O big bang da evolução

A fotossíntese pode até parecer um processo simples, mas não é. Em sua coluna de maio, Carlos Alberto dos Santos fala das lacunas no conhecimento sobre esse fenômeno e de como entendê-lo poderia ajudar a aumentar a eficiência do uso da energia solar.

Por: Carlos Alberto dos Santos

Publicado em 27/05/2011 | Atualizado em 27/05/2011

Estrutura da enzima fotossistema II, responsável pela quebra da molécula de água, que resulta na produção de elétrons e prótons. O surgimento dessa enzima na Terra é considerado o “big bang da evolução”. (imagem: Curtis Neveu/ CC BY-AS 3.0)

O título, extraído de textos do bioquímico britânico James Barber, refere-se ao surgimento na Terra, há aproximadamente dois bilhões de anos, de um dos componentes do processo de fotossíntese.
Se você não é especialista do ramo, provavelmente vai dizer que a clorofila é a responsável pela cor verde da vegetação. Isso é apenas uma parte da história desse fenômeno, que é responsável por todas as formas de vida em nosso planeta.

A fotossíntese continua desafiando nossa inteligência para entender muitos de seus aspectos

Expresso em termos gerais, a fotossíntese aparenta ser muito simples. Ao incidir sobre a folha de uma planta, a luz solar produz uma reação fotoquímica, tendo água e gás carbônico como reagentes e oxigênio e glicose como produtos da reação. É o início da produção de biomassa.
Mas bastam umas poucas perguntas sobre detalhes do processo e logo se descobre sua complexidade. Não é por nada que mais de três séculos depois de sua descoberta, a fotossíntese continua desafiando nossa inteligência para entender muitos de seus aspectos.
No início do mês, a prestigiosa revista Science publicou artigo assinado por 18 pesquisadores de famosas universidades de vários países com o único objetivo de comparar cálculos de eficiência na fotossíntese e nos sistemas fotovoltaicos, uma tarefa tão difícil quanto necessária para o desenvolvimento tecnológico da energia solar.

Usina solar PS10, na Espanha. Pesquisadores tentam comparar a eficiência na fotossíntese e nos sistemas fotovoltaicos, uma tarefa difícil, porém necessária, para o desenvolvimento tecnológico da energia solar. (foto: Wikimedia Commons/ afloresm – CC BY 2.0)

Uma parte da dificuldade em calcular a eficiência energética da fotossíntese reside na falta de conhecimento detalhado do processo. Um alerta contundente para algumas lacunas nesse conhecimento foi dado recentemente por Marco Sacilotti e colaboradores do Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE).
Não resta mais dúvida de que o mecanismo da fotossíntese é controlado pela mecânica quântica. No entanto, a literatura atual não apresenta elementos quantitativos ou mesmo qualitativos para justificar essa hipótese, afirmam os pesquisadores da UFPE ao propor modelos para sanar essa dificuldade.
Uma das principais deficiências dos modelos atuais é a falta de uma boa compreensão das forças que determinam o movimento de cargas elétricas positivas e negativas no interior dos sistemas fotossintetizantes.

Eficiência natural

Se por um lado o tratamento quântico da fotossíntese tem muito a evoluir – o que representa um vasto campo de trabalho para biólogos, físicos e químicos –, por outro, o cenário geral do processo já está bem estabelecido.
Não há mais questionamento na literatura sobre a natureza inicial do processo, que ocorre quando a luz solar atinge a clorofila e outros pigmentos fotossensíveis presentes nas folhas de plantas e algas.
A energia absorvida nessa interação é transferida para uma enzima estruturalmente complexa, conhecida como fotossistema II (PSII, na sigla em inglês). O surgimento dessa enzima na Terra é considerado o “big bang da evolução”.

Pesquisadores acreditam que procedimentos de engenharia genética possam contribuir para aumentar a eficiência energética de sistemas naturais

Ela é responsável pela quebra da molécula da água, que resulta na produção de elétrons e prótons por meio de um processo termodinâmico com eficiência de aproximadamente 70% na conversão da energia associada à luz solar incidente em energia armazenada nas ligações químicas dos produtos formados.
Para se ter ideia do quão alta é essa eficiência, basta compará-la com os 18% da mais eficiente célula solar disponível hoje comercialmente. Todavia, até chegar ao estágio energético utilizável, os sistemas naturais dissipam energia sob diferentes formas e, ao final, a eficiência teórica não ultrapassa 4,5%, e os melhores resultados experimentais não ultrapassam 3%.
Biólogos, físicos e químicos que trabalham na área acreditam que procedimentos de engenharia genética possam contribuir para aumentar essa eficiência. Uma possibilidade seria alargar artificialmente a faixa do espectro solar absorvido por pigmentos fotossensíveis.
É que os sistemas naturais captam apenas luz na faixa visível para realizar a fotossíntese. Então, se for possível manipular esses materiais para incluir pigmentos absorvedores de outras faixas, a eficiência poderá ser maior, na medida em que mais energia será captada para a mesma intensidade de radiação solar.

Física quântica & biologia sintética

O processo inverso da fotossíntese é a fotorrespiração, produzida pela ação de oxigênio sobre glicose, que libera energia sob a forma de água e gás carbônico. A fotorrespiração chega a consumir até 25% da energia inicialmente armazenada na fotossíntese.
Para enfrentar essa limitação, a natureza desenvolveu em algumas plantas a fotossíntese C4, na qual o gás carbônico é fixado em um ácido com quatro átomos de carbono. O resultado disso é que ao apresentar maior eficiência na fixação do gás carbônico e pequena perda de água, as plantas C4 praticamente dispensam a fotorrespiração. Já existem pesquisas em andamento na tentativa de incorporar materiais fotossintetizantes do tipo C4 em plantas nas quais inexistem esses componentes.

'Fimbristylis dichotoma'. Nas plantas do gênero 'Fimbristylis', ocorre a fotossíntese C4. Nesse processo, o gás carbônico é fixado em um ácido com quatro átomos de carbono, o que resulta em maior eficiência energética. (Keisotyo/ CC BY-SA 3.0)

Outras opções consideradas pela engenharia genética encontram-se em estudo, e as mais instigantes têm a ver com o uso tecnológico dos conceitos da teoria quântica para o estabelecimento da biologia sintética.
O amadurecimento das ferramentas teóricas e experimentais da biologia e da física chegou ao ponto de aplicação das ideias lançadas no início dos anos 1940 pelo físico austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), que ao referir-se aos organismos multicelulares disse que sua “singular engrenagem não é de grosseira manufatura humana, mas a mais requintada obra-prima já conseguida pelas leis da mecânica quântica”.

Carlos Alberto dos Santos
Professor-visitante sênior da Universidade Federal da Integração Latino-americana

Em busca de uma teoria unificada

7/1/2011
Por Fábio de Castro

Agência FAPESP – A teoria da relatividade geral explica a gravidade. A mecânica quântica explica as forças nucleares e o eletromagnetismo. Conciliar as duas teorias é um dos maiores desafios para a física.
A solução mais eficiente até agora para unificar gravitação e mecânica quântica é a chamada teoria das supercordas, que está em plena construção. Nos últimos dez anos, o esforço internacional para promover avanços nessa área tem contado com a importante participação de pesquisadores ligados ao Projeto Temático "Pesquisa e ensino em teoria de cordas", financiado pela FAPESP.

Sob coordenação de Nathan Jacob Berkovits, professor titular do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), o projeto é o terceiro realizado sobre o tema desde 2000. Naquele ano, Berkovits apresentou uma formulação matemática inovadora, desenvolvida ao longo de 15 anos, que ficou conhecida como “espinores puros”. Esse formalismo tem sido importante, na última década, para facilitar os cálculos relacionados ao estudo da teoria das supercordas. Em 2009, ele recebeu o Premio em Fisica de TWAS (Academia de Ciencias do Mundo em Desenvolvimento) em reconhecimento deste trabalho.

Projeto Temático coordenado por Nathan Berkovits (IFT-Unesp) contribuiu nos últimos dez anos para promover avanços na teoria das supercordas e em seu ensino. Área de fronteira poderá unificar gravitação com as outras forças (Wikipedia)

Desenvolvida a partir da década de 1960, a teoria das supercordas é um modelo físico no qual os compomentes fundamentais da matéria não são os pontos sem dimensão que caracterizavam as partículas subatômicas na física tradicional, mas objetos extensos unidimensionais, semelhantes a uma corda. Dependendo do “tom” da vibração dessas cordas, elas corresponderiam a cada partícula subatômica.
De acordo com Berkovits, o Projeto Temático, que envolve uma série de parcerias internacionais, tem explorado as aplicações dos espinores puros em várias frentes no desenvolvimento da teoria de supercordas.
“A teoria de supercordas é a tentativa mais bem sucedida até agora para unificar a gravitação e a mecânica quântica, teorias cuja conciliação corresponde a uma tarefa muito difícil. Os físicos teóricos também sonham que a teoria das supercordas possa unificar todas as forças e partículas fundamentais da natureza, mas isso, por enquanto, é apenas um sonho”, disse Berkovits à Agência FAPESP.
Os avanços no campo teórico, no entanto, são bastante reais. O formalismo dos espinores puros tem sido a ferramenta mais apropriada para o estudo da correspondência AdS/CFT (sigla em inglês para espaço anti-de-Sitter / teoria do campo conformal) – também conhecida como a conjectura de Maldacena.
Essa conjectura, proposta pelo argentino Juan Maldacena em 1997, deu um impulso sem precedentes à teoria das supercordas e à pesquisa sobre a gravitação quântica. O artigo no qual Maldacena propôs a conjectura teve mais de 3 mil citações e se tornou um dos principais marcos conceituais da física teórica na década de 1990.

“Além de trabalharmos a aplicação dos espinores puros ao estudo da correspondência AdS/CFT, temos avançado na aplicação desse formalismo a outras frentes também, como o cálculo da amplitude de espalhamento”, contou Berkovits.
O estudo do espalhamento de cordas – que está relacionado ao espalhamento de partículas – enfrenta grandes dificuldades quando as partículas envolvidas são férmions. Todas as partículas elementares da matéria são férmions ou bósons, que têm spin semi-inteiros ou inteiros, respectivamente, e obedecem mecânicas estatísticas diferentes.
“Com a aplicação do formalismo dos espinores puros, o estudo do espalhamento de cordas envolvendo férmions não é mais difícil que os casos que envolvem bósons. Outra vertente na qual trabalhamos com a aplicação do formalismo dos espinores puros é a teoria de campos de cordas, que ainda está em estágio inicial de desenvolvimento”, explicou.

Segundo Berkovits, quando o físico teórico descreve uma partícula, emprega uma variável que descreve a sua posição. Mas quando se trata de uma partícula com spin – como fótons ou elétrons – a variável da posição não é suficiente para a descrição.

“Existem várias maneiras para descrever o spin e a mais tradicional foi o formalismo de Ramond-Neveu-Schwarz, concebido em 1973. Mais tarde, em 1980, foi desenvolvido o formalismo de Green-Schwarz – uma nova maneira de descrever o spin que trazia algumas vantagens. Mas trazia desvantagens também: ele não preservava a invariância de Lorentz, uma importante propriedade relacionada às rotações do espaço-tempo”, disse.
Desde 1980, portanto, os físicos teóricos vinham tentando resolver os problemas com o formalismo de Green-Schwarz. Até que em 2000 o formalismo dos espinores puros resolveu a questão da descrição do spin de partículas de uma maneira que preservava todas as simetrias presentes na teoria da relatividade.

Comunidade internacional

Estima-se que existam atualmente cerca de 2 mil pesquisadores envolvidos com o estudo de teoria das supercordas. Berkovits tem trabalhado com cerca de 50 deles. O Projeto Temático que coordena se beneficia das conexões internacionais de seus pesquisadores participantes.
“Além dos estudos feitos pelos nossos pós-doutorandos e pós-graduandos, temos muitas colaborações no exterior. Trazemos uma série de especialistas para colaborar conosco e participar de congressos que organizamos e, por outro lado, enviamos frequentemente alunos para trabalhar com equipes internacionais e participar de eventos”, disse o pesquisador que recebeu em 2009 o Prêmio de Física da Academia de Ciências para o Mundo em Desenvolvimento (TWAS).
O grupo envolvido diretamente com o Temático tem atualmente um aluno de pós-doutorado, três de doutorado, três de mestrado e um de iniciação científica. Dois professores recentemente contratados pelo IFT também atuam no projeto. Outros alunos já passaram pelo grupo e agora atuam em outras universidades do Brasil e do exterior.

“Estamos contribuindo para a formação de uma comunidade envolvida com o estudo da teoria das supercordas. É uma importante e fértil área de fronteira, mas que ainda conta com pouca gente no Brasil, em comparação com o resto do mundo”, afirmou.

O interesse pela área, no entanto, está aumentando. Prova disso foi a alta procura pela participação no evento realizado em dezembro pelo IFT e pelo Centro Internacional de Física Teórica (ICTP, na sigla em inglês), da Unesco. “Recebemos 200 inscrições e só podíamos aceitar metade”, disse Berkovits.
O curso, intitulado Escola ICTP-Capes Latino-Americana de Cordas, reuniu alguns dos principais pesquisadores do mundo na área, como Juan Maldacena e o norte-americano Joe Polchinski – ambos vencedores do prêmio Dirac – a mais importante premiação da área da física depois do Prêmio Nobel.