A Fisica do Ambiente

10 capítulo

Interações bioquímicas: explorando bioluminescência e corais

EIXOS ESTRUTURANTES DO CAPÍTULO: –

Explorar os processos de emissão de luz por meio de conceitos da estrutura da matéria.

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Investigar os processos de bioluminescência pelo ponto de vista da Física.

Já esteve em uma floresta à noite? Em alguma delas você viu pequenos pontinhos esverdeados ou amarelos que acendem e se apagam? Sabe o que causa isso? É um inseto bem pequeno chamado vagalume! Uma das características mais exuberantes da natureza é a capacidade de alguns seres vivos de emitir luz própria, a chamada bioluminescência. Neste capítulo, vamos explorar um pouco sobre como este fenômeno ocorre. Também veremos como esses seres podem nos dar um indicativo de como está a saúde do nosso planeta.

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OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM:



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Explorar os conceitos da dualidade onda-partícula e fóton.

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Investigar os mecanismos de emissão de fótons devido ao processo de excitação e desexcitação de elétrons e um átomo.

Conhecer a luminescência e seus tipos mais comuns no nosso dia a dia.

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Descobrir o processo de emissão de luz como resultado da bioluminescência pela visão da Física.

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1. Ondas eletromagnéticas e fótons: a dualidade onda-partícula Antes de começarmos a falar da bioluminescência, vamos passear um pouco por alguns conceitos físicos relacionados à emissão de luz. No capítulo 6, quando falamos de auroras, fizemos uma explicação simplificada do processo de emissão de luz por excitação eletrônica. Agora vamos detalhar um pouco mais esse processo e fazer uma breve discussão sobre as propriedades de onda e partícula dos fenômenos eletromagnéticos.

Penetra na atmosfera? (Y-sim, N-não)

Tipo de radiação Comp. de onda (m)

Rádio 103

Microondas Infravermelho 10–2 10–5

Visível 0,5 × 10–6

Ultravioleta 10–8

Raios X 10–10

Raios Gama 10–12

Escala do comp. de onda

Prédios

Pessoas Borboletas Ponta agulha Células

Moléculas

Átomos

Núcleos

1018

1020

Disponível em: < https://cdn.kastatic.org >

Quando estudamos ondas eletromagnéticas é comum vermos imagens que representam este espectro, desde as ondas de rádio até os raios gama. Para investigarmos as propriedades de uma onda, existem alguns parâmetros que são fundamentais para descrevê-las, como sua velocidade V, seu comprimento λ (medido como a distância entre duas cristas ou dois vales, por exemplo) e sua frequência ν (número de oscilações executadas por segundo), expressa pela letra grega chamada nu (se lê ni).

Frequência (Hz)

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1012

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Espectro eletromagnético. Na imagem temos alguns itens para efeito de comparação com os respectivos comprimentos de onda .

As ondas eletromagnéticas de forma geral possuem certas características que são comuns a qualquer tipo de fenômeno ondulatório, ou seja, que são manifestadas por qualquer tipo de onda: • São perturbações que se propagam através do vácuo ou de algum meio, transportando energia e momento. • Não possuem uma posição definida. • Não possuem massa. • Sofrem reflexão, difração, refração, interferência, etc. O comportamento das ondas eletromagnéticas é estudado há mais de um século e diversos experimentos já foram conduzidos para comprovar suas propriedades. Um dos mais conhecidos é o chamado experimento de Young, realizado em 1801. Ele envolve propriedades de interferência e difração, cujo mecanismo detalhado não vamos explicar aqui, mas que podem ser visualizados na imagem a seguir. O mais importante é que este experimento comprova que a luz, assim como todo espectro eletromagnético, é uma onda.

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Imagem demonstrando o experimento de Young. A luz atravessa por duas fendas e sofre difração, formando num anteparo posicionado mais à frente regiões iluminadas e escuras, em decorrência dos processos de interferência construtiva e destrutiva.

Contudo, considerando os estudos sobre a luz ao longo da história, veremos que a crença no seu caráter ondulatório é relativamente recente. Durante muitos séculos, acreditava-se que a luz era composta por corpúsculos. Um dos principais defensores desta interpretação foi Isaac Newton (1643-1727). Ele acreditava que os fenômenos ópticos observados na natureza poderiam ser explicados se considerássemos a luz como pequenos corpúsculos (ou partículas) de forma esférica, que colidiriam com as superfícies sendo refletidos ou refratados. Da mesma forma como enumeramos com as ondas, existem algumas características que são inerentes aos fenômenos corpusculares: • Ocupam uma posição pontual no espaço. • Podemos descrever suas posições por meio de uma função de coordenadas, como por exemplo f = f(x, y, z). • Possuem massa. • Possuem uma geometria que pode ser definida. • Sofrem reflexão, difração, refração, interferência etc. A ideia de que a luz era composta por pequenas partículas se manteve durante muitos séculos, até que trabalhos como o do cientista neerlandês Christiaan Huygens (16291695), que tratavam a luz como uma onda, e o experimento de Young colocaram um fim na discussão: a luz é uma onda. Contudo, a natureza é como uma cebola: podemos tirar uma casca e sempre haverá outras embaixo para explorarmos. No final do século XIX e início do século XX vinham sendo desenvolvidos experimentos para continuar a investigação do caráter ondulatório da luz. Um deles consistia em arrancar elétrons da superfície de uma placa metálica ao incidir sobre ela uma onda eletromagnética – iluminando-a, por exemplo. O objetivo desses experimentos era estabelecer uma relação entre a intensidade da luz que incidia e a energia cinética dos elétrons que eram ejetados. Um cientista que conduziu pesquisa para testar a hipótese foi o físico alemão Philipp Lenard (1862-1947), e ele concluiu que essa relação não existia. O resultado ia na contramão da ideia da luz ser uma onda.

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Em 1905, o físico Albert Einstein, baseado nas ideias de outro físico chamado Max Planck, propôs a explicação de que aquele efeito – conhecido como efeito fotoelétrico – ocorre porque a luz é quantizada. Isto significa que ela não é composta por uma distribuição contínua de energia, mas por pequenos pacotes de energia, que são absorvidos pelos elétrons fornecendo-lhes energia cinética suficiente para arrancá-los dos átomos que compõem a superfície daquela placa metálica. Desta maneira, Einstein demonstrou que a luz é formada de pequenas partículas, chamadas de fótons, cuja energia E é proporcional à frequência da radiação. Daí, vem a fórmula:

Elétrons ejetados Radiação eletromagnética

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E = hν, onde h tem o valor aproximado de 6,62 · 10–34 m2 kg/s e é a chamada constante de Planck e ν é a frequência da radiação medida em Hz.

Modelo esquemático do efeito fotoelétrico.

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Albert Einstein foi o físico responsável pela explicação do efeito fotoelétrico. Mais tarde esse trabalho lhe renderia a nomeação ao Prêmio Nobel.

Assim, demonstrou-se que a luz é composta por partículas e apresenta características de corpúsculos. Mas você pode estar se perguntando: “Então, afinal, a luz é uma onda ou uma partícula?”. A resposta para isso é: os dois! Na verdade, a luz pode se comportar como uma onda ou como uma partícula, pois seu comportamento depende do tipo de experimento que você realizar. Essa capacidade de manifestar-se nas duas formas é chamada de dualidade onda-partícula. É uma característica muito peculiar na natureza, e de extrema importância para os estudos que investigam o interior da matéria, como a chamada Mecânica Quântica. Por fim, para dissipar qualquer confusão causada por esse comportamento dual, podemos entender que não só a luz, mas outros fenômenos também compartilham a dualidade onda-partícula, propagando-se como se fossem uma onda e trocando energia como se fossem uma partícula.

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2. O processo de emissão de luz por um átomo A partir do entendimento do conceito de dualidade onda-partícula, podemos prosseguir para investigarmos o processo de emissão de luz por parte dos átomos.

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Antes, porém, vamos lembrar rapidamente da estrutura do átomo: um núcleo composto por prótons e nêutrons rodeados por uma nuvem eletrônica povoada por elétrons.

Estrutura do átomo, segundo o modelo de Bohr.

Na representação do modelo de Bohr, o átomo se estrutura com um núcleo central rodeado por elétrons. As linhas representam as órbitas ocupadas pelos elétrons, e cada órbita (K, L, M e outras) representa um nível energético. As regiões mais próximas no núcleo são as de menor energia, e as mais afastadas as de maior energia. O modelo de Bohr, embora seja bastante ilustrativo para explicar o átomo, não é o mais preciso. Mas para fins de experimentos mentais, vamos continuar nos baseando nesse modelo e criar uma situação fictícia cujo objetivo é exemplificar o processo de emissão de luz que será a base para o entendimento do funcionamento da bioluminescência. Se pensarmos em uma situação em que a radiação eletromagnética interage com um átomo, um dos processos que podem ocorrer é a absorção da radiação por um elétron que estivesse na camada L, por exemplo. Ao absorver a energia da radiação incidente, esse elétron saltaria para a camada M, ficando em um estado excitado, ou seja, um estado de maior energia. Passado certo tempo, vamos supor que o mesmo elétron decaia (perca energia) e retorne para a camada L. Quando isto ocorre, ele emite um fóton, e a energia deste fóton é a diferença de energia entre as camadas L e M. Usando, então, os conceitos que aprendemos na seção anterior, a energia do fóton emitido pelo elétron no momento da desexcitação seria calculada como a diferença entre a energia EM do elétron na camada M e energia EL do elétron na camada L:

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n=3

EM - EL = ∆E.

n=2 n=1 +Ze

∆E = hν

Ilustração do modelo de desexcitação do elétron. Os níveis energéticos são enumerados como n1, n2, n3, etc. Quando o elétron realiza um salto de uma camada mais energética (n3) para uma menos energética (n2), ele emite um fóton, cuja energia é a diferença entre as camadas.

Combinando a equação para energia de um fóton que mostramos na seção anterior, temos: ∆E = hν. Posteriormente, o elétron poderia sofrer outro decaimento, mas da camada L para camada K, emitindo novamente um fóton no processo. A energia deste fóton seria então a diferença entre a energia do elétron nas camadas L e K. Este é um processo extremamente importante, pois ele demonstra que um dos princípios primordiais da Física também está presente no mundo atômico: o princípio da conservação da energia.

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3. A luminescência: os brilhos da natureza A bioluminescência é um fenômeno relacionado à capacidade de alguns seres vivos de emitir luz. De fato, ela se deriva de um fenômeno mais geral, conhecido como luminescência. Vamos então visitar alguns conceitos e fenômenos que explicam esse comportamento da natureza. A luminescência é o fenômeno físico que corresponde à emissão de luz de um dado material como resposta a uma interação com ondas eletromagnéticas ou como resultado de uma reação química. Existem diversos tipos de luminescência, alguns presentes no nosso dia a dia. Um dos mais comuns é a fluorescência. Este processo consiste na emissão de luz por um objeto devido à absorção de radiação eletromagnética. Um elétron, ao absorver o fóton da radiação incidente, torna-se excitado ocupando um nível mais energético na eletrosfera. Ao passar um intervalo de tempo, que pode variar de 10–9 até 10–15 segundos, esse elétron sofre uma desexcitação, liberando o excesso de energia na forma de um fóton com menor energia.

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Os objetos fluorescentes são aqueles que brilham quando os iluminamos e param de brilhar quando retiramos a fonte de luz. Este efeito é muito utilizado em alguns tipos de placas de trânsito, que brilham quando são iluminadas pelos faróis dos veículos.

Uma aplicação muito importante da fluorescência é o estudo de rochas e minerais. Nesta imagem podemos ver um conjunto de minerais expostos a radiação UV-A, UV-B e UV-C, e emitindo radiação eletromagnética no espectro visível. Esta característica permite aos cientistas estudar a propriedades dos materiais, como por exemplo arranjos atômicos.

Outro tipo bastante comum de luminescência na natureza é a fosforescência. Trata-se da emissão de luz por parte de um objeto ao ser exposto a radiação eletromagnética, em que a reemissão de luz tem um intervalo de tempo maior. A diferença principal da fosforescência para a fluorescência é que nela a emissão da luz não é “instantânea”, ou seja, o material fosforescente absorve a radiação incidente e reemite esta radiação num intervalo superior ao da fluorescência. Desta forma, mesmo que você interrompa o estímulo de luz sobre o material, ele ainda permanece brilhando por certo período de tempo.

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Exemplo de relógio fosforescente. Ele é exposto a uma quantidade de radiação eletromagnética e em seguida, ao apagarmos as luzes, permanece brilhando no escuro durante um período de tempo. Este efeito era muito utilizado em alguns tipos de interruptores de luz e em estampas de camisas, entre outras aplicações.

Outros tipos de luminescência Existem diversos outros tipos de luminescência, cujo gatilho para gerar a emissão de luz varia de processo para processo. Veja alguns deles: • • • • •

Quimiluminescência: processo de emissão de luz resultante de uma reação química. Eletroquimioluminescência: processo de emissão de luz ocasionado por uma reação eletroquímica. Crioluminescência: processo de emissão de luz devido ao resfriamento de um objeto. Eletroluminescência: processo de emissão de luz resultante de uma corrente elétrica que atravessa uma substância. Lioluminescência: processo de emissão de luz resultante da dissolução de objeto irradiado por radiação ionizante, em um solvente na forma líquida. • Sonoluminescência: processo de emissão de luz gerado pela implosão de bolhas em um líquido quando excitado por ondas sonoras. • Termoluminescência: processo de emissão estimulado que ocorre quando a emissão de luz termicamente excitada segue a absorção prévia de energia da radiação. lembretes

4. Como ocorre a bioluminescência? A bioluminescência é outro fenômeno derivado da luminescência. Qual seria sua diferença para a fosforescência e a fluorescência? A diferença principal reside no fato de que a bioluminescência é um processo de emissão de luz realizado por um ser vivo. O mecanismo principal para este efeito é o resultado de uma reação química, e não da exposição à radiação eletromagnética, como nos casos da fluorescência e da fosforescência. No processo de bioluminescência as reações químicas consistem na oxidação de um substrato de molécula orgânica emissora de luz, chamada de luciferina. Essas reações são catalisadas pela presença de uma enzima chamada luciferase. Devido à grande diversidade de combinações moleculares de luciferina e luciferase, tais reações químicas possuem poucas semelhanças, embora se acredite que a intensidade da luz emitida seja um reflexo da velocidade na qual ocorre a reação entre a enzima e o substrato.

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Um ponto importante a ser destacado é que a luciferina é um nome geral que se utiliza para moléculas capazes de emitir radiação eletromagnética (predominantemente no espectro visível), portanto é um substrato distinto para cada ser vivo. A grande maioria das reações químicas que envolvem liberação de energia (reações exotérmicas) tem como resultado a dissipação dessa energia através da produção de calor. Entretanto, no caso das reações que envolvem a bioluminescência, o substrato absorve a energia liberada fazendo com que ele eleve seu estado eletrônico para um nível mais energético, ou seja, tornando suas partículas excitadas. Nesta etapa, o processo é semelhante ao que ocorre nos processos de luminescência citados na seção anterior. Em termos físicos, a distribuição espectral da bioluminescência é semelhante à distribuição espectral da fluorescência. Contudo, a cor produzida pelo processo de bioluminescência é influenciada pelo estado excitado do produto. Este é o mecanismo que regula a característica da luz emitida, estimulada por um processo biológico do ser vivo, como, por exemplo, a autodefesa.

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Para entender as radiações emitidas no processo de bioluminescência, vamos utilizar como exemplo a faixa do espectro visível das radiações eletromagnéticas. O espectro visível da radiação eletromagnética compreende as radiações cujo comprimento de onda λ varia de aproximadamente 400 nm (que corresponde ao violeta) até cerca de 750 nm (que corresponde ao vermelho).

Faixa do espectro visível, que varia do violeta (λ = 400 nm) até o vermelho (λ = 750 nm).

Água viva emitindo uma coloração azulada.

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Os espectros da radiação emitida nos processos de bioluminescência por criaturas marinhas estão compreendidos numa faixa entre λ = 450 nm e λ = 510 nm, que corresponde a uma coloração mais voltada para o azul. Já no caso de criaturas terrestres, o espectro de emissão varia aproximadamente no intervalo dos comprimentos entre λ ~ 500 nm e λ ~ 600 nm, o que corresponde a uma coloração entre verde e amarelo.

Lampyris noctiluca, uma espécie de vaga-lume muito comum em Portugal, emitindo luz esverdeada.

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Proteína fosforescente na medicina Uma das atuais aplicações da bioluminescência é na área de medicina. O processo consiste na utilização de uma proteína verde luminescente, ou GFP, misturada com certos tipos de luciferases cujo objetivo é serem marcadores. GFP é uma proteína extraída de águas-vivas bioluminescentes, que emitem uma luz fluorescente verde ao serem expostas à luz azul. Essa proteína é utilizada para marcar bactérias ou vírus e observar seu comportamento com a ajuda da luz emitida no processo de fluorescência, oferecendo informações acerca dos mecanismos que geram infecções. Outra aplicação é a rastreabilidade de processos inflamatórios pela marcação de leucócitos. A descoberta da GFP e suas aplicações no campo da medicina fizeram com que os pesquisadores Osamu Shimomura, Martin Chalfie e Roger Tsien fossem laureados com o Prêmio Nobel de Química em 2008.

Modelo computadorizado da estrutura da GFP.

Um ponto importante refere-se à transmissão da coloração nos meios. Se o meio é a água do oceano, a emissão de luz no espectro entre as cores azul e verde (λ entre 400 nm e 500 nm) terá maior eficiência. Contudo, no caso das espécies terrestres, a sua sensibilidade visual máxima está na faixa do amarelo. Portanto, para os organismos marinhos os pigmentos visuais são mais sensíveis para as colorações azul-esverdeadas.

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O fenômeno da bioluminescência é uma característica presente em diversos seres vivos marinhos e terrestres, sendo mais comum nos primeiros. Sua função depende da espécie que estamos analisando, mas é possível traçarmos algumas características principais, como defesa, escolarização dos peixes, predação, camuflagem, acasalamento, comunicação e metabolismo da digestão.

Imagem de uma onda quebrando com a presença de dinoflagelados bioluminescentes.

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Os vagalumes e a cultura japonesa Os vagalumes são um espetáculo da natureza! Aqui no Brasil não costumamos atribuir um significado simbólico a esses insetos, mas há culturas em outras partes do mundo que os estimam bastante! Um exemplo são os japoneses, que chamam o bichinho de hotaru. Desde o período feudal japonês (século XVI) podem ser encontrados registros sobre a relação dos habitantes das ilhas nipônicas com os vagalumes. Para eles o animal tem dois significados. O primeiro é relacionado ao amor expresso em poesias. Já o segundo é uma referência aos soldados que perdiam a vida em campos de batalha. O fascínio pela beleza e simplicidade dos vagalumes resultou em uma prática que perdurou por séculos: coletar os animais para levar para casa. Nas noites de primavera e verão, era comum crianças e adultos se ocuparem da caça aos vagalumes (hotarugari), como pode ser verificado em muitas xilogravuras tradicionais japonesas.

Gravura japonesa ilustrando a coleta de vagalumes.

Gelatina brilhante Sabia que é possível fazer uma gelatina que brilha no escuro? E é super fácil. Ingredientes: • • • • •

1 pacote de gelatina incolor 1 lata de água tônica Açúcar Copinhos ou uma forma de gelatina 1 lâmpada de luz negra Preparação da gelatina:

1. 2. 3. 4.

Despejar em uma vasilha o pacote de gelatina incolor. Esquentar metade da água tônica no micro-ondas sem ferver e depois adicionar ao pó de gelatina para dissolvê-lo. Adicionar o restante da água tônica e adoçar a gosto. Colocar a mistura em uma forma ou copinhos e levar à geladeira para a gelatina endurecer.

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Fazendo sua gelatina brilhar: Após a gelatina ficar pronta, você vai precisar ligar a luz negra e aproximar a gelatina dessa fonte luminosa. Então a ciência começa a acontecer e sua gelatina brilha em uma coloração azulada. O que você está vendo é um fenômeno de luminescência, mais precisamente a fluorescência. A água tônica tem uma substância chamada quinina que, devido à sua composição, reage emitindo fótons quando exposta a uma fonte de radiação eletromagnética, como a luz negra.

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Apesar do gosto não ser muito atraente, o fenômeno é bem legal! E você ainda pode usar numa festa, adicionando ciência à sua diversão!

Garrafa de água tônica iluminada com luz negra apresentando o fenômeno da fluorescência.

Estudando seres bioluminescentes Também no Brasil há pesquisas que estudam a bioluminescência. O estudo desse fenômeno e dos organismos que a produzem tem grande importância tanto no aprofundamento deste conhecimento como na sua aplicação. Cassius Stevani, químico da Universidade de São Paulo (USP), dedica grande esforço ao estudo deste fenômeno. Que tal dar uma conferida no trabalho dele e de sua equipe?

• Como fungos usam química para brilhar no escuro da mata

• Bioluminescência pode ser alternativa sustentável para iluminar ambientes urbanos

atividades Suponha que sua amiga fanática por Biologia está observando a vida marinha em uma de suas viagens, e realiza algumas medidas no momento em que uma água-viva emite luz proveniente de seu processo de bioluminescência. Contudo, sua amiga não consegue dizer qual a cor observada e pede sua ajuda para tentar encontrar o comprimento de onda da luz emitida.

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Ao mostrar os dados de suas medidas, sua amiga lhe diz que a energia de um dos fótons que ela captou durante as observações era de aproximadamente 2,635 eV.



Considerando o produto hc = 1.240 eV · nm, onde h é a constante de Planck e c é a velocidade da luz, qual o comprimento de onda λ observado neste processo?



Este comprimento de onda está no espectro visível? Se sim, qual cor corresponde a ele?

para acessar • Hiperconectado | Bioluminescência (TV Cultura) Programa apresentado pelo biólogo e divulgador da Ciência Átila Iamarino. Nesta edição, o tema central é bioluminescência e Átila conversa com diversos especialistas trazendo as abordagens mais atualizadas sobre o assunto.

Sei explicar a dualidade onda-partícula da radiação eletromagnética. Reconheço o que são fótons. Defino luminescência e diferencio seus dois tipos mais comuns no nosso cotidiano. Defino bioluminescência e identifico sua origem e suas funções para os seres vivos.