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Descoberta primeira molécula fractal da natureza
Beleza matemática da natureza
Uma equipe internacional de pesquisadores descobriu por acaso o primeiro fractal molecular regular da natureza.
É uma enzima microbiana – a citrato sintase de uma cianobactéria – que forma espontaneamente um padrão conhecido como triângulo de Sierpinski, uma série de triângulos compostos de triângulos menores que se repete ao infinito.
Esta que é uma das formas elementares da geometria fractal, foi descrita em 1915 pelo matemático polonês Waclaw Franciszek Sierpinski (1882-1969). Até agora, porém, era uma estrutura puramente matemática, construída por meio de algoritmos, nunca tendo sido documentada sua existência natural.
Flocos de neve, folhas de samambaia, cabeças de couve-flor são alguns exemplos de estruturas da natureza que apresentam certa regularidade, com suas partes individuais lembrando o formato de toda a estrutura. Essas formas, que se repetem do maior para o menor, são chamadas de fractais. O triângulo de Sierpinski, por sua vez, tem características muito especiais: Ele é autossemelhante, o que significa que cada parte é idêntica ao todo, ele não perde sua definição inicial à medida que é ampliado, tem tantos pontos quanto o conjunto dos números reais etc.
Fractais regulares assim, que correspondem quase exatamente entre escalas, são muito raros na natureza. Isto é um tanto surpreendente porque as moléculas podem se montar, sobretudo espontaneamente, em todos os tipos de formas. Existem extensos catálogos de estruturas moleculares automontadas, algumas maravilhosas, mas nunca houve o registro de um fractal regular entre elas.
“Nós tropeçamos nesta estrutura completamente por acidente e quase não pudemos acreditar no que vimos quando tiramos imagens dela pela primeira vez usando um microscópio eletrônico,” disse Franziska Sendker, do Instituto Max Planck de Marburg, na Alemanha. “A proteína forma estes lindos triângulos e, à medida que o fractal cresce, vemos estes vazios triangulares cada vez maiores no meio deles, o que é totalmente diferente de qualquer conjunto de proteínas que já vimos antes.”
Assimetria leva à formação do fractal
Com a estrutura natural em mãos, a equipe então conseguiu descobrir como essa proteína consegue se agrupar em um fractal: Normalmente, quando as proteínas se automontam, o padrão é altamente simétrico, com cada cadeia proteica individual adotando o mesmo arranjo em relação às suas vizinhas. Essas interações simétricas sempre levam a padrões que se tornam suaves em grandes escalas.
A chave para a proteína fractal é que sua montagem viola esta regra de simetria: Diferentes cadeias de proteínas fazem interações ligeiramente diferentes em diferentes posições do fractal. Esta é a base para a formação do triângulo de Sierpinski, com os seus grandes vazios internos, em vez de uma rede regular de moléculas.
E será que essa montagem quase artística desempenha alguma função útil? “A automontagem é frequentemente usada pela evolução para regular enzimas, mas neste caso a cianobactéria em que esta enzima é encontrada não parece se importar muito se a sua citrato sintase pode ou não se reunir em um fractal,” disse o professor Georg Hochberg, membro da equipe.
Para comprovar isto, eles manipularam geneticamente a bactéria para impedir a formação do fractal, e a cianobactéria cresceu normalmente em uma variedade de ambientes.”Embora nunca possamos ter certeza absoluta das razões pelas quais as coisas aconteceram no passado [evolutivo], este caso em particular tem todas as armadilhas de uma estrutura biológica aparentemente complexa que simplesmente surgiu sem nenhuma boa razão, porque era simplesmente muito fácil de evoluir,” propõe Hochberg.
Por outro lado, o fato de algo de aparência tão complexa e bela como um fractal molecular poder emergir tão facilmente na evolução sugere que mais surpresas e muita beleza podem ainda estar escondidas em conjuntos moleculares de muitas biomoléculas até agora não descobertos.
Artigo: Emergence of fractal geometries in the evolution of a metabolic enzyme
Autores: Franziska L. Sendker, Yat Kei Lo, Thomas Heimerl, Stefan Bohn, Louise J. Persson, Christopher-Nils Mais, Wiktoria Sadowska, Nicole Paczia, Eva Nußbaum, María del Carmen Sánchez Olmos, Karl Forchhammer, Daniel Schindler, Tobias J. Erb, Justin L. P. Benesch, Erik G. Marklund, Gert Bange, Jan M. Schuller, Georg K. A. Hochberg
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-024-07287-2
Fonte : Inovação Tecnológica
A Floresta Negra – Uma das soluções para o paradoxo de Fermi
The Real Stars and Scale of Sci-fi
4.5 Billion Years in 1 Hour
TSE abre o código-fonte da urna eletrônica para inspeção pública no dia 04/10/2023.
A solenidade inaugura o Ciclo de Transparência – Eleições 2024.
Processo acontece um ano e dois dias antes das eleições municipais de 2024, que serão realizadas em 6 de outubro.
O código será aberto faltando 1 ano e 2 dias para as eleições municipais e ficará disponível, em tempo integral, em uma sala de vidro no subsolo do TSE até a fase de lacração dos sistemas, nas vésperas do pleito. Ao longo desse período, instituições públicas, órgãos federais, partidos políticos, universidades e a sociedade civil poderão acompanhar e analisar o código-fonte, mediante agendamento prévio.
O que pode ser analisado?
Todos os sistemas da urna eletrônica ficam disponíveis para avaliação da sociedade, incluindo:
- Sistema operacional;
- Bibliotecas;
- Programas de criptografia e respectivos compiladores;
- Sistemas utilizados na geração de mídias;
- Sistemas usados na transmissão, no recebimento e no gerenciamento dos arquivos de totalização.
Antes das eleições de 2022, nove entidades foram ao TSE para examinar a programação das urnas eletrônicas, entre novembro de 2021 e agosto de 2022.
A abertura dos códigos-fonte dos softwares da urna eletrônica é um procedimento realizado pela Justiça Eleitoral, pelo menos um ano antes de cada eleição.
Eventuais inconformidades encontradas pelas entidades fiscalizadoras devem ser apresentadas ao TSE, que é responsável por corrigi-las e demonstrar os ajustes realizados.
Limites Planetários – 6 dos 9 já foram ultrapassados.
Os limites planetários definem até onde o desenvolvimento humano pode chegar sem afetar de forma irreversível a capacidade regenerativa da Terra. Entender quais são esses limites, qual a situação atual destes e como eles afetam a vida na Terra é importante para a elaboração de políticas públicas e mudanças de hábitos.
Todos sabemos a importância do meio ambiente para a sobrevivência do ser humano e, por isso, cada vez mais, há a preocupação em preservá-lo. No entanto, desde a revolução industrial, temos vivido épocas de grandes impactos ambientais decorrentes da atividade humana, com o desmatamento, a poluição e o aquecimento global.
Pensando em tais questões, em 2009, sob liderança do sueco Johan Rockström, um grupo de cientistas integrantes do Stockholm Resilience Centre (SRC) identificou nove dos chamados “limites planetários” (“planetary boundaries” em inglês) – eles são, como o nome já diz, limites ambientais seguros dentro dos quais a humanidade pode se desenvolver sem que as mudanças ambientais sejam irreversíveis.
Os Limites :
- Perda da biodiversidade e extinções
- Mudanças climáticas
- Ciclos biogeoquímicos (ciclo do nitrogênio e ciclo do fósforo)
- Abusos no uso da terra
- Acidificação dos oceanos
- Mudanças no uso da água doce
- Degradação da camada de ozônio estratosférica
- Carregamento de aerossóis para a atmosfera
- Poluição química
Inter-relacionamento entre esses limites
Tratar de limites planetários e tentar minimizar os impactos da ação humana sobre eles ao longo da história do planeta é desafiador, principalmente quando uma das fronteiras é extrapolada. Isto se deve ao fato de que, como já sabemos, tudo é inter-relacionado no ecossistema terrestre. Impactos significativos em uma fronteira podem, por consequência, causar danos a uma outra.
Por exemplo: a degradação da camada de ozônio permite que radiações ultravioletas atinjam a superfície da Terra; já o carregamento de aerossóis para a atmosfera faz com que estas partículas atuem absorvendo ou espalhando a radiação solar, ambos ocasionando em mudanças climáticas.
Por sua vez, mudanças climáticas podem, por exemplo, influenciar nos tipos de uso da terra, criando condições físicas para a agricultura em lugares que antes eram frios demais para a prática. Já as mudanças no uso do solo, como o desmatamento, podem causar secas em outras regiões, o que influencia no uso da água.
Outra consequência das mudanças no uso da terra através da agricultura é uma utilização mais ampla de fertilizantes e agrotóxicos, que podem afetar os ciclos biogeoquímicos do fósforo e nitrogênio e, ao atingir os cursos d’água, ocasionam a eutrofização e a consequente perda de biodiversidade naquele ambiente.
2023
Fontes / Links :
K2-18b – Uma tentadora possibilidade de vida extraterrestre.
O Telescópio Espacial James Webb da NASA pode ter descoberto evidências provisórias de um sinal de vida em um planeta distante.
Pode ter detectado uma molécula chamada sulfeto de dimetila (DMS). Na Terra, pelo menos, isso só é produzido pela vida.
Os investigadores sublinham que a deteção no planeta a 120 anos-luz de distância “não é robusta” e são necessários mais dados para confirmar a sua presença.
Os pesquisadores também detectaram metano e CO2 na atmosfera do planeta.
A detecção destes gases pode significar que o planeta, denominado K2-18b, tem um oceano de água.
O professor Nikku Madhusudhan, da Universidade de Cambridge, que liderou a pesquisa e disse que toda a sua equipe ficou “chocada” quando viu os resultados.
“Na Terra, o DMS é produzido apenas pela vida. A maior parte dele na atmosfera terrestre é emitido pelo fitoplâncton em ambientes marinhos”.
As próximas observações do Webb deverão ser capazes de confirmar se o DMS está realmente presente na atmosfera de K2-18 b em níveis significativos”, explicou Madhusudhan.
Resultados mais definitivos são esperados em cerca de um ano.
Links :
- Nasa – Webb Discovers Methane, Carbon Dioxide in Atmosphere of K2-18 b
Quantum Yin-Yang fotografado diretamente.
Fotografia do entrelaçamento quântico
Físicos canadenses e italianos desenvolveram uma técnica que permite visualizar diretamente, e em tempo real, a função de onda de dois fótons entrelaçados.
Fótons são as partículas elementares que constituem a luz, e o entrelaçamento é o fenômeno bizarro que Einstein detestava, chamando-o de ação fantasmagórica à distância, mas que hoje está na base do funcionamento não apenas dos computadores quânticos, mas de inúmeras outras tecnologias quânticas, de sensores a simuladores.
Quando dois fótons estão entrelaçados, tudo o que acontece a um afeta imediatamente o outro, não importando a distância que os separe, o que permite fazer cálculos mais rapidamente do que usando um computador clássico – os físicos chamam isso de interação não-local. O entrelaçamento também é usado como base para o teletransporte quântico, um processo que permite que a informação seja movida de um qubit para outro sem precisar mover a própria partícula que contém essa informação.
Em 2018, uma equipe finlandesa conseguiu tornar o entrelaçamento quântico visível, mas usando objetos maciços, visíveis a olho nu. Esta demonstração feita agora é muito mais fundamental, indo diretamente ao cerne da mecânica quântica, visualizando a função de onda dos fótons.
Tomografia quântica
Lembre-se que, na física quântica, os componentes fundamentais da nossa realidade podem ser entendidos como partículas ou como ondas. Neste último caso, não temos uma “bolinha de gude” microscópica, mas uma função de onda, uma função matemática que descreve o comportamento dessa partícula. Por estranho que possa parecer, a função de onda é um fenômeno real, uma espécie de matemática que virou realidade.
Mais precisamente, a função de onda permite prever os resultados prováveis de várias medições de uma “partícula”, por exemplo sua posição, velocidade etc. Esta capacidade preditiva é inestimável nas diversas tecnologias quânticas, onde conhecer um estado quântico que é gerado ou inserido em um computador quântico permitirá testar o próprio computador. Além disso, os estados quânticos utilizados na computação quântica são extremamente complexos, envolvendo muitas entidades que podem apresentar fortes correlações não-locais (entrelaçamento).
Hoje, conhecer a função de onda de um sistema exige uma técnica chamada tomografia quântica, que exige uma série de medições e um tal aumento de complexidade que uma única caracterização completa pode levar horas ou mesmo dias. Isto, claro, eleva muito a incerteza do resultado, que pode ser afetado por ruídos e pela própria complexidade (multidimensionalidade) do sistema que está sendo medido.
Holografia digital
Na óptica clássica, contudo, existe outra maneira de reconstruir um objeto 3D, por meio da holografia digital. Essa técnica se baseia no registro de uma única imagem, chamada interferograma, obtida pela interferência da luz espalhada pelo objeto com uma luz de referência.
Danilo Zia e colegas das universidade de Ottawa e Sapienza de Roma estenderam esse conceito para o caso não de um feixe de luz, mas de apenas dois fótons. Assim, a imagem gerada pela holografia digital mostra não apenas a função de onda dos dois fótons, como documenta o próprio fenômeno do entrelaçamento quântico entre ambos.
A reconstrução do estado bifóton requer sobrepô-lo a um estado quântico conhecido e, em seguida, analisar a distribuição espacial das posições onde os dois fótons chegam simultaneamente. Fotografar a chegada simultânea de dois fótons é conhecida como imagem de coincidência. Esses fótons podem vir da fonte de referência ou de uma fonte desconhecida. A mecânica quântica estabelece que a fonte dos fótons não pode ser identificada. Isto resulta em um padrão de interferência que pode ser usado para reconstruir a função de onda desconhecida.
Este experimento foi possível graças a uma câmera avançada que registra eventos com resolução de nanossegundos para cada píxel.
“Este método é exponencialmente mais rápido que as técnicas anteriores, exigindo apenas minutos ou segundos, em vez de dias. É importante ressaltar que o tempo de detecção não é influenciado pela complexidade do sistema – uma solução para o desafio de longa data da escalabilidade na tomografia projetiva,” disse Alessio D’Errico, membro da equipe.
A velocidade e a precisão desta técnica terão impacto muito além da pesquisa acadêmica, com potencial para acelerar os avanços da tecnologia quântica, como melhorar a leitura dos qubits, a detecção de substâncias, a comunicação quântica e o desenvolvimento de novas técnicas de imageamento.
Bibliografia:
Artigo: Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states
Autores: Danilo Zia, Nazanin Dehghan, Alessio D’Errico, Fabio Sciarrino, Ebrahim Karimi
Revista: Nature Photonics
DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3
Fonte : Inovação Tecnológica
In Space No One Can Hear You Scream – Or can they ?
O som pode ser transmitido através do vácuo
Há três anos, um experimento mudou para sempre os livros didáticos ao mostrar que o calor pode se mover pelo vácuo, atualizando um saber científico secular.
Agora, outra equipe está exigindo uma nova revisão dos livros de física ao demonstrar que o som também pode ser transmitido através do vácuo.
Zhuoran Geng e Ilari Maasilta, da Universidade de Jyvaskyla, na Finlândia, demonstraram que, nas condições adequadas, uma onda sonora pode pular – ou “tunelar” – diretamente através de um vácuo, saltando entre dois sólidos.
O efeito pode ser particularmente forte em condições mais precisas, mas ele vai aparecer, mesmo fraco, bastando que os materiais sólidos utilizados sejam piezoelétricos.
Nesses materiais, as vibrações (ondas sonoras, representadas pelos fônons) também produzem uma resposta elétrica e, como um campo elétrico pode existir no vácuo, ele pode carregar com ele as ondas sonoras, servindo como uma espécie de onda portadora.
“Ondas acústicas (fônons acústicos) são deformações ou vibrações que se propagam através de um meio material. Desta forma, elas não existem no vácuo, levando à conclusão inicial de que é impossível para o vácuo transmitir a energia de uma onda acústica entre dois meios separados. No entanto, na escala atômica, as vibrações dos núcleos [atômicos] podem se propagar por meio de suas interações elétricas através do vácuo,” explicaram os pesquisadores.
Tunelamento de fônons
Um material piezoelétrico gera um pulso elétrico quando recebe um impacto mecânico ou vice-versa. Assim, uma onda mecânica viajando através desse material leva consigo campos elétricos tão fortes que tornaram os piezoelétricos úteis em inúmeras aplicações, como acendedores de fogões, por exemplo.
O que os pesquisadores demonstraram agora é que, quando a onda mecânica (acústica) chega à borda do material, encontrando uma superfície livre, ela estende um campo elétrico evanescente e decadente (cuja energia decai no espaço percorrido) pelo espaço livre. Se esse espaço for um vácuo, o mecanismo é forte o suficiente para fazer o fônon tunelar pelo vácuo, assim como os elétrons tunelam pelos semicondutores nos transistores.
O requisito é que o tamanho do espaço de vácuo seja menor do que o comprimento de onda da onda sonora. O efeito funcionou não apenas na faixa de frequências de áudio (Hz-kHz), mas também nas frequências de ultrassom (MHz) e hipersom (GHz), bastando ir diminuindo o intervalo de vácuo à medida que as frequências aumentam.
“Na maioria dos casos, o efeito é pequeno, mas também encontramos situações em que toda a energia da onda salta no vácuo com 100% de eficiência, sem nenhuma reflexão. Desta forma, o fenômeno pode encontrar aplicações em componentes microeletromecânicos (MEMS) e no controle de calor,” disse o professor Maasilta.
Bibliografia:
Artigo: Complete tunneling of acoustic waves between piezoelectric crystals
Autores: Zhuoran Geng, Ilari J. Maasilta
Revista: Communications Physics – Vol.: 6, Article number: 178
DOI: 10.1038/s42005-023-01293-y
Fonte : Inovação Tecnológica