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O cérebro e suas redes (bem) complexas

No século XVIII a cidade de Königsberg (na atual Rússia) possuía 7 pontes conectando suas duas ilhas e duas outras porções de terra principais (veja mapa na figura 1). Diz a lenda que as pessoas costumavam se perguntar se seria possível fazer um passeio pelas ilhas atravessando todas as pontes sem repetir nenhuma delas. Até que em 1736, o matemático e físico Leonhard Euler resolveu essa questão considerando que cada pedaço de terra funcionaria como um nó e cada ponte como um link (ou uma conexão) entre os diferentes nós (veja o lado direito da figura 1) [1]. Ele percebeu que uma condição necessária para que todos os links (ou pontes) fossem percorridos uma única vez era que a rede tivesse zero ou apenas dois nós com um número ímpar de links. No primeiro caso qualquer nó poderia ser escolhido como ponto inicial do passeio. No segundo caso, o caminho (que ficou conhecido posteriormente como caminho de Euler) deveria começar e terminar exatamente nos nós com números ímpares de conexões. Note que essa solução se aplica a qualquer rede e não apenas a das pontes de Königsberg. Mas como a rede em questão possuía 4 nós, cada um com um número ímpar de links, Euler garantiu que não seria possível realizar um passeio por esta cidade cruzando cada ponte uma única vez.

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Fig.01: Mapa da cidade de Königsberg em 1736 e sua simplificação para um  estudo de redes. Figura retirada da Ref. [1].

Esta história ficou conhecida como o primeiro problema resolvido do que veio a ser a área do conhecimento que estuda as propriedades das redes complexas e que recebeu o nome de ciência das redes (network science). Desde então, a ciência das redes vem sendo utilizada para resolver problemas em diversas áreas como engenharia de transportes, finanças, genética, ecologia… Recentemente sua aplicação em neurociência ganhou o nome especial de network neuroscience [2] (ainda sem um nome oficial em português podemos chamar a neurociência das redes ou redes cerebrais). A ideia básica continua parecida com o problema das pontes, mas a quantidade de nós e links que podemos estudar é gigantesca. E, portanto, exige o desenvolvimento de novas técnicas de análise de redes e de obtenção de dados reais das redes específicas de interesse. Além disso, a quantidade de perguntas que podemos fazer sobre caminhos e propriedades dessas redes tem aumentado bastante.

Diversos grupos de pesquisa têm se dedicado a descrever da maneira mais detalhada  possível a rede formada por neurônios e sinapses de determinadas regiões do cérebro de diferentes espécies. Em julho deste ano foi publicada a matriz de conectividade completa do sistema nervoso do nematódeo C. Elegans (provavelmente o vermezinho mais querido da ciência) [3]. Em outras palavras, os cientistas descreveram todas as conexões entre os 302 neurônios do animal. Para diversas outras espécies, o que já conhecemos é a matriz de conectividade entre certas regiões do cérebro. Afinal, encontrar a matriz de conexão entre os 85 bilhões de neurônios do cérebro humano [4] parece uma tarefa exageradamente árdua.

Claramente as redes de conectividade dos diferentes animais são algo intermediário entre a total regularidade e a bagunça generalizada. Ou seja, os 302 neurônios do C. Elegans não estão organizados em uma rede regular, como em um cristal, onde cada nó tem a mesma quantidade de vizinhos (exemplo da esquerda na figura 2), nem estão conectados de maneira totalmente aleatória (direita da figura 2). E o que os cientistas têm buscado são propriedades topológicas mais gerais das diferentes redes cerebrais. Assim, seguimos procurando um ponto ótimo entre tentar conhecer o melhor possível a estrutura das redes que nos interessam e tentar extrair propriedades mais gerais dessas redes.

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Fig. 02 Modificada da Ref. [5].  Uma rede inicialmente regular onde cada nó possui dois vizinhos vai sendo transformada em uma rede aleatória seguindo uma regra em que sucessivamente escolhemos um nó que pode ter um de seus links removidos com probabilidade p e sorteamos aleatoriamente um outro nó para se conectar com este primeiro. Para valores intermediários de p esta rede é conhecida como mundo pequeno (small word).

No início desse ano, Danielle Basset uma física bastante ativa na área de neurociência das redes e buscando aplicações em medicina, publicou um artigo de revisão sobre a física das redes cerebrais [6]. O artigo é um compilado de como diversas áreas da física podem contribuir para neurociência e em particular para o estudo da topologia dessas redes a partir da análise dos diferentes tipos de dados. Ela salienta que a arquitetura das conexões entre os neurônios ou regiões cerebrais está sempre restrita a necessidade de minimização de energia e eficiência na transferência de informação. Se por um lado precisamos de técnicas para determinar o melhor possível a conectividade anatômica entre as regiões, por outro precisamos ser capazes de determinar a conectividade funcional levando em conta a atividade dinâmica do cérebro durante diferentes tarefas. Nos dois casos podemos determinar a matriz de conectividade das redes e suas propriedades topológicas (ver figura 03).

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Fig. 03 Modificada da Ref. [6]. Na primeira linha medimos as conexões anatômicas entre as regiões do cérebro e determinamos quais regiões estão conectadas entre si através da matriz de adjacência. Depois estudamos as propriedades da rede formada. Na segunda linha utilizamos a atividade elétrica ou sanguínea das diversas regiões cerebrais e determinamos uma matriz de similaridade dependendo do quanto esses sinais estão correlacionados. Esta é a chamada rede funcional pois pode variar durante a realização de diferentes tarefas cognitivas.

Por exemplo, em um outro artigo Danielle estudou a matriz de conectividade entre regiões do cérebro de quatro animais diferentes: rato, mosca, macaco e humanos [7]. A maioria das conexões nessas redes são de curto alcance, ou seja, conectam regiões próximas, o que reflete as restrições anatômicas e energéticas do sistema. No entanto algumas conexões entre regiões bastante afastadas são (inesperadamente) encontradas. Dado o custo energético dessas conexões longas, espera-se que elas desempenhem um papel importante para o funcionamento do cérebro. No artigo, a cientista mostrou que, diferente do que se acreditava, conexões de longas distâncias no cérebro têm um papel minoritário em reduzir as distâncias topológicas entre os nós da rede. Por outro lado, essas conexões de longo alcance aumentam a complexidade da dinâmica da rede. Graças à análise de mais dados e a combinação dessas análises com modelos teóricos (comparando conectividade estrutural e funcional) foi possível prever uma nova funcionalidade para essas conexões entre regiões distante que seria garantir a diversidade da atividade cerebral.

No começo desse mês, mais uma contribuição para essa área foi publicada dando mais um passo na caracterização da complexidade das redes. Dessa vez, um estudo realizado aqui no Brasil desenvolveu uma nova ferramenta matemática para classificar redes complexas de maneira geral, bem como redes associadas ao cérebro [8]. Utilizando algumas ideias bem estabelecidas de análise de séries temporais os pesquisadores propuseram uma maneira de calcular a entropia de uma rede complexa, baseado na probabilidade de um caminhante aleatório passear pelos diversos nós da rede. (Na analogia das pontes, considerando qual a probabilidade de você atravessar uma certa ponte durante um passeio aleatório pela cidade sem querer chegar em nenhum outro ponto específico.)

Calculando duas medidas específicas baseadas na quantidade de links de cada nó: a entropia de Shannon e a informação de Fisher para redes do tipo regular (vermelho) e do tipo aleatória (azul) eles puderam comparar onde outras redes reais estariam nesse plano.  Em particular, eles mostraram que a rede que descreve a medula da mosca e a retina do rato (respectivamente representadas pelos números #13 e #14 na figura 4) estão em uma região intermediária do plano de entropia podendo ser caracterizada por redes tipo mundo pequeno. Além disso, uma possível extensão dessa ferramenta seria calcular não apenas a entropia mas a complexidade (ou o desequilíbrio) dessas redes. Esperamos que, em breve, essa nova ferramenta possa ser utilizada em dados de outros sistemas nervosos como por exemplos os dados estudados na Ref. [7].

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Fig.04 Modificada da Ref. [8]. Compara as propriedades de redes reais (laranja) com redes simuladas computacionalmente com diferentes valores de densidade de links por nó. Calculando duas medidas estatísticas específicas : a entropia de Shannon e a informação de Fisher para redes do tipo regular (vermelho) e do tipo aleatória (azul) os autores deste trabalho puderam delimitar uma região do plano em que as redes reais se comportariam como rede tipo mundo pequeno.

Referências

[1]  Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Seven_Bridges_of_K%C3%B6nigsberg

[2]  Danielle S. Basset e Olaf Sporns. “Network neuroscience.” Nature neuroscience 20.3 (2017): 353.

[3] Steven J. Cook, et al. “Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes.” Nature 571.7763 (2019): 63-71.

[4]  Frederico AC Azevedo, et al. “Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled‐up primate brain.” Journal of Comparative Neurology 513.5 (2009): 532-541.

[5] Duncan J. Watts e Steven H. Strogatz. “Collective dynamics of ‘small-world’networks.” nature 393.6684 (1998): 440.

[6] Christopher W. Lynn e Danielle S. Bassett. “The physics of brain network structure, function and control.” Nature Reviews Physics (2019): 1.

[7] Richard F. Betzel e Danielle S. Bassett. “Specificity and robustness of long-distance connections in weighted, interareal connectomes.” Proceedings of the National Academy of Sciences 115.21 (2018): E4880-E4889.

[8] Cristopher GS Freitas, et al. “A detailed characterization of complex networks using Information Theory.” Scientific reports 9.1 (2019): 1-12.

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Descobrindo novos planetas, redescobrindo a Terra

Sempre nos perguntamos se estamos sozinhos no Universo. A probabilidade é que não estejamos: já se conhece mais de 4.000 planetas fora do Sistema Solar e é possível que existam mais de 60 bilhões de planetas com chances de habitabilidade parecidas com o nosso em todo o Universo. Se vamos conseguir achar vida – para não dizer vida complexa – nesses planetas é outra história. O exoplaneta em zona habitável mais próximo de nós, Proxima Centauri b, está a mais de quatro anos-luz de distância de nós. Se a mera ideia de viajar até lá está bem distante da realidade, encontrar um planeta “substituto” para a Terra está ainda mais distante no horizonte de possibilidades. A ciência diz que não existe mesmo um “planeta B”.

A astrônoma Raphaëlle Haywood, Sagan Fellow no Harvard College Observatory (EUA), tem plena consciência disso e busca compartilhar esta perspectiva ganha com anos de pesquisa sobre exoplanetas. Para ela, a descoberta de planetas longínquos “é uma nova revolução Copernicana” que nos ajuda a enxergar com mais clareza o nosso lugar no Universo – e nos ajuda, também, a entender que é preciso cuidar bem da Terra, nossa casa e único planeta comprovadamente habitável que conhecemos. 

Haywood conta um pouco mais o assunto nesta entrevista ao blog Cientistas Feministas.

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Raphaëlle Haywood (arquivo pessoal)

Quando você percebeu que queria ser uma astrônoma?

Quando criança, a primeira coisa que eu queria ser era florista. Eu amo flores, árvores e plantas… e depois eu queria ser uma botânica. E desde sempre, eu sabia que eu queria fazer um doutorado. Meu pai fez doutorado (em ornitologia), e acho que isso teve uma influência forte para mim desde pequena. Minha mãe tem um mestrado em biologia e minha família tem uma veia acadêmica bastante forte, e me sinto muito sortuda por isso e por ter tido bons professores. 

Então desde cedo eu sabia que queria fazer um doutorado, mas não sabia ainda em que área. Quando mais nova, pensava bastante em botânica, mas, quando me tornei adolescente, comecei a pensar em astronomia. Eu queria muito entender como o mundo funciona e que padrões existem no funcionamento das coisas – e então fui estudar Física, o que parecia um percurso natural, porque a Física te ajuda a entender como o mundo natural e as coisas funcionam. Tive uma professora que ensinava sobre estrelas e planetas – ela me contou sobre esse grupo de pesquisa na Escócia (na Universidade de St. Andrews), que se debruçava sobre planetas fora do nosso sistema solar, ou exoplanetas. E então se tornou muito claro para mim que eu queria trabalhar com isso, e fui para lá pesquisar isso no doutorado. 

A sua pesquisa envolve encontrar e caracterizar planetas pequenos no entorno de estrelas fora do nosso sistema solar. Como se encontra e se mede estes exoplanetas?

Quando se tem um planeta orbitando uma estrela, esse planeta gira ao redor dela porque a gravidade dessa estrela “puxa” esse planeta para perto. Ao mesmo tempo, esse planeta está exercendo uma força contrária sobre essa estrela também, mas proporcional ao seu tamanho. Quando o planeta é pequeno, ele exerce uma força pequena sobre a estrela – é pequena, mas está lá. Então a estrela “balança” um pouco – e esse “bamboleio” cria uma oscilação na luz da estrela. 

Luz é basicamente onda – e as cores que vemos no arco-íris têm comprimentos de onda um pouco diferentes entre si. Nós vemos, por exemplo, a luz do nosso Sol como amarela – e quando a luz de uma estrela como o Sol oscila, a luz vai do azul para o vermelho, mas em uma quantidade muito, muito pequena – e conseguimos medir essa variação entre azul e vermelho usando telescópios pequenos e incrivelmente precisos. O tamanho dessa variação de luz depende da massa do planeta que estamos observando. Então, por exemplo, se estamos olhando para um planeta grande e massivo, vamos ter mais azul e mais vermelho. 

Descobrir a massa e o tamanho de um exoplaneta é o mais fundamental quando se faz esse tipo de pesquisa. Olhamos para a estrela e, em alguns casos, o planeta passa bem na frente dela, fazendo um pouco de sombra. O tamanho dessa sombra, ou dessa pequena queda na emissão de luz, nos diz muito sobre o tamanho desse corpo celeste – que vamos perceber como planeta se fizer esse trânsito sempre à mesma velocidade e de forma regular. 

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Impressão artística de exoplanetas encontrados pela sonda Kepler (Imagem: NASA/W. Stenzel)

Como entender o funcionamento do nosso Sol pode ajudar a procura por exoplanetas?

É importante ter um pouco de perspectiva. Quando falamos de exoplanetas, estamos falando de planetas que orbitam estrelas muito, muito longe de nós. Aquelas estrelas que vemos no céu à noite são as mais brilhantes do céu – e muitos dos exoplanetas que estudamos estão orbitando essas estrelas. E tudo o que fazemos, de fato, é estudá-las – porque só conseguimos informação sobre exoplanetas de forma indireta, observando como eles afetam a luz das estrelas que orbitam. É como se a estrela fosse o farol de um carro que está a dois campos de futebol de distância de você – e você está procurando por um mosquito passando à frente desse farol. Tudo o que fazemos, de fato, é observar esse farol. 

Estamos procurando por planetas muito menores que suas estrelas – e há fluídos de plasma super quentes em erupção, sendo ejetados e voltando à superfície, e há campos magnéticos e manchas escuras… há muitas coisas acontecendo na superfície de uma estrela, que não é completamente uniforme. Então, precisamos corrigir esses efeitos todos para conseguirmos desemaranhar os sinais e entender a influência indireta que o planeta tem sobre a luz dessa estrela – e que melhor forma de fazer isso do que olhando para o nosso Sol? Nós o conhecemos muito bem – conseguimos ver os detalhes de sua superfície, suas manchas… a superfície do Sol é como a pele de uma laranja, não é lisa – e há outras estrelas assim também. Mas não conseguimos ver a superfície delas tão bem, porque estão muito mais longe – mas conseguimos ver mudanças na luminosidade delas ao longo do tempo. Como essas estrelas giram sobre si mesmas, as manchas aparecem e desaparecem, causando variações na luz delas também.

Mas então, como se diferencia uma mancha escura de um planeta orbitando essa estrela? Porque pode-se confundir os dois, não?

Sim, isso é um risco e já aconteceu. Em algumas das primeiras detecções de exoplanetas, pensamos que era um exoplaneta, quando na verdade era uma mancha. 

Para não confundir as duas coisas é preciso conhecer a estrela, como ela funciona, se tem manchas ou não, com que frequência essas manchas aparecem, como elas evoluirão com o tempo… Uma forma muito boa de se saber se temos um planeta ou não é ter duas detecções diferentes com métodos separados. Eu falava do método de trânsito e do método em que se vê azul e vermelho na estrela quando um planeta passa na frente de uma estrela. Se você consegue ver o trânsito de um planeta e também o “bamboleio” que esse planeta induz na estrela, então pode ter certeza que este é um planeta, mesmo. 

Estudando planetas distantes, você começou a prestar mais atenção aos processos naturais acontecendo aqui mesmo, na Terra. Como isso aconteceu?

Foram duas coisas: uma é minha paixão por plantas, árvores… e ter sido extremamente sortuda durante meu doutorado e agora no pós-doutorado, tendo a oportunidade de viajar para tantos lugares para fazer pesquisa, observações e participar de conferências. Conhecer tantos lugares me fez apreciar melhor o nosso planeta. 

Ao mesmo tempo, paro e penso que estou procurando por outros lugares como a Terra no meu trabalho. E ao fazer isso, percebo que sim, estamos começando a encontrar muitos planetas que têm algumas semelhanças com o nosso – eles são um pouco maiores e mais massivos (porque esses são mais fáceis de encontrar) – e se extrapolarmos sobre esses achados, esperamos que existam muitos outros planetas que se pareçam de alguma forma com a Terra. Mas acontece que nenhum deles será exatamente igual à Terra, certo? Mesmo um planeta gêmeo seria muito diferente – e isso me dá uma razão adicional para apreciar o que temos aqui na Terra. O que temos é muito precioso – e se quisermos manter nosso lar habitável para nós mesmos, temos que trabalhar para isso. Não existem outros lugares como aqui.

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É provável que o turismo para outros planetas habitáveis ainda permaneça no reino da ficção científica por muito tempo (Imagem: NASA-JPL/Caltech)

É uma perspectiva bastante ampla para pensar sobre sobre nosso planeta e nosso lugar no Universo. 

O fato de que estamos encontrando todos esses planetas fora do sistema solar… isso é algo sobre o qual a humanidade tem pensado por milênios. E todo mundo em algum momento, especialmente enquanto criança, já olhou para o céu – e pode ter se perguntado em algum momento se existem outros planetas como o nosso lá fora ou se esses planetas têm vida. As perguntas são muito antigas e as respostas são muito recentes: o primeiro exoplaneta encontrado fora do sistema solar, 51 Pegasi b, foi descoberto em 1995. E o que estamos vivendo com esses achados é uma nova revolução Copernicana – está nos fazendo repensar o nosso lugar no Universo e nos dando uma outra perspectiva. Acho que essas descobertas estão nos ajudando a pensar que sim, existe um monte de planetas no Universo, e provavelmente alguns muito similares à Terra – e podemos ousar pensar que, mesmo que não tenhamos encontrado vida neles ainda, pode haver seres vivos nesses lugares. E quem sabe se esses seres não estão encarando os mesmos problemas que nós? 

Agora mesmo, com as mudanças climáticas que estamos induzindo e com todas as implicações que vêm com elas, estamos mudando a habitabilidade do nosso próprio planeta a ponto de nos prejudicar. Estamos tornando nosso planeta um lugar menos confortável e menos habitável para nós mesmos. E penso que essa revolução Copernicana de encontrar outros planetas além do nosso sistema solar pode nos ajudar a enxergar as coisas de uma outra forma – pensando que talvez não sejamos os únicos a lidar com estas questões no Universo. Assim a situação fica menos dramática e conseguimos pensar que dá para fazer algo para lidar com isso. 

E então esperamos que as gerações futuras farão isso por nós porque falhamos nessa missão.

É bom colocar esperança nas gerações futuras, sim – mas na nossa geração também! Acho que a maior lição que tive com as oportunidades que me foram dadas por fazer astronomia é que nós, como indivíduos, podemos fazer a diferença. Cada um de nós deveria fazer o que acha certo, mesmo sentindo às vezes que o problema não está nas nossas mãos – de alguma forma, ele está, sim. 

Ajuda pensar que somos parte de algo maior. Às vezes eu gosto de pensar sobre o nosso cérebro e sobre como há bilhões de neurônios nele e eles estão “atirando” em direções aleatórias, mas, como um todo, ainda assim conseguimos ter pensamentos coerentes – existem padrões na forma como esses neurônios se comportam em meio ao caos.

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Atualidades sobre a Lua e Exomoons

Recentemente a missão Apollo 11, responsável pelo primeiro pouso na Lua, completou 50 anos e um novo plano está em ação para o retorno. A missão Artemis levará pela primeira vez uma mulher até o solo lunar, sendo um projeto de autoria da NASA, ESA e algumas instituições privadas.

A versão atual do programa Artemis incorpora vários componentes principais de outros projetos cancelados da NASA, tais como o Projeto Constellation (uma nova geração de naves para voos espaciais com humanos) e o Asteroid Redirect Mission (uma futura missão espacial que iria de encontro com um grande asteroide próximo da Terra e usaria braços robóticos com pinças de fixação para recuperar uma pedra de aproximadamente 4 metros do asteroide).

 

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Figura 1: Lua. Créditos: NASA/GSFC/Arizona State University

 

A missão Artemis sofreu vários golpes orçamentários nos últimos anos o que fez com que o projeto adiasse seu cronograma algumas vezes com previsão atual de chegada à Lua em 2024 .

Recentemente uma notícia curiosa chamou a atenção, a sonda israelense Beresheet foi feita para ser a primeira sonda privada a pousar na Lua. E tudo estava indo bem até que os controladores da missão perderam contato em abril enquanto a nave robótica descia. Além de toda a tecnologia que foi perdida no acidente, Beresheet tinha uma carga incomum: alguns milhares de tardígrados conhecidos como ursos-d’água. Muito resistentes, os tardígrados podem sobreviver a temperaturas variando desde pouco mais do que o zero absoluto (-272,15 °C) até os 150°C, pressões altíssimas e grandes níveis de radiação, cerca de 1000 vezes mais que um ser humano pode suportar!

Como a Lua é considerada sem vida, o escritório de proteção planetária da Nasa não desaprova as missões que derramam organismos terrestres em sua superfície. Afinal, astronautas já deixaram para trás seus próprios micróbios nos 96 sacos de lixo humano que aguardam algum futuro limpador na Lua. Se a espaçonave tivesse derramado sua carga viva em Marte, a história poderia ser diferente.

Dentro do sistema Solar sabemos que diversos planetas têm “luas”, satélites naturais, como pode ser visto mais detalhadamente nessa série de artigos da nossa página . Fora do nosso sistema temos as Exomons, “luas” de planetas orbitando estrelas que não se encontram no Sistema Solar. No final de 2018 pesquisadores apresentaram novas observações de uma candidata a “lua” associada ao Kepler-1625b usando o Telescópio Espacial Hubble.

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Figura 2: Impressão artística do planeta Artist’s do planeta Kepler-1625b orbitando sua estrela com a possível exomoon.Créditos:Dan Durda/Science

 

O sistema Kepler-1625 se encontra a mais de 8 mil anos-luz do nosso sistema e contém uma estrela bem similar ao Sol, o planeta Kepler-1625b é um gigante gasoso com cerca de 10 massas da Júpiter. As evidências em favor da hipótese da “lua”, foi baseada em decréscimos de fluxo de luz da estrela consistente com uma grande exomoon em trânsito (passando na frente da estrela). Como todo o trabalho foi feito apenas com os dados do Hubble, os pesquisadores defendem o monitoramento futuro do sistema para verificar as previsões do modelo e confirmar a existência da “lua”.

 

Referências:

[1] Evidence for a large exomoon orbiting Kepler-1625b; Alex Teachey and David M. Kipping; Sci Adv 4 (10), eaav1784. DOI: 10.1126/sciadv.aav1784

[2] https://apod.nasa.gov/apod/ap190716.html

[4] https://www.nasa.gov/artemis/

[3]https://www.theguardian.com/science/2019/aug/06/tardigrades-may-have-survived-spacecraft-crashing-on-moon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Cérebro crítico: novas evidências para uma teoria sobre transições de fase entre estados cerebrais.

Várias vezes usamos expressões como “minha cabeça está fervendo” ou “meu cérebro derreteu” numa analogia despretensiosa entre as super conhecidas transições de fase do estado líquido para o gasoso ou do sólido para o  líquido. Mas existe, de fato, uma hipótese relacionando os estados do nosso cérebro e as transições de fase em sistemas físicos. E a pergunta da moda é “Que transição seria essa?”

 

 

Quando você abre uma caneca de café quentinho (daquelas que têm uma tampinha para o café não esfriar), inevitavelmente algumas moléculas do vapor de café se difundem no ar e atingem seu nariz. Isso garante que você poderá sentir o aroma desta iguaria (que facilita o avanço da ciência há muitos séculos).  E isso só acontece porque alguns neurônios receptores no seu nariz são capazes de identificar estas moléculas e transmitir essa informação através de sinais elétricos para diferentes regiões do seu cérebro. Ou seja, um processo que começa em uma escala molecular vai ser transmitido para regiões cada vez maiores do seu sistema nervoso de maneira a gerar uma reação cognitiva na escala comportamental. Por exemplo, desencadeando um sorriso ou uma careta se o cheiro for agradável ou não.

Uma questão ainda em aberto no meio científico é como relacionar a atividade cerebral que ocorre em diferentes escalas de tempo e espaço e o nosso comportamento. Em outras palavras como a atividade aparentemente desordenada de tantos neurônios respondendo a estímulos externos pode se tornar organizada para dar origem a padrões tão complexos de comportamento. E é aqui que as ideias de transições de fase [1] e criticalidade podem nos ajudar.

No caso particular do nosso exemplo com o café, poderíamos pensar numa transição de fase entre dois estados específicos: um com muita atividade desencadeada pelos neurônios receptores e outro sem atividade. Imagine que os neurônios do nariz estivessem fracamente conectados entre si, ou que a capacidade de resposta deles a um estímulo fosse muito pequena. Neste caso, você só sentiria o cheiro de café se praticamente encostasse o líquido no nariz. Dizemos que nesta fase seria necessário um estímulo muito grande para que a atividade dos neurônios fosse mantida por tempo suficiente para que percebêssemos o aroma. Caracterizamos este estado como absorvedor, uma vez que para estímulos pequenos os neurônios rapidamente iriam parar de disparar ou ficariam em silêncio e a informação não se propragaria.

Por outro lado, se os neurônios do nariz estivessem fortemente conectados ou em um regime super sensível, bastaria alguém esquecer um copinho de café em cima da mesa (ver Figura 1) a muitos metros de distância que seus sensores já seriam capazes de perceber o cheiro. Além disso, se a atividade elétrica não diminuísse facilmente, você poderia passar o dia todo com a sensação de que ainda estava sentindo o tal cheirinho de café. Dizemos que esse estado é ativo, pois qualquer estímulo, por menor que seja gera uma resposta alta e duradoura.

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Figura 1: Imagem do copinho de café mais famoso do ano. (Se você não acompanhou as fofocas de Game of Thrones pode ler mais sobre esse cafezinho aqui.)

Pensando sobre esses dois extremos, parece razoável imaginar que o ideal é que nossos neurônios operem em um estado intermediário entre o silencioso e o ativo. Portanto, é fácil imaginar que exista um ponto ótimo no meio do caminho entre ser absorvente e ser super reativo e que talvez o nosso cérebro poderia estar próximo a este ponto. Essa analogia foi bastante utilizada nos últimos anos para exemplificar uma possível transição de fase no cérebro e uma preferência por estados próximos ao ponto crítico onde essa transição ocorreria.

Mas de onde veio essa ideia?

Nos anos 80 o físico Per Bak propôs que, através de interações locais, diversos sistemas complexos poderiam se auto organizar em torno de um ponto crítico. Esta criticalidade estaria, em geral, relacionada a uma transição de fase entre um estado bagunçado e outro mais organizado. Esse fenômeno ficou conhecido como criticalidade auto organizada e tem como uma das principais características a presença de distribuições do tipo lei de potência [2] em que eventos pequenos (ou de curta duração) têm uma probabilidade maior de ocorrer do que eventos grandes (ou de longa duração). Per Bak também propôs que o cérebro funcionaria de acordo com esses mesmos princípios. Segundo esta teoria, que ficou conhecida como criticalidade cerebral ou hipótese do cérebro crítico, a atividade neuronal obedeceria às mesmas leis matemáticas que o deslizamento dos grãos de areia empilhados na base de uma ampulheta. Ou seja, que a ocorrência de certos eventos, chamados avalanches, com diferentes tamanhos permitiriam manter a estabilidade global do sistema. No caso da areia as avalanches são deslizamentos de uma certa quantidade de grãos. Enquanto que no caso do cérebro essas avalanches seriam disparos elétricos de alguns neurônios.

Em 2003 Beggs e Plenz [3] publicaram a primeira evidência experimental para sustentar a hipótese do cérebro crítico. Eles mostraram que a atividade elétrica espontânea dos neurônios em fatias de cérebro de ratos, de fato, exibe uma lei de potência. Isto é, a probabilidade P(s) de observar uma avalanche com s disparos neuronais é proporcional a s elevado a um certo expoente (nesse caso: P(s)~s^(-1,5)).

Desde então muitos outros estudos mostraram evidências a favor desta hipótese, mas também contra ela. Um dos pontos fracos da teoria foi levantado em um estudo recente, que mostrou que a assinatura de lei de potência também pode ser encontrada em sistemas que estão longe de um ponto crítico [4]. Outro ponto contra é que a ideia da transição de fase no nosso exemplo do café entre um estado silencioso e outro ativo não leva em conta que o estado silencioso não é encontrado em um cérebro vivo. Ela também deixa de fora um estado cortical bastante conhecido dos experimentos em neurociência que diz respeito às oscilações cerebrais (alguns deles já descritos anteriormente aqui, aqui e aqui).

Certo, mas e daí?

E daí que, em maio deste ano, um grupo de físicos brasileiros (trabalhando em universidades públicas) publicou em uma das revistas internacionais mais importantes da física o que pode ser considerada a evidência mais forte em favor da hipótese do cérebro crítico [5]. Fortalecendo, portanto, a ideia de que o cérebro, de fato, opera em um ponto intermediário entre dois estados cerebrais diferentes. Além disso, os resultados deste trabalho sugerem que a transição de fase não ocorre entre um estado absorvente e outro ativo como no exemplo inicial do cafezinho, mas sim entre duas fases ativas: sincronizada e dessincronizada.

O grupo estudou a atividade elétrica do córtex visual primário em ratos anestesiados e utilizou uma medida da variabilidade desta atividade ao longo do tempo [6] para quantificar os diferentes estados corticais (ver exemplo de três estados diferentes na Figura 2(a)). Os estados encontrados para o tipo específico de anestesia utilizada variam desde uma atividade muito sincronizada (parecida com a que ocorre em alguns estágios do sono) até uma atividade aparentemente aleatória (parecida com estados acordados). O grupo mostrou que os tamanhos e durações das avalanches neuronais obedecem às distribuições de leis de potência verificadas in vitro no estudo de 2003 (ver Figura 2(b)). E que alguns dos resultados também são encontrados em dados de domínio público de experimentos realizados com outros animais (macaco, tartaruga e rato).

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Figura 2. Modificada da Referência [5]: Visão geral dos resultados experimentais fortalecendo a hipótese do cérebro crítico. (a) Atividade do córtex visual do rato anestesiado em três diferentes estados corticais com coeficiente de variação e nível de sincronização crescendo da esquerda para direita. (b) Distribuição do tamanho das avalanches P(S) obedecendo uma lei de potência para o estado de sincronização intermediária (vermelho). (c) Relação de escala mais rígida para os coeficientes críticos que só é obtida quando a curva azul e preta se interceptam. Indicando que a transição de fase ocorre em estados de sincronização nem muito alta nem muito baixa.

 Os pesquisadores mostraram ainda que os dados obedecem a uma condição matemática mais rigorosa do que somente a existência de uma lei de potência, e que reforça a hipótese de criticalidade. Em particular, essa condição mais especial de criticalidade não é satisfeita para qualquer valor de atividade, mas somente em estados corticais que estão entre regimes de alta e baixa sincronização (caracterizado por valores intermediários do coeficiente de variação, como mostrado na Figura 2(c)). Isto significa que a transição de fase pode ocorrer entre um estado com atividade muito aleatória e outro com atividade muito sincronizada.

Finalmente, o grupo analisou um modelo teórico de neurônios excitatórios e inibitórios chamado CROS (sigla do inglês para oscilações críticas, critical oscillations) que pode representar uma transição para um estado com oscilações corticais. Eles mostraram que as relações entre os expoentes críticos obtidos a partir deste modelo são mais parecidas com as obtidas utilizando os dados experimentais analisados do que o modelo bem conhecido de transição entre estados ativos e inativos (como no exemplo do café).

Todas estas novas evidências fortalecem a hipótese de que o cérebro pode estar operando próximo a uma transição de fase entre dois estados bem definidos; e abre novas perspectivas na busca de um modelo teórico, baseado em mecânica estatística, que explique a diversidade dos expoentes críticos obtidos com diferentes dados experimentais. Esperamos que a determinação de tal modelo contribua para um melhor entendimento do cérebro como um todo; e da relação entre as escalas neuronais microscópicas e as escalas macroscópicas do comportamento.

E, claro, esperamos que pesquisas como essa sirvam de exemplo para a sociedade sobre a qualidade e a importância do trabalho que é realizado nas Universidades Federais do nosso país.

Referências e comentários:

[1] As transições de fase mais conhecidas estão relacionadas com os estados sólido, líquido e gasoso da matéria. Em particular estamos bastante acostumados com transições chamadas de primeira ordem onde coexistem gelo e água líquida, ou água líquida e vapor que podem ser induzidas por fornecimento de calor e ocorrem a uma temperatura constante e que depende da pressão. Existem porém transições ditas de segunda ordem que possuem características diferentes das de primeira ordem. Por exemplo, no ponto crítico do diagrama pressão versus temperatura da água temos uma transição de segunda ordem em que o fluido está tão quente e comprimido que não é possível diferenciar as fases líquida e gasosa.

[2] Matematicamente a probabilidade P de ocorrer um evento de tamanho s é dada por: P(s)~(s)^k  e este gráfico pode ser representado por uma reta em escala log-log. Diferentemente da distribuição normal (Gaussiana) este tipo de distribuição não apresenta um tamanho característico.

[3] Beggs, John M., e Dietmar Plenz. “Neuronal avalanches in neocortical circuits.” Journal of neuroscience 23.35 (2003): 11167-11177.

[4] Touboul, Jonathan, and Alain Destexhe. “Power-law statistics and universal scaling in the absence of criticality.” Physical Review E 95.1 (2017): 012413.

[5] Fontenele, Antonio J., et al. “Criticality between cortical states.” Physical review letters 122.20 (2019): 208101.

[6] O coeficiente de variação CV de uma série temporal é definido como a razão entre o desvio padrão da atividade e sua média.

Outros textos sobre criticalidade cerebral:

https://www.quantamagazine.org/toward-a-theory-of-self-organized-criticality-in-the-brain-20140403/

https://www.quantamagazine.org/do-brains-operate-at-a-tipping-point-new-clues-and-complications-20190610/

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Linha do Tempo Invertida e Informação Quântica

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Créditos: Wang Guoyan e Chen Lei

Em meio a todo o pesadelo da física do ensino médio (incluindo os mnemônicos constrangedores para memorização de fórmulas) a termodinâmica sempre me pareceu a frente mais amistosa. Sem muito sofrimento, absorvi logo a ideia de que as coisas são feitas de partículas, que formam, átomos que formam moléculas… E que tudo isso se mexe, o tempo todo, numa escala de espaço muito pequena para ser observado diretamente pelos nossos olhos. Me pareceu também um conceito razoável dizer que um corpo está “quente” quando suas moléculas estão muito agitadas e, conforme elas “esbarram” em outras menos agitadas, vão perdendo energia até que todo mundo esteja mais ou menos na mesma vibe, com o perdão do trocadilho.

 Descobri depois que uma importantíssima lei da física enuncia que não é possível acontecer o inverso: não dá pras partículas mais quietas, por uma ação delas mesmas, apaziguarem as mais agitadas. Em outras palavras, se existe um esquema fechadinho na natureza e as coisas dentro dele estão em um certo “nível de bagunça”, esse nível de bagunça sempre permanece o mesmo ou piora. Chamamos o “nível de bagunça” de entropia e essa é a Segunda Lei da termodinâmica. [Três físicos teóricos acabam de morrer após essa simplificação]*. Usamos essa lógica por muito tempo, sempre que precisamos transferir calor de um lugar para outro: o calor flui do quente para o frio, sempre nessa direção e, se quisermos fazer o contrário, precisamos de uma forcinha externa. 

AÍ ~OS FÍSICO~ RESOLVEM FRITÁ.

Um belo dia, vem o sr. James Maxwell (cuja aparente função na história da ciência era “causar”) numa tarde de chuva (só pode!) propondo o seguinte exercício de imaginação: “e se a gente pudesse, dentro do sistema fechadinho, separar as moléculas agitadas das calmas? Se um pequeno “demônio” ficasse lá dentro e direcionasse as agitadas pra um lado e as calmas para o outro?”

UUUhhhh.. a galera pirou. Fritou. Gaguejou. O experimento mental ficou conhecido como “O demônio de Maxwell”. Todo mundo tentando explicar que OBVIAMENTE não dava pra fazer isso e, mesmo que houvesse um “demônio” (ou qualquer dispositivo que cumprisse o mesmo papel), isso violaria a Segunda Lei. Mas o óbvio, meus amigos, não é nada fácil de se explicar. E na física não dá só pra dizer que “não dá”. Não dá pra torcer o narizinho e dar as costas quando não gostamos de uma pergunta. Na física, tem que explicar PORQUÊ não dá. 

E DAÍ QUE DÁ SIM.

Conforme os nossos conhecimentos sobre o mundo “microscópico” foram avançando, conseguimos criar, teoricamente, ferramentas que bloqueassem as partículas menos agitadas no sistema, sem um gasto relevante de energia e dentro da mais pura, bela e rebuscada lógica da ciência – sem escândalo. Lindo, lindo mesmo. Umas contas, uns modelos… vocês precisam ver. Mas o povo quer o que? O povo quer internet instantânea. O povo quer os jogos rodando na mais perfeita brisa do cooler. O povo quer cerveja gelada espontaneamente em 30 segundos. E isso exige menos perda de calor já! Mas aí é que tá a boniteza da física teórica, vanguardista – uma vez aberto o portal:

SEGURA ESSE DEMOGORGON, JAIME MACSSUEL, PORQUE O MUNDO INVERTIDO CHEGOU.

Metendo o pé com ciência brazuca, a publicação da Nature Communications relata o experimento que foi capaz de observar o fluxo espontâneo e invertido do calor. O bonde formado por pesquisadores da Universidade Federal do ABC (Associados da Balbúrdia Comunitária**) em conjunto com o Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) (“B” de Brasil, né meu povo), o Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF – USP) e colaboradores internacionais observou qubits (qubit is the new bit) levados a diferentes temperaturas utilizando ressonância magnética nuclear e, posteriormente, o fluxo de calor do qubit mais frio para o mais quente. A sacada foi o estado inicial do sistema: as partículas observadas (qubits) possuíam uma conexão entre si, chamada “correlação quântica”, que mantém as informações dessas partículas “conectadas” ainda que elas estejam muito distantes uma da outra. Nada místico no laboratório: muita conta, suor, medida e investigação. Toneladas de ciência. Conforme essa conexão “enfraquece”, a soma das entropias (aquela desordem) individuais diminui e o calor flui no sentido chocante. AUGE. A tal correlação entra como um ente no sistema isolado, mantendo a Segunda Lei a salvo. [Físicos respiram].

Você tá achando tudo isso Black Mirror demais? Porque eu não acabei… O que o experimento pôs em xeque foi a irreversibilidade de certos processos físicos. Isso porque ressignificar a variação de entropia relativiza também a famosa “linha do tempo” (Arthur Eddington) e sua direção única possível, uma ideia baseada justamente na concepção de processos irreversíveis. É a física quântica estapeando o senso comum. Além disso a causa da troca estranha de calor parece relacionada à troca de informação, e é incrível que esses conceitos estejam de fato ligados entre si. 

O resultado deste importante experimento se reflete, por exemplo, na nossa atual concepção do Cosmos: as coisas aconteceram mesmo na ordem que pensávamos ser “obrigatória”? A computação quântica e o domínio sobre esse tipo de informação, por sua vez, nos permitem vislumbrar computadores muito mais rápidos e criptografias invioláveis [certos juízes respiram…], resolvendo o “gargalo” mundial de transferência de dados e nos levando a uma dimensão de informação ainda não imaginável – não como carros voadores e roupas prateadas. Computadores quânticos são uma realidade (ainda não acessível financeiramente) e os experimentos de transferência instantânea de informação estão entre nós. Apesar da magnitude espacial do experimento da troca de calor “invertida”, os autores afirmam não haver razão para que isso não funcione em larga escala. Por hora, você pode conseguir ajuda com a coisa da cerveja com essas rainhas da engenharia aqui. Eu sei que quântica parece ficção, mas a ciência nos trouxe pelos séculos através de sua estrutura sólida, sempre ampliando os horizontes visualizados “sobre os ombros de gigantes”. Não vamos fechar os nossos olhos a ela. Leiam textinhos, discutam ciência no bar, combatam a desinformação, se hidratem, troquem calor. Reinventem. 

Já falou com seus demônios hoje?

*Houve protesto quanto a essa afirmação (por parte da física teórica).

**Na sigla da Universidade Federal do ABC, “ABC” se refere às cidades do ABC Paulista  e a menção é apenas mais uma brincadeira do texto.

Referências

  1.  NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:2456 | https://doi.org/10.1038/s41467-019-10333-7 | http://www.nature.com/naturecommunications
  2. http://agencia.fapesp.br/experimento-inverte-o-sentido-do-fluxo-de-calor/30700/
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Nos oceanos, tamanho é documento!

Por que alguns mares são mais salgados que outros? Por que a temperatura no Hemisfério Norte varia mais que no Hemisfério Sul? Qual é o oceano mais quente? Tudo isso tem a ver com o formato dos nossos oceanos. Hoje  conversaremos sobre como as dimensões do oceano influenciam em alguns dos processos físicos mais comuns!

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Ocean Waves. UN DESA.

 

A maior parte da superfície terrestre é coberta por mar, cerca de 71% oceano e 29% continentes. Esses 71% correspondem a um volume de água de aproximadamente 1.360.000 km3 de água. A profundidade média dos oceanos é de 4km e, em relação ao nível do mar, os oceanos possuem maiores diferenças altimétricas do que os continentes. Enquanto somente 11% da superfície terrestre está acima de 2000m, 84% do assoalho oceânico tem profundidade superior a 2000m. As máximas de ambos, no entanto, são similares com a Fossa das Marianas >11.000m e o monte Everest com quase 9000m. Apesar da profundidade média dos oceanos ficar em torno de 4000 m, essa distância vertical é relativamente pequena quando comparada à escala horizontal dos oceanos, que está entre 5000km e 15.000km. O oceano é uma camada bem fina em relação a superfície terrestre e, para sua adequada representação, precisa de exagero da escala vertical. 

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Relação entre a altitude dos continentes e a profundidade do oceano. Fonte: Reproduzido de Emanuelly Verde.

 

O oceano é “mais alto”, contém um impressionante volume de água e diversas subdivisões e feições topográficas. Como isso influencia nas características físicas dos oceanos?

MARES E DIMENSÕES 

Os oceanos são bacias na superfície sólida da Terra contendo água salgada. As maiores áreas oceânicas são o Oceano Pacífico, o Oceano Índico, o Oceano Atlântico, o Oceano Ártico e o Oceano Austral. Os primeiros 4 são claramente divididos por massas continentais, mas os limites que o Oceano Austral faz ao norte com os outros oceanos são dinâmicos. Ou seja, são determinados somente pelas características das águas e pela circulação. A Corrente Circumpolar Antártica é a corrente principal da Antártica e suas frentes são consideradas como os limites dinâmicos do oceano Austral.  

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Mapa-mundi com divisões do planeta em hemisférios, oceanos e massas continentais. Encyclopædia Britannica, Inc.

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Observe a demarcação do Oceano Austral. Ao contrário dos demais oceanos, demarcação é dinâmica. Nesse caso, ele é demarcado ao norte pela Zona de Convergência Antártica e ao Sul pelo continente Antártico.

 

Além das bacias oceânicas, existem os Mares Marginais. Eles são bacias de água salgada razoavelmente grandes que são conectadas ao oceano aberto por um ou alguns canais estreitos. Os que são conectados por poucos canais são chamados de mares mediterrâneos, em referência ao Mar Mediterrâneo do continente europeu.

→ Mar Mediterrâneo

O Mar Mediterrâneo apresenta um balanço negativo de P-E (precipitação e evaporação), ou seja, menos entrada de água doce (deságue de rios e precipitação) e mais evaporação.

→ Mar Negro

Exemplo de balanço positivo, ele se conecta ao Mar Mediterrâneo.

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Note como o Mar Negro (Black Sea) se conecta ao Mar Mediterrâneo por um pequena passagem em seu limite sul. Fonte: Free World Maps.

 

O termo mar também é utilizado para porções do oceano que não são divididas por terra, mas tem características oceanográficas locais que as distinguem do seu entorno.

→ Mar da Noruega

O Mar da Noruega se caracteriza pela presença de uma batimetria profunda que “aprisiona” as águas naquela região. Essas bacias profundas podem servir de proxy em estudos, pois a renovação das águas é bastante lenta.

→ Mar do Sargasso

É uma região cercada por correntes oceânicas e que está inserida em um giro anticiclônico. É conhecido pela grande concentração de algas que acaba sendo deslocada para seu interior.

À esquerda, esquema ilustrativo da circulação dominante no Mar do Sargasso (Fonte: Domínio Público). À direita, foto da localidade mostrando a acumulação de algas (Fonte: European Space Agency). 

A forma, a profundidade e a localização geográfica dos oceanos afetam as características gerais de circulação de cada oceano. 

→  Proporção de água para terra em cada hemisfério – HN 1.5:1 / HS 4:1. 

O potencial calorífico da água é muito maior do que o dos continentes, tornando os oceanos um excelente regulador térmico. Ou seja, essa proporção influencia diretamente na amplitude térmica, que por sua vez influencia o gradiente de pressão, que influencia a intensidade dos ventos e que transfere momentum às correntes superficiais. A maior amplitude térmica se dá no HN, por ter menos água.

→ Largura das Bacias

O Atlântico forma um “S” bem marcado no seu centro e o Pacífico possui uma distribuição mais oval o que impacta em como a circulação se ajusta à mudança de fatores que a influenciam. A diferença de largura implica por exemplo, nas características termohalinas (salinidade e temperatura) de cada oceano. O Pacífico, para uma mesma latitude, apresenta regiões (mais extensas) com temperatura superficiais mais altas do que as do Atlântico. Isso acontece porque o Oceano Pacífico é significativamente mais amplo perto do equador do que o Atlântico.

Compare a largura das bacias.  Fonte: CIA – The World Factbook.

 

Mas como exatamente se dá esse processo de aquecimento desigual? A maior parte do aquecimento dos oceanos e exportação de calor tem lugar nas regiões equatoriais, e é importante notar que as águas não são estacionárias. De forma geral, a circulação nos oceanos abertos pode ser descrito como giros anticiclônicos – giros conduzidos pelo vento, no sentido horário no hemisfério Norte e sentido anti-horário no hemisfério sul. Assim, em ambos os oceanos Atlântico e Pacífico, as águas do oceano viajam para o oeste ao longo do equador a cerca de 10-15 cm/s.

O Atlântico tem cerca de 6.500 km de largura na linha do equador, enquanto o Pacífico tem quase 18.000 km de largura. Isto significa que no Atlântico, as águas passam por sua região de maior aquecimento durante cerca de 45 dias, enquanto no Pacífico passam por este aquecimento por cerca de 125 dias antes de serem desviados norte e sul para os giros subtropicais.

Assim, as águas superficiais do Pacífico se submetem a esse aquecimento por quase 3 vezes mais tempo que as águas do Atlântico, resultando em temperaturas de superfície mais elevadas e maior exportação de calor para latitudes mais altas.

→  Volume

O Oceano Pacífico abriga cerca de 49% do volume total dos oceanos, representando mais do que o volume do Atlântico e do Índico somados.

→  Limites latitudinais

Observando o oceano Índico, percebemos que ele não faz parte de nenhuma região polar. A inexistência de regiões frias, impede que se forme água de fundo ou profunda no Índico.

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Observe o Oceano Índico, área hachurada, não se estende ao sul de 60°S. Fonte: CIA – The World FactbookCIA – The World Factbook

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Referências

  1. Lynne D Talley. Descriptive physical oceanography: an introduction. Academic press, 2011.
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O eclipse de 1919: pela paz e pelo método científico

A comprovação da Teoria da Relatividade está comemorando um século de idade. Neste 29 de maio, a comunidade científica rememorou as expedições de observação de um eclipse total do Sol em Sobral, no Ceará, e na Ilha do Príncipe, na costa oeste da África.

A data é relevante porque traz à memória uma contribuição extremamente importante daquele que provavelmente é o cientista mais conhecido de todos os tempos: Albert Einstein. Ele, que formulou a Teoria da Relatividade em 1915, não tinha como comprová-la apenas por cálculos. Era preciso fazer observações e comparações. Pesar evidências.

Einstein não acompanhou as expedições, que, lideradas por Arthur Eddington na Ilha do Príncipe e por Andrew Crommelin em Sobral, contaram com a participação de equipes da Royal Astronomical Society. Britânicos e brasileiros estavam atrás de evidências de que corpos massivos – como o Sol, por exemplo – “deformam” o espaço-tempo em seu redor. É mais ou menos como colocar uma bola de futebol sobre um tecido estendido ou em cima de uma cama fofa. Se essa bola fosse o Sol, a curvatura que causa no tecido, ou no Universo, é o que explicaria o movimento dos planetas ao seu redor. Não era mais a gravidade newtoniana.

Se fosse possível observar a luz de uma estrela próxima do Sol enquanto ele estivesse no céu – e se a posição dela fosse diferente quando o Sol não estivesse lá -, isso seria um forte indício de que a teoria de Einstein estava certa. Como o Sol ofusca as outras estrelas durante o dia, essa observação não era viável. No entanto, um eclipse solar era a oportunidade perfeita para fazer esse teste. E foi o que aconteceu em Sobral e Príncipe: os pesquisadores conseguiram observar a constelação de Touro e viram que sim, a posição dessas estrelas durante o dia não era exatamente a mesma durante a noite. Einstein tinha razão!

A descoberta catapultou o cientista alemão para o estrelato mundial, beneficiou a ciência brasileira e causou uma revolução no mundo da Física: as leis que valem para nós aqui na Terra não se aplicam a galáxias, estrelas e buracos negros.

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Esta foto, tirada na Ilha do Príncipe (oeste da África), consta no relatório de Arthur Eddington sobre as observações que fez com sua equipe. Fonte: Wikipedia, CC0

O feito também nos lembra sobre como o método científico funciona e como ele é importante para se chegar a fatos e conclusões. Hipóteses sem testes e análises continuam sendo hipóteses. Só se tem um fato comprovado quando grupos diferentes de pessoas se debruçam sobre aquela hipótese e procuram entender, com metodologias sólidas e de forma honesta, se ela se confirma na realidade.

O eclipse centenário tem outro legado que também fala muito sobre como a ciência funciona. Ela é, essencialmente, um empreendimento colaborativo e internacional, capaz de unir pessoas de crenças e valores diferentes na busca de um único objetivo. Não é exagero dizer que a ciência, por sua própria natureza, tem o potencial de promover a paz.

Não podemos nos esquecer de que as observações em Sobral e Príncipe aconteceram em um período imediatamente posterior à I Guerra Mundial. A busca de Einstein e Eddington resultou em uma colaboração científica entre Alemanha e Reino Unido. Em um período pós-guerra, isso definitivamente não foi pouca coisa.

Em um artigo de 2003, Matthew Stanley, pesquisador do departamento de história da ciência na Universidade Harvard, conta que as dores da guerra em curso deixou um gosto amargo que começou a atrapalhar a cooperação entre britânicos e alemães. Pesquisadores do Reino Unido não tinham o mesmo ânimo para continuar cooperando com seus colegas da Alemanha – e em 1916 houve quem dissesse que a Alemanha deveria ser banida da ciência internacional.

Arthur Eddington, em uma carta à publicação Observatory na mesma época, desejava que a guerra não envenenasse a cooperação científica entre países. A astronomia, em especial, era, e é, uma ciência altamente internacional. Para Eddington, levar as fronteiras da guerra para o empreendimento científico, relata Stanley, era “um completo desentendimento das necessidades básicas e dos objetivos mais nobres da ciência”.

Um alerta que continua válido mais de um século depois de publicado.