que causa o antraz) e a Yersinia pestis (bactéria gram-negativa que causa a peste). A análise da enzima foi feita recorrendo à técnica de cristalografia de raio X. Esta técnica permite determinar a estrutura (forma e organização) de biomoléculas como as enzimas. Na figura em baixo é possível ver duas fotografias de culturas de bactérias de Bacillus anthracis (à esquerda) e Yersinia pestis (à direita) [Crédito: CDC/Laura Rose/Janice Haney Carr (esqueda) e CDC/ Larry Stauffer/Oregon State Public Health Laboratory (direita)]

O estudo permitiu explicar o mecanismo de acção da enzima, a actuação das sulfamidas como inibidoras da actuação da enzima e as mutações que tornam a enzima insensível à acção das sulfamidas. A DHPS é uma enzima que catalisa a reacção entre duas moléculas, o ácido para-aminobenzoico (p-ABA) e o dihidropteridina-hidroximetil-pirofosfato (DHPP). A figura em baixo representa os substractos e os produtos da reacção catalisada pela enzima DHPS ((Crédito: Swarbrick/ Simpson/Scammells/ Monash University).

O DHPP liga-se primeiro a uma “bolsa” fixa da enzima e o p-ABA liga-se a uma bolsa que se mantem apenas temporariamente. Os autores do artigo conseguiram ainda comprovar que o mecanismo que permite a formação do dihidropteroato, o produto da reacção catalisada pela DHPS é um mecanismo de substituição nucleótida do tipo SN1.

A bolsa onde se liga o p-ABA é formada a partir de dois loops da enzima. É a esta bolsa que se ligam as sulfamidas, que actuam como inibidores, bloqueando a actuação da enzima. A figura seguinte mostra as representações das moléculas de p-ABA e da sulfamida, que apresentam uma representação a 2D semelhante (Crédito: Swarbrick/ Simpson/Scammells/ Monash University).

 

Os autores do estudo determinaram que a enzima DHPS de estirpes de bactérias resistentes à acção das sulfamidas tem mutações nos locais em volta da ligação da p-ABA, onde o antibiótico também se liga. Estas mutações dificultam (ou até impedem) a ligação do antibiótico mas quase não alteram a ligação do p-ABA.

No entanto, na DHPS, a zona dos loops que formam a bolsa de ligação do p-ABA está conservada, ou seja, não são conhecidas enzimas como mutações nessa zona. Muito provavelmente isto acontece porque qualquer mutação nos loops inactiva a enzima. Esta informação é muito importante, porque permite a criação de novos antibióticos que actuem sobre a DHPS ligando-se aos loops. Como a zona dos loops é conservada vai ser mais difícil o aparecimento de estirpes de bactérias resistentes a antibióticos que actuem nessa zona.

Uma lição do passado longínquo

Um novo artigo publicado pela revista Science no primeiro número de Março indicia que a acidificação, consequência do aumento de dióxido de carbono na atmosfera, poderá ter graves consequências para a vida nos Oceanos da Terra. O estudo analisa quatro períodos de extinções em massa que aconteceram nos últimos 300 milhões de anos que se pensa ter sido provocado pela acidificação dos oceanos. E os resultados não são animadores!

Nem todo o dióxido de carbono libertado na queima de combustíveis se mantém na atmosfera. Pelo menos um quarto do dióxido de carbono é “absorvido” pelos (dissolvido nos) oceanos, que funciona como um espécie de reserva. A distribuição do dióxido de carbono entre os oceanos e a atmosfera terrestre mantêm um equilíbrio precário como uma consequência muito importante, a variação do pH da água dos oceanos.

O dióxido dissolvido nos oceanos reage com a água. Nesta reacção são libertados iões de H+, o que provoca a diminuição do pH, ou seja, a acidificação dos oceanos. Para contrariar o excesso de iões H+, estes reagem com os iões de carbonato presentes na água, como mostra a figura seguinte (Crédito: NOAA).

Mas a maior fonte de iões carbonato no oceano é o carbonato de cálcio, o maior constituinte de conchas e esqueletos de animais marinhos como os moluscos, crustáceos e corais. É responsável pela sua dureza. A falta de carbonato de cálcio provoca a diminuição do número destes animais. E como estes animais servem de alimento a outros (são a base da pirâmide alimentar), uma diminuição brusca e extensa pode provocar a perda de biodiversidade em ecossistemas marinhos e até a extinção de muitas espécies de animais.

Os investigadores concluíram que a acidificação dos oceanos, causada por um aumento repentino de dióxido de carbono na atmosfera, foi responsável, pelo menos em parte, pela extinção em massa em três dos períodos de extinções em massa avaliados no artigo da Science. As extinções do final do Permiano, acerca de 252 milhões de anos e do final do Triássico, acerca de 201 milhões de anos foram provocadas por grandes erupções vulcânicas. A extinção causada pelo Máximo Térmico do Paleoceno-Eoceno, aconteceu acerca de 55 milhões de anos e foi provocada por um aumento “súbito” do nível de metano na atmosfera de origem ainda não totalmente conhecida.

Segundo os autores do artigo da Science, o caso mais grave (e comprovado) de acidificação dos oceanos ocorreu durante o Máximo Térmico do Paleoceno-Eoceno, quando a duplicação da quantidade de dióxido de carbono na atmosfera provocou um aumento médio da temperatura terrestre de 5 a 6 ºC em apenas 5 000 anos. O dióxido de carbono dissolvido nos oceanos nessa época provocou uma diminuição de pH de 0,45.

Desde meados do século XIX, quando a utilização industrial de combustíveis se foi generalizando, a quantidade de dióxido na atmosfera aumentou 30%, de 280 ppm (partes por milhão) para 393 ppm. Nos oceanos este aumento correspondeu a uma acidificação da água também de 30% e o pH dos oceanos desceu 0,1. Prevê-se que em 2100 o pH dos oceanos será de 7,8, ou seja 0,3 mais baixo que actualmente. Esta descida corresponde a uma acidificação de 150% o valor mais ácido dos oceanos nos últimos 20 milhões de anos.

Embora a descida de pH dos oceanos actual seja menor do que a que ocorreu durante o Máximo Térmico do Paleoceno-Eoceno, ela acontece num período de menos de 300 anos, muito menor do que aconteceu há 56 milhões de anos atrás (uma descida de pH de 0,45 em 5 000 anos).

A figura seguinte mostra o que acontece à concha de uma borboleta marinha da espécie Limacina helicina quando é colocada em água com um pH de 7,8 (valor de pH previsto para a água dos oceanos em 2100). As borboletas marinhas (assim chamadas porque têm duas “asas” que utilizam para se mover na água) são pequenos moluscos do tamanho de uma ervilha. Este tipo molusco é um elemento muito importante da cadeia alimentar, servindo de alimento a animais tão diversos como o krill e baleias. São também a maior fonte de alimento dos salmões jovens do Pacífico norte (Crédito: Russ Hopcroft/UAF e National Geographic Images).

À esquerda é possível ver uma fotografia de um L. helicina saudável. As quatro figuras seguintes relatam o que acontece a uma concha de L. helicina quando colocada em água com os níveis de pH e de ião carbonato previstos para 2100. A medida que o tempo passa as características da concha vão-se alterando até que, ao fim de 45 dias, a concha está seriamente deformada. Seria impossível para o molusco viver naquela concha.


Notas:
(1) Este texto explica melhor a forma como a dissolução de dióxido de carbono provoca a acidificação dos oceanos.

(2) Os autores do artigo da Science concluíram que no final do Permiano as erupções vulcânicas provocaram o aumento da quantidade de dióxido de carbono na atmosfera e a extinção de 96% das espécies marinhas da época. Mas não foi possível determinar a variação do pH e de iões carbonato nos oceanos nesse período. No final do Triássico as erupções vulcânicas provocaram a duplicação da quantidade de dióxido de carbono na atmosfera, provocando o colapso das populações de corais e o desaparecimento de muitas espécies de animais marinhos. No entanto os autores do artigo não conseguiram provar qual o maior culpado pelo desaparecimento dos corais, a diminuição do pH ou o aquecimento global sofrido nessa altura.

Pirâmides de papel voando como insectos

Um estudo publicado em Fevereiro pela revista Physical Review Letters demonstra que, contrariando o senso comum, um objecto plana melhor se o seu centro de massa (ponto do objecto onde se pode considerar “concentrada” toda a sua massa) se situar mais para cima possível e não se a sua massa não estiver distribuída de forma uniforme pelo objecto.

O estudo realizado por investigadores da Universidade de Nova Iorque, é o último de uma série, que tenta determinar a melhor forma de fazer algo que os insectos fazem à milhares de anos: planar no ar sem sair do lugar. O objectivo final é descobrir as regras a seguir para se poder construir um aparelho ou um robot voador capaz de planar como um insecto.

Os investigadores utilizam como “objecto” de estudo uma pirâmide oca de papel com no máximo 0,5 g de massa e entre 1 e 5 centímetros de altura. A pirâmide é sustentada utilizando tubos de fibra de carbono e não tem forro na base, como se pode ver pela figura seguinte. Os autores chamaram a estas pirâmides “bugs” (insecto, em inglês) (Crédito: Weathers Folie, Liu, Childress, Zhang (2010)).

O estudo baseia-se na análise de filmes das pirâmides em “pleno voo”, como o que está representado na figura em baixo. As fotografias da figura são frames retiradas de um filme utilizado para um estudo publicado em 2010, em que as pirâmides têm a massa distribuída de forma mais uniforme (Crédito: Weathers Folie, Liu, Childress, Zhang (2010)).

A escolha de pirâmides como “insectos” foi feita depois de alguns dos autores terem feito testes com outras estruturas semi-rígidas. Porque a pirâmide é uma estrutura semi-rígida, e os investigadores queriam simular o “bater de asas” dos insectos, foi criada uma câmara de teste, um aparelho capaz de criar um movimento alternado de ar para cima e para baixo. A câmara de teste, mostrada na figura em baixo, quase podia ser feita em casa (Crédito: Childress, Vandenberghe & Zhang (2006)).

Conforme descrita num artigo de 2006, a câmara de testes é constituída por uma coluna de som de “graves” (um subwoofer) colocado na horizontal com a membrana para cima. A coluna é coberta por uma panela de alumínio com uma abertura circular no centro. Nessa abertura encontra-se um tubo transparente, feito de plexiglas ®. No topo e na base do tubo transparente existe um difusor de fluxo de ar, feito de palhinhas. A frequência a que a membrana da coluna sobe e desce e a amplitude são controladas por um gerador de sinais e um amplificador.

Quando no interior da câmara, as pirâmides podem manter-se a planar durante muito tempo, movendo-se ciclicamente para cima e para baixo, sem se inclinar ao ponto de virar e cair. Segundo os autores do estudo, o planar das pirâmides no interior da câmara apenas é interrompido quando estas batem contra as paredes da câmara.

Para investigar o efeito da posição do centro de massa na capacidade de planar da pirâmides foi colocada uma pequena massa (ou peso) por cima ou em baixo das pirâmides, ligada ao eixo principal. As figuras seguintes mostram o que acontece quando as pirâmides com o centro de massa alterado são colocadas inclinadas dentro da câmara de teste.

As duas figuras apresentam várias fotografias sobrepostas que relatam (da esquerda para a direita) o que acontece às pirâmides ao longo do tempo. Na figura à esquerda a pirâmide com o centro de massa no topo consegue recuperar da inclinação inicial. Na figura à direita a esquerda a pirâmide com o centro de massa na base não consegue recuperar da inclinação inicial e “tomba”. (Crédito: Liu, Ristroph, Weathers, Childress, Zhang (2012)).

A estabilidade da pirâmide dentro da câmara de ar é explicada pelos remoinhos (vórtices) de ar que se formam nas paredes interior e exterior das pirâmides devido à oscilação do ar à sua volta. Estes remoinhos de ar actuam de modo a criar uma força com um sentido contrário ao do movimento do remoinho de ar. Quando a pirâmide está direita (na vertical) a força resultante tem um sentido de baixo para cima e contraria o peso da pirâmide, mantendo-a estável. A figura seguinte mostra estas duas forças actuando na pirâmide (Crédito: Bin Liu).

Quando a pirâmide se inclina, por exemplo, para a direita, os pares de remoinhos de ar formados na base da pirâmide que está mais “levantada” movem-se para a esquerda da pirâmide, gerando uma força com um sentido contrário, para a direita. O esquema da figura seguinte indica os remoinhos formados na pirâmide e o sentido do seu movimento quando a pirâmide esta equilibrada (figura à esquerda) e quando está inclinada para a direita (figura à direita) (Crédito: Liu, Ristroph, Weathers, Childress, Zhang (2012)).

Quando a pirâmide tem um centro de massa no topo, a força gerada pelo par de remoinhos produz um binário (um efeito rotativo) na pirâmide. O binário contradiz a inclinação da pirâmide, levando-a a reequilibrar-se. Mas se a pirâmide tem o seu centro de massa na base o sentido da força gerada pelo par de remoinhos não permite o reequilíbrio da pirâmide e esta inclina-se até cair.

Os autores do artigo concluem que são as forças aerodinâmicas (geradas pelos remoinhos de ar) e não a impulsão que mantêm as pirâmides a pairar. No artigo é feita uma análise dos possíveis factores que influenciam a estabilidade e o movimento das pirâmides de papel, tais como a massa a forma e o tamanho das pirâmides, a localização do centro de massa da pirâmide e a viscosidade do ar. Os seus autores pretendem continuar o estudo da aerodinâmica destas pirâmides imitadoras de insectos a voar.

Notas:

(1) O artigo original pode ser encontrado aqui. Outros dois artigos sobre pirâmides voadoras encontram-se aqui e aqui.

(2) Este site permite ver um filme de uma pirâmide a “planar”.

(3) A explicação para a maior estabilidade da pirâmide com o centro de massa no topo é dada por uma outra experiência, feita a duas dimensões. Um objecto com uma forma em Λ (V invertido) é fixado numa forma com água (mais ou menos dois centímetros de altura). Esta forma é colocada sobre um aparelho que a faz mover para a frente e para trás, num movimento oscilante.

A figura seguinte explica o que acontece. As fotografias foram tiradas de forma a serem visíveis as correntes de turbulência criadas pelo movimento dos objectos. Quando a forma é puxada para a frente (fotografia mais à esquerda) forma-se um remoinho na zona exterior de cada extremidade (ponta) do objecto de forma em Λ. Quando a forma é puxada para trás (fotografia ao centro) forma-se um novo remoinho, rodando em sentido contrário e o par de remoinhos é puxado para baixo. O esquema à direita das fotografias representa os remoinhos formados quando a forma se move para a frente (a tracejado) e quando a forma se move para trás (a tracejado). As setas indicam o sentido do par de remoinhos (Crédito: Liu, Ristroph, Weathers, Childress, Zhang (2012)).

A figura seguinte é uma “repetição” da figura anterior (as duas estão juntas no artigo), mas em que o objecto de forma em Λ se encontra inclinado para a direita. Os remoinhos formados na extremidade mais baixa são idênticos aos formados quando o objecto não está inclinado. Mas na extremidade mais alta é diferente. Forma-se um remoinho no interior da extremidade quando a forma é puxada para trás (fotografia ao centro). Quando a forma é puxada para a frente (fotografia mais à esquerda) forma-se um novo remoinho, rodando em sentido contrário e o par de remoinhos afasta-se do objecto numa direcção quase perpendicular ao eixo do objecto. O esquema à direita das fotografias também representa os remoinhos formados (Crédito: Liu, Ristroph, Weathers, Childress, Zhang (2012)).

Numa situação a três dimensões, quando os pares de remoinhos formados se afastam do objecto forma-se uma força de sentido contrário. Os autores do estudo concluíram que se o centro de massa do objecto se encontrar em cima então a força de sentido contrário leva ao reequilibrar do objecto, neste caso uma pirâmide oca.

Feliz são Valentim!

A Google comemora hoje o dia de São Valentim.

Os últimos momentos de um cometa kamikaze

A revista Science de 20 de Janeiro apresenta o estudo de um cometa cuja órbita o aproximou demasiado do Sol, provocando a sua desintegração. O fenómeno foi registado a 6 de Julho 2011 pela sonda SDO (Solar Dynamics Observatory), que estuda os fenómenos solares e o seu impacto na Terra.

O fenómeno foi primeiro detectado na análise da figura anterior, uma fotografia especial chamada coronógrafo, tirada por uma das câmaras do instrumento LASCO, da sonda SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Nela é possível ver o cometa, chamado C/2011 N3, à direita do Sol, pouco tempo antes de desaparecer na corona solar a 6 de Junho de 2011. O círculo branco representa a superfície do Sol (Crédito: SOHO (ESA & NASA)).

O cometa C/2011 N3 pertence à família de cometas Kreutz, uma família de cometas rasantes (cometas que passam muito perto do Sol no periélio). Estes cometas têm um brilho muito fraco quando comparado com o Sol e até hoje a sua descoberta (e estudo) tem sido feita recorrendo ao LASCO, um instrumento instalado na sonda SOHO que estuda a corona solar (atmosfera solar exterior). Mas o C/2011 N3 é, até hoje, um dos 15 cometas mais brilhantes registados pela sonda SOHO, que desde 1996 observou mais de 2 100 cometas.

A figura seguinte apresenta uma sequência de pequenas fotografias do comenta C/2011 N3 tiradas pela sonda SDO quando o cometa se encontrava já na atmosfera solar. As fotografias do cometa encontram-se sobrepostas sobre uma fotografia do Sol, indicando a localização do cometa e hora a que cada fotografia foi tirada. A trajectória do cometa è indicada pelo tracejado (Crédito: SDO /K. Schrijver et all, Science).

O cometa C/2011 N3 foi grande e brilhante o suficiente para ser visível nas câmaras da SDO. A sonda captou 20 minutos do movimento do cometa, os seus momentos finais, em fotografia e em filme. O cometa penetrou no interior da atmosfera solar, seguindo uma linha perpendicular ao Sol, até cerca de 97.000 km da superfície solar (cerca de 0,073 vezes o diâmetro do Sol) antes de “desaparecer”.

O filme seguinte foi captado pelo instrumento AIA da sonda SDO a 6 de Julho de 2011. O cometa, um traço quase invisível, aparece da direita e parece pulsar (o brilho do cometa parece variar periodicamente) algumas vezes antes de desaparecer. Os investigadores pensam que isto é uma consequência do núcleo do cometa se ter fragmentado no seu caminho pela atmosfera solar. O fenómeno foi utilizado para determinar indirectamente a massa do cometa (Crédito: SDO/NASA).

Até hoje só era possível determinar as dimensões e massa do cometa enviando uma sonda para o seguir. Mas o filme da breve passagem do cometa pela atmosfera solar permitiu calcular estas características do cometa, e também a sua composição, através da análise do tempo e espaço percorrido pelo cometa desde que entrou na atmosfera solar até se ter desintegrado.

A informação recolhida pelo SDO permitiu determinar que o cometa C/2011 N3 teria um diâmetro entre 45 metros e 90 metros e uma massa de sensivelmente 100.000 toneladas, antes de entrar na atmosfera solar a uma velocidade próxima de 645 km/s. O cometa fragmentou-se em pedaços com dimensões entre 45 m e 10 m, que se mantiveram, invisíveis, no interior do coma do cometa (uma nuvem de gelo, gás e poeiras). O coma do cometa tinha um diâmetro de quase 1.300 km, e uma cauda que se estendia por mais de 16.000 km.

O estudo de cometas rasantes como o C/2011 N3 pode tornar-se ainda mais importante. Os investigadores acreditam que a sua passagem pelo Sol pode fornecer informações muito importantes sobre a constituição e a dinâmica da atmosfera solar, a constituição do vento solar e ainda sobre o campo magnético solar. Como? Estudando o que acontece à atmosfera solar quando o cometa a atravessa.

O ponto de entrada do cometa C/2011 N3, a atmosfera superior solar, é uma zona de difícil estudo por ser tão menos brilhante que o Sol que a sua luz é “eclipsada” pela luz do astro. É também a zona onde se forma o vento solar, constituído por iões expelidos pelo Sol em todas as direcções. A desintegração do cometa (constituído principalmente por água e gases dissolvidos) provoca alterações da constituição dessa zona da atmosfera solar, que podem ser estudadas. Com é conhecida a constituição do cometa (materiais que compõem o cometa) antes da sua entrada na atmosfera é possível comparar com as alterações provocadas pela entrada do cometa na atmosfera solar e desta forma conhecer melhor a sua constituição.

Quando o cometa C/2011 N3 entrou na atmosfera solar, a temperatura do núcleo do cometa subiu até aos 500 000 K (quase o mesmo em graus célsius), tornando-o “visível” nas câmaras de ultravioleta do SDO. A esta temperatura o núcleo do cometa sublimou (passou de sólido a gás) e os átomos e moléculas presentes no gás tornaram-se iões, tornando o gás sensível ao campo magnético do Sol. Como a cauda do cometa também é constituída pelos iões do gás libertado pelo cometa, o campo magnético do Sol fez a cauda oscilar rapidamente para cima e para baixo. A interacção da cauda do cometa com o campo magnético do sol também poderá fornecer mais informações sobre o vento solar.

Notas:

(1) Os cometas da família Kreutz foram estudados pela primeira vez pelo astrónomo alemão Heinrich Kreutz (1854–1907). Para este astrónomo os cometas Kreutz são os fragmentos de um grande cometa que se desintegrou há centenas de anos atrás aquando da sua passagem pelo Sol. A figura seguinte é uma fotografia tirada ao “grande cometa de 1886”, um cometa da família de Kreutz que, durante dois dias, foi também visível de dia (Crédito: Sir David Gill).

Actualmente a sonda SOHO detecta em média um cometa da família de Kreutz a cada 3 dias. Pensa-se que os outros cometas rasantes tiveram origens semelhantes aos cometas da família Kreutz.

(2) Em finais de Novembro de 2011, pela primeira vez em 40 anos, um cometa da família Kreutz foi descoberto a Partir da Terra. O cometa Lovejoy recebeu o nome do seu descobridor, o astrónomo amador australiano Terry Lovejoy e alegrou as noites quentes de Dezembro no hemisfério Sul (onde agora é Verão). Contrariando o futuro funesto dos seus “irmãos”, o cometa Lovejoy passou a menos de 200 000 km da superfície do Sol e sobreviveu. Os seus passos foram seguidos pelas sondas SOHO e SDO. Espera-se para breve a publicação de artigos científicos apresentando os resultados do estudo da passagem do cometa Lovejoy pelo SolA figura seguinte é uma figura tirada do espaço, da Estação Espacial que orbita a Terra (Crédito: Dan Burbank / NASA).