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10 de novembro de 2019

Todo biólogo é um bioinformata?


Fonte: UPMC  - Hillman Cancer Center Cancer Bioinformatics Services (link em hd - http://hillmanresearch.upmc.edu/images/cbsserv.jpg)

Texto escrito por: Vilmar Filho
Atualmente vivemos na era tecnológica, onde o acesso à informação é agilizado e facilitado pelos smartphones e pela internet móvel. Você já parou para pensar quanta informação recebe em um dia? Todo esse grande volume de dados gera opiniões, discussões e mais dados, que repetem este mesmo ciclo. Com a ciência não é diferente: a cada ano se produz mais e isso nos leva a novas discussões, mais pesquisas, novas hipóteses e… mais conhecimento científico. Um estudo de revisão do tema realizado por Bornman e Mutz, em 2014, mostrou um crescimento exponencial na produção científica e no número de citações a cada ano.

O número de citações de uma pesquisa reflete seu impacto na comunidade de cientistas, ou seja, uma pesquisa é citada se ela é inovadora ou gerou novas dúvidas; alimentou novas hipóteses; novos experimentos e, com todo este processo, mais conhecimento é gerado. Com base nisso, a partir da década de 60, segundo esses mesmos autores, o desenvolvimento regular da produção científica permitiu estabelecer uma projeção de crescimento de 8 a 9% ao ano. Ou seja, dobra-se a produção científica global a cada 10 anos!

Interessante, mas o que isso tem a ver com a biologia? Bom, em princípio, tudo. A tecnologia nos permite, cada vez mais, gerar, organizar e analisar dados por meio de computadores (in silico) e isso caracteriza o papel de um bioinformata. A partir do aprimoramento de técnicas e desenvolvimento de tecnologias, gera-se um volume gigantesco de dados, que precisam ser analisados e organizados de forma a contribuir para o avanço científico. 

Mas que tipo de dado um biólogo pode gerar? Variados! Imagine Carolus (Carl) Linnaeus (1707-1778) - cientista do século XVII, pioneiro na classificação dos organismos com base em suas características (ramo da biologia que chamamos de taxonomia), que nomeou diversas espécies, inclusive a nossa (Homo sapiens). Realizava suas primeiras observações, analisava o mundo com a curiosidade de uma criança, identificava características de plantas, percebia as diferenças de estruturas as quais ele próprio teve que nomear. Depois de nomear, ele começava a observar e agrupar as plantas com características parecidas. Hoje, Linnaeus organizaria estas informações em bases de dados e criaria suas árvores filogenéticas baseadas em características morfológicas e moleculares. Hoje ele seria um bioinformata.

Para além da classificação das formas de vida, após a popularização das técnicas de sequenciamento de DNA  passou-se a gerar um volume crescente de dados a cada ano, que inicialmente, diziam (de várias formas) apenas: A,T,C,G. 

Voltamos ao ciclo dos dados, onde se guarda tudo isso? 

Foi feito um acordo entre 3 bases de dados, protocolado em 1987, que estabelecia uma base de dados comum (inicialmente apenas de nucleotídeos), chamada INSDC (International Nucleotide Sequence Database Collaboration),  garantindo que todo dado sequenciado e publicado esteja disponível para a comunidade científica em uma das 3 bases do acordo - GenBank dos EUA, Arquivo Europeu de Nucleotídeos (ENA), alocado no Instituto de Bioinformática Europeu (EMBL) e o Banco de dados de DNA do Japão (DDBJ). 

Quando o genoma humano -  que consiste na sequência de DNA completo de da espécie, contendo toda informação necessária para manter esta forma de vida -  foi publicado em 2001, era o genoma humano. Pois era o único, deu um grande trabalho, custou muito e levou anos. Com o tempo, as técnicas de sequenciamento foram aprimoradas e ficaram mais baratas (Gráfico 1), permitindo que muitos outros genomas humanos fossem sequenciados, ultrapassando inclusive a projeção da Lei de Moore. Esta lei, postulada por Gordon Moore em 1965 - que estava abismado com o rápido crescimento da capacidade computacional das máquinas - determinou que a eficácia de processamento dobraria a cada 18 meses, mantendo seu custo. Com o tempo, utilizou-se esta métrica para toda e qualquer tecnologia com potencial crescimento inventada pela humanidade.

Hoje, o primeiro genoma humano é um dos 50 milhões de genomas humanos (estimado), alocados no INSDC, que mostram toda a variedade genética (sequenciada) da nossa espécie (Gráfico 2). Muitas vezes as coisas precisam ser redescobertas na ciência, e as novas tecnologias podem apenas confirmar resultados já obtidos, como o mapa genético da mosca-das-frutas, Drosophila melanogaster.

Em 1909, Morgan e colaboradores realizaram experimentos cruzando moscas em laboratório. Os cruzamentos forneciam proles variadas, algumas moscas aparentemente comuns, outras com algumas características peculiares, que as diferenciava das demais (cor do olho, formato de asa, cor do corpo), estas foram chamadas de mutantes. Os cientistas passaram a cruzar estas moscas diferentes e ver como as mutações apareciam nas proles. Se sabia como as características eram passadas de geração em geração (herança genética) - graças aos trabalhos de Mendel com ervilhas. Porém, a medida que realizavam cruzamentos, mais indivíduos mutantes apareciam e alguns com mutações frequentemente associadas - de forma que os cálculos não concordavam com a teoria Mendeliana. Assim, em 1911, Morgan propôs que estes genes mutados estariam no mesmo cromossomo e devido a isso, estes estariam “ligados” - como ele mesmo propôs. Essas descobertas levaram os cientistas a fazerem algumas conexões lógicas: todas as moscas possuem o mesmo tamanho de cromossomos; elas possuem os mesmos genes (que são essenciais para definição das características) e estes possuem uma localização exata em cada cromossomo, do contrário o conceito de genes ligados não se aplicaria. 

Com estas bases, Morgan conseguiu estipular a distância entre os genes baseado na frequência com que se estes genes se “desligavam” um do outro. Isso ocorre em um processo conhecido como crossing over. Durante a formação dos gametas, os cromossomos se alinham e “trocam pedaços” (que contém genes), mas isso não ocorre sempre e nem no mesmo local. A lógica por trás disso é que genes mais distantes um do outro têm um espaço maior para que este fenômeno ocorra, e genes mais próximos, o contrário. Assim, a distância entre 2 genes do mesmo cromossomo foi estabelecida com base em quantos fenómenos de crossing over se espera que ocorram entre eles (probabilidade estatística) em consonância com as observações dos cruzamentos realizados em laboratório.
Em homenagem ao cientista, a unidade de distância entre genes foi cunhada como centimorgan - cM. Ao calcular a distância de vários genes, em 1913, Morgan e colaboradores propuseram o mapa genético da mosca-das-frutas, que consistia na distância dos genes em cada um dos quatro cromossomos da espécie. Quase um século depois, em 2000, o genoma da espécie foi sequenciado e o mapa genético foi confirmado com poucas correções.
Gráfico 1 - Redução do custo de sequenciamento por genoma ao longo do tempo desde a publicação do genoma humano. | Fonte: NIH (National Human Genome Research Institute), 2019.

Gráfico 2 - Número de genomas humanos sequenciados e previsões para 2020 e 2025 baseados na taxa histórica (azul) e na lei de Moore (laranja). | Fonte: ARK Investment Management LLC


O que se faz com tantas letrinhas?

Constrói-se o alfabeto, depois um dicionário, alfabetiza-se um computador, ensina-o a ler e escrever poemas, a apreciar as grandes obras e contá-las às crianças! Ou seja, é preciso extrair a informação destes dados e tornar compreensível para as pessoas. Para isso é preciso reconhecer os padrões, buscar as semelhanças e exibir as conexões. Neste sentido, desenvolveram-se programas que identificam características em sequências de DNA, RNA e proteínas. Desde os mais simples (que dizem se uma sequência parece ser codificante para uma proteína, ou programas que identificam padrões que endereçam uma enzima à alguma região da célula); até algoritmos mais sofisticados, que permitem simular interações de compostos com a estrutura tridimensional da proteína; e redes neurais (arquiteturas de processamento criados com base na estrutura neuronal de organismos)

que buscam predizer a função de proteínas pela comparação da estrutura 3D (Figura 1) das mesmas - haja visto que a forma diz muito sobre a função quando o assunto é proteína. 
Figura 1 - Estrutura parcial da enzima álcool desidrogenase 1 humana - evidenciando o sítio ativo ao centro, que metaboliza o álcool. Fonte: PDB, disponível em: http://www.rcsb.org/structure/2VNA 
A integração destes processos possibilitou a construção de diversas metodologias de análise in silico, que permitiram catalogar as variações genéticas comuns encontradas nas espécies; comparar sequências de DNA de indivíduos diferentes, identificar mutações e peculiaridades de cada indivíduo. Esses processos inclinam a pesquisa biológica, cada vez mais, à medicina personalizada - em que o tratamento de um paciente é adaptado à suas condições biológicas individuais. Neste sentido, o sequenciamento do genoma de um indivíduo, permite a identificação de genes mutantes associados à potencialidade de desenvolver alguma doença - como no famoso caso de Angelina Jolie. Além da identificação destes marcadores, pode-se cruzar diferentes perfis genéticos para analisar a possibilidade de rejeição à um transplante. Espera-se ajudar a selecionar medicamentos mais efetivos e definir doses mais seguras - reduzindo efeitos colaterais - futuramente. Assim, estas metodologias podem melhorar a expectativa e qualidade de vida das pessoas, combinando conhecimentos biológicos e tecnologia da informação.

Ao realizar testes in silico, menos animais são utilizados para testes (e os que são, obedecem normas de respeito aos direitos dos animais e com autorização de um comitê de ética). Além disso, o uso de algoritmos inteligentes na medicina personalizada permite melhores diagnósticos e tratamentos aos pacientes. Assim, se você ainda não se fascinou pela vida artificial, saiba que ela pode salvar vidas.

O trabalho realizado por computadores necessita de dados experimentais para refinar e melhorar a eficácia das predições e simulações. Contudo é preciso verificar se os padrões determinados por um algoritmo fazem sentido biológico. As máquinas executam, nós pensamos!

Deste modo, a bioinformática atua como eixo integrador de uma perspectiva ampla, é uma grande ferramenta que serve à toda pesquisa biológica. Como no exemplo de Linnaeus: atualmente há bases de dados de vários organismos, que fornecem informações para pessoas que não trabalham com bioinformática, mas que, por vezes, precisam refinar suas técnicas por meio de simulações e/ou análises em computadores, a fim de melhor realizar um experimento, por exemplo. Por outro lado, experimentos em bancada alimentam bases de dados, que fornecem matéria prima para treinar e desenvolver novos algoritmos, tornando a vida bela também in silico

Assim, podemos dizer que todo biólogo é um bioinformata. 

Será? 

Bom, é apenas um rótulo baseado na ferramenta que o biólogo usa, como disse Markowetz em 2017: “Biólogo de pipetas. Bióloga de microscopia. Bióloga de cultura celular. Você já ouviu algum desses títulos de emprego? Não, claro que não [...] são biólogos”.

18 de outubro de 2019

Ideonella sakaiensis: Uma bactéria aliada para combater o lixo plástico

Por: Lucas Garbo
Uma de muitas paisagens que encontramos nos dias de hoje | Autor desconhecido.

Todos nós já nos deparamos alguma vez na vida com uma campanha anti-resíduos. O problema do lixo plástico, em especial, é um dos que mais recebe atenção pelos conservacionistas. A produção deste material data de 1907, mas foi apenas em meados de 1950 que a comunidade científica compreendeu que esse era um dos grandes inimigos do meio ambiente. Entre 1950 e 2015, estima-se que a geração desse tipo de resíduo tenha aumentado 200 vezes.

Existem diferentes tipos de plástico, e o tempo de decomposição varia entre eles, mas todos eles possuem, no mínimo, 100 anos para serem totalmente reciclados do ambiente. Isso acaba gerando uma problemática ambiental gigantesca, fazendo com que cientistas no mundo inteiro busquem soluções alternativas para essa questão. 

O politereftalato de etileno (ou PET, para os mais íntimos), é utilizado para servir bebidas, na maioria das vezes, sejam elas refrigerantes ou sucos. Por esse fato, é um dos tipos de plástico que mais gera resíduo. De acordo com o jornal britânico The Guardian (matéria disponível aqui), 20.000 garrafas PET são produzidas por segundo. E fica pior. De todas essas garrafas sendo produzidas, menos da metade é destinado para a reciclagem, e dessas que vão, apenas 7% são transformadas em novas garrafas. 

Para onde vai todo esse lixo então? Estima-se que todo ano, entre 5 e 13 milhões de toneladas entram pelas comportas do oceano. Grande parte dessa poluição é ingerida pelos seres marinhos. Já existem alguns estudos que dizem que já estamos comendo plástico indiretamente, provindo da carne de peixes e outros seres marinhos. Uma pesquisa feita pela Fundação Ellen MacArthur estima que em 2050 o peso de plástico do oceano irá se igualar ao dos peixes (caso queira ler mais sobre, basta clicar neste link). De fato estamos diante de uma problemática gigantesca. 

Aumento da produção anual global (em bilhões de toneladas) ao longo do tempo |  OurWorldinData (disponível em https://ourworldindata.org/plastic-pollution).

Mas agora o ser humano possui um aliado inusitado na reciclagem/na degradação de lixo plástico: a bactéria Ideonella sakaiensis. Cientistas japoneses descobriram essa nova espécie de microrganismo, encontrada em uma usina de degradação de garrafas PET, na cidade de Sakai, Japão (artigo disponível aqui). De acordo com a publicação realizada pelo grupo de pesquisa, foram coletadas 250 amostras de sedimento, água e lodo provindos de uma fábrica de reciclagem PET. Esses substratos foram colocados em meios de culturas a onde a única fonte de alimento era o carbono advindo de uma fina camada de PET. Com isso, sobreviveram apenas as bactérias que conseguiam degradar e metabolizar o plástico. Essas bactérias foram então isoladas das demais e caracterizadas, até se descrever a nova espécie. 

Foto de microscopia eletrônica da bactéria. Observe os prolongamentos comunicantes que elas possuem |  Fonte: Grupo de pesquisa que descobriu a nova espécie.

Mas não para por aí. Os cientistas encontraram a molécula responsável pelo milagre: a enzima denominada ISF6_4831. Ela foi colocada em comparação com outras enzimas capazes de degradar polímeros (longas cadeias moleculares de carbono, entre eles se encontra o plástico). Após esse experimento, viu-se que a ISF6_4831 era incrivelmente específica e era boa apenas na degradação do PET. Isso mostra que é possível utilizar o microrganismo (ou a enzima diretamente) para reciclar e degradar garrafas desse material.

Esse tipo de pesquisa é muito interessante pois mostra que muitas vezes alguns problemas da sociedade conseguem ser diminuídos com o uso da incrível ferramenta humana denominada ciência. Grande parte da problemática do lixo plástico PET poderia ser mitigado com o uso de uma bactéria encontrada em uma usina de reciclagem no Japão. É claro que isso ainda é uma utopia, mas na medida do possível, é algo que podemos e devemos tentar atingir. É por essa e outras razões, que entende-se a necessidade de continuar com investimentos na ciência. Afinal, parece ser a melhor maneira para que a sociedade humana possa se desenvolver sustentavelmente. 

Referências

RITCHIE, Hannah; ROSER, Max. Plastic Pollution. 2018. Disponível em: <https://ourworldindata.org/plastic-pollution>

YOSHIDA, Shosuke et al. A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate). Science, [s.l.], v. 351, n. 6278, p.1196-1199, 10 mar. 2016. American Association for the Advancement of Science (AAAS)

TANASUPAWAT, Somboon et al. Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephthalate). International Journal Of Systematic And Evolutionary Microbiology, [s.l.], v. 66, n. 8, p.2813-2818, 1 ago. 2016. Microbiology Society. http://dx.doi.org/10.1099/ijsem.0.001058.


30 de setembro de 2019

Rinite Cósmica: o PODCAST do Sporum!


LANÇAMOS UM PODCAST!

Para além dos nossos usuais métodos, finalmente entramos na podosfera para divulgar ciência! Semanalmente estaremos conversando com você no seu ouvidinho trazendo conteúdos científicos diversos.

Acesse o arquivo do episódio piloto salvo no google drive por aqui: https://drive.google.com/file/d/1ZLdaWVhhlIZz-nmMm6aLEa0I8lkV0Fjm/view?usp=sharing

Acesse também pelos sua plataforma preferida pelos links abaixo ou procurando por "Rinite Cósmica" nelas. (Desde já pedimos desculpas a você e a Neil Tyson por esse trocadilho infame e por outros que virão ao longo do episódio) .

Spotify: https://open.spotify.com/show/4mNT3yQgewkgX80hpvgTJ9





RadioPublic: https://radiopublic.com/rinite-csmica-WYYgj5
.
000 - a Terra não é plana, você que é chato
Bem-vindos ao podcast do Sporum, o Rinite Cósmica, que trará conteúdos científicos junto com (uma tentativa de) humor. No episódio piloto discutimos sobre pseudociência e teorias da conspiração, quais seus impactos sociais? como identificá-las? como contra-argumentar contra as pseudociências e teorias da conspiração? Ouça nossa discussão a respeito dessas questões. O podcast está disponível em diversas plataformas.
*esse episódio não foi patrocinado pela Grin.
Na mesa: Angelo, Alyson, Eduardo, Pedro e Raphael. Somos todos estudantes da UFSC e viciados em café.
Para qualquer assunto, menos spam, fale conosco por: rinitecosmica@gmail.com
Não sabe o que é Sporum?
  • Instagram: @sporumbiologia
Fontes das informações:
Sagan, Carl. O mundo assombrado por demônios: a ciência vista como uma vela no escuro. Tradução Rosaura Eichemberg. 1ª ed. São Paulo: Companhia das letras, 2006.
Crédito das músicas:
Kevin MacLeod (incompetech.com)
Licensed under Creative Commons: By Attribution 3.0 –http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/
Editado por Raphael Silva

Saúde!

19 de agosto de 2019

Teoria funcionalista, psicologia cognitiva e porque essas duas coisas são maravilhosas

Por: Eduardo Quirino


O que é nossa mente? Podemos estudá-la cientificamente? | Autoria desconhecida

Uma breve introdução

Como um bom texto de filosofia, este começará com uma pergunta: você já parou para se perguntar o que é a mente e como ela se relaciona com o nosso corpo?

Muito provavelmente, a menos que alguém tenha interesse particular em filosofia ou psicologia, a vida inteira passa e a reflexão sobre a mente não aparece. Porém, uma vez que a pergunta surge ela dificilmente abandona as reflexões das pessoas, afinal, a mente é algo muito bizarro e fundamentalmente relevante até para nossa mais básica e intuitiva noção de si mesmos. 

Nela conseguimos reter e processar informações sobre como o mundo é, lembrar como ele foi, imaginar como ele pode ser e, mais ainda, como poderia ter sido. A mente parece ser nossa característica mais presente, mais íntima, mais própria. Nunca falamos sozinhos se podemos falar com nós mesmos. Nós desejamos, pensamos, cremos, temos medos, amores, prazeres, etc. e tudo isso se passa na nossa mente. 

Apesar da absoluta centralidade dela em nossas vidas, até este momento, sabemos tão pouco sobre ela que chega a ser enervante. Para iniciar, a mente ou é como um processo físico normal ou é algo como uma alma¹. As duas opções parecem ruins. Para a opção fisicalista (a mente é física), fica muito difícil de explicar por que nossa mente não pesa, não tem massa, não pode ser vista etc. Esse ponto é óbvio para quase todos: a mente não parece física. 

A opção da alma também é problemática. Primeiro, se a alma existe e é imaterial, como ela poderia influenciar um sistema físico que é material? Como ela pode produzir energia cinética (grosso modo, a energia relativa ao movimento) sem massa? Energia elétrica sem potenciais, etc. Ademais, como ela pode se manter num corpo humano, se não tem nenhum atributo físico para resistir às paredes dos nossos tecidos? 

Essas duas posições constituem, a grosso modo, as duas principais doutrinas em filosofia da mente a respeito do problema mente-corpo que intriga filósofos e cientistas há mais de 5 séculos. Nesse texto, falaremos sobre como uma resposta para esse problema estabeleceu as bases teóricas para uma das mais desafiantes áreas do conhecimento humano: as ciências cognitivas.

Funcionalismo como resposta a “o que é a mente ?”

As duas opções brutas acima são ruins, então temos de refiná-las. A opção das almas astrais não será mais levada em consideração, pois almas são impossíveis de estudar cientificamente. Isso não nos diz muito sobre elas, mas é o suficiente para rejeitar aplicá-las no escopo teórico da psicologia, se tivermos opções menos misteriosas. Portanto, ficaremos com o Materialismo, ou seja, a posição de que não existem almas e tudo que existe é material.

Nos anos 60-70, o Materialismo tomou um rumo novo. Até então, estados mentais não eram levados muito a sério pelos integrantes dessa posição por serem muito obscuros e inacessíveis. O movimento que predominava na psicologia, o Behaviorismo, lidava apenas com o comportamento (em inglês: behavior), os estímulos e as disposições dos indivíduos a se comportarem de certa forma devido a certo estímulo. Sem as obscuridades da mente, eles pensavam, se poderia ter uma ciência do comportamento humano com precisão comparável à física.  Infelizmente, essa hipótese não se deu muito bem. Seres humanos mudam de comportamento frequentemente e é muito difícil de explicar essas mudanças sem atribuí-las a nada que seja mental como “desejos” ou “crenças”. Por isso, a forma como as informações são processadas de maneira a permitir mudanças drásticas no padrão de comportamento se tornou algo fundamental para entendermos como e por que as pessoas se comportam de tal e tal jeito. A partir dessa década, a psicologia passou a tentar abrir a caixa-preta do crânio e estudar o que havia dentro dela. 

Esse movimento de rebelião à predominância do behaviorismo, denominado Revolução Cognitiva, foi encabeçado por, entre outras pessoas, Noam Chomsky, famoso linguista norte-americano e ativista político que sugeriu, com grande eloquência, em seu livro Syntactic Structures (Estruturas Sintáticas) (originalmente publicado em 1957), que apenas através do estudo de processos abstratos (lógico-matemáticos) poderíamos entender como alguém aprende a falar uma língua. Essas operações abstratas seriam feitas pela mente humana e por isso Chomsky é um dos responsáveis por colocar os estudos da mente de volta nos trilhos. Junto dele, o movimento das inteligências artificiais e novos achados nas neurociências buscavam mostrar outros caminhos para entendermos como seres humanos processam informações².

O funcionalismo nasce exatamente nesse contexto. Buscando unir ciência e filosofia, ele aceita uma pequena divisão na nossa estrutura conceitual do mundo, divisão essa que parte de uma analogia com as ciências da computação entre hardware e software. O mundo físico é completamente determinado por leis da física, mas certos sistemas conseguem rodar programas, ou melhor, realizar atividades e funções. Essas atividades e funções são entendidas como as disposições dos objetos de se comportar e se relacionar de tal e tal forma. Quando um sistema como o cérebro opera suas conexões sinápticas de certas formas, dizemos que ele faz “processamento”, este processamento é justamente um conjunto de ativações químicas, mas que poderiam ser, segundo o funcionalista, exemplificada por sistemas mecânicos, eletrônicos, biológicos, ou etc. através do funcionamento da base realizadora, obtemos um software que, para o cérebro, seria a nossa mente. A ideia é que a mente seja o resultado contínuo das atividades cerebrais e cada estado mental é um tipo particular de jeitos de o cérebro se ativar. O jargão funcionalista é: “a mente é aquilo que o cérebro faz”. 

Como a psicologia é, argumentaria o funcionalista, um estudo do comportamento humano que parte de seus estados mentais, e os estados mentais são como programas de computador que podem ser rodados em qualquer base física, o psicólogo não precisa mais dar tanta atenção às bases biológicas do cérebro e ao invés disso, pode focar nas relações entre estados mentais como um todo, para investigar como a mente funciona. A partir dessa visão surgiu a psicologia computacional, que busca entender os processos mentais como análogos a programas de computador, investigando assim, o software

Seguindo a mesma linha, os neuropsicólogos partiram para investigar como o cérebro processa, armazena e obtém as informações que o meio produz. Eles partiram para investigar o hardware. Como as partes se relacionam e de que forma o cérebro consegue fazer seu trabalho. 

Por fim, os psicólogos experimentais, seguindo uma longa tradição de pesquisas sobre como a mente funciona, passaram a operar em laboratório as hipóteses e os modelos computacionais. Medindo como humanos reais realizavam testes e atividades, observando o tempo que demoravam para fazer isso e, posteriormente, como seus cérebros, olhos, músculos e etc. eram ativados durante os experimentos. Assim entregando informações valiosas para as outras duas vertentes, principalmente servindo para unir as duas áreas. 

A psicologia cognitiva e seus problemas atuais 

A união das três áreas acima criou um novo ramo do conhecimento humano chamado “psicologia cognitiva”. Grosso modo, a psicologia cognitiva se estabelece como a disciplina que estuda os modos através dos quais nós processamos informações, quais são esses mecanismos cerebrais e computacionais e quais relações eles têm entre si, que propiciam a criação de uma alternativa mais ampla de descrever os processos mentais dos seres humanos, e também, de alguns outros seres vivos.  

Com essa postura investigativa, se pretende descobrir de que forma conseguimos processar informações dadas pelos sentidos, conectá-las a informações já existentes e produzir novas. Essa relação entre áreas de investigação já poderia explicar como pensar criativamente é possível! 

A psicologia cognitiva dá importantes contribuições a respeito de como aprendemos, como lembramos, e sobretudo, sobre como falamos. A fala humana é uma das nossas funções mais complexas e misteriosas, ela agrega e arranja de maneira ordenada uma série de operações mentais distintas, como por exemplo, ao ler um romance você imediatamente se coloca a imaginar cenários, prever resultados, associar personagens com pessoas que você já conhece e até consigo mesma(o), além de tantas outras coisas. Todos esses processos são atividades acionadas, de certa forma, por um estímulo visual e por um mecanismo de interpretação de símbolos que mal conhecemos. Além disso e sobretudo, pouco se sabe a respeito de como todas essas estruturas se conectam, tanto em nível de computacional, quanto a nível neurofisiológico. 

Linguagem é um dom humano e uma característica cognitiva das mais ricas, complexas e belas. As relações entre mente e linguagem são absolutamente intrincadas, mal se sabe se é possível isolá-las para estudo e qual o escopo das relações que elas partilham. Uma vida sem linguagem não só não parece ser imaginável, não parece ao menos ser lembrável! Tente se lembrar de algo a mais do que cenas isoladas da sua vida pré-linguística, ou seja, antes de aprender a falar, você consegue? Claramente há uma ligação entre memória e linguagem, será que esse esquecimento é sintoma de alguma característica dessa relação? 

A linguagem se relaciona de formas muito curiosas com a memória. Podemos decorar ordens de símbolos de diversas formas, uma das mais eficientes é em tons de narrativa. Pessoas que decoram partes do número Pi descobriram isso a muito tempo³, os participantes geralmente associam o número a ser memorizado da sequência a uma palavra com a quantidade de letras indicadas pelo número, usando, então, essas palavras para fazer uma narrativa, tornando a tarefa de decorar muito mais fácil. Mais que isso, contar histórias ouvidas ou vivenciadas é uma das maneiras mais naturais de se guardar informações complexas na memória. Se você assistiu Game of Thrones, deve se lembrar de vários detalhes que passaram na série e que fizeram o final ser desapontador. Compare sua memória dos elementos da série com os de alguma disciplina, qual te parece mais fácil de armazenar? Será que há uma explicação do porquê? 

Quais as relações entre como processamos diferentes tipos de informação e como tomamos decisões? Como isso pode impactar a economia? A política? Sua vida pessoal? Será que áreas como o Mercado de Capitais, que dependem muito da especulação a respeito do futuro, não podem se beneficiar de estudos sofisticados a respeito de como pessoas planejam ou concluem informações a respeito do que virá?

Falar e lembrar, ler e imaginar, lembrar e imaginar e tantas outras atividades que se combinam e tornam nossas vidas minimamente possíveis são baseadas em processos cognitivos de sofisticação altíssima e que despertam a curiosidade e a fascinação em todos aqueles que pararam para refletir sobre o assunto. É incrível notar como respostas à perguntas extremamente abstratas, tais como a respeito da natureza da mente, podem proporcionar reflexões tão relevantes para a vida prática! Igualmente incrível é notar como a mudança de perspectiva a respeito de nossas características mais familiares pode nos levar a problemas de maior complexidade. A humanidade é realmente apenas mais uma espécie entre várias, mas algumas das nossas peculiaridades são, de fato, objetos de orgulho e atenção. 


¹Na verdade, há outras opções intermediárias, no entanto elas mais dificultam do que clarificam nossas investigações.

²A posição de Noam Chomsky foi dolorosamente sumarizada, pois não interessa a nós neste momento o que ele defendia, apenas seu papel histórico. 

³Existem diversos torneios de memória baseados em lembrar a sequência de algarismos após a vírgula do número Pi.


Leitura sugerida: 

TEIXEIRA, J de F. Mente, cérebro e cognição, 4° ed., Rio de Janeiro, Editora Vozes Ltda, 2000.

É uma boa introdução à filosofia da mente disponível em língua portuguesa. Neste livro encontram-se bons capítulos a respeito do funcionalismo e seus desafios bem como uma revisão geral das principais posições a respeito das relações Mente-Corpo. 

Referências Bibliográficas:

CHOMSKY, N. Syntactic Structures, 2° Edition, Mouton de Gruyter, Berlin 2002.

_____________ Verbal Behavior: Review of  B.F.Skinner’s Verbal behavior, Cambridge MA, MIT reviews, 1957.

FODOR, J, The Mind Body Problem in: Heil, J.(ed.) Philosophy of Mind: A guide and anthology, Claredon, Oxford University Press, 2004.

GROOME, D. et. al. An introduction to cognitive psychology Processes and Disorders, London, Taylor & Francis group Psychology Press, 1999.

6 de agosto de 2019

Grandes Relógios Ambulantes

Por: Daniel Perez e Thays Vieira


Você já reparou que as atividades de nosso corpo variam em ciclos de tempo regulares? | Pesquisa Fapesp

Acorde. Beba água. Vá ao banheiro. Tome o café-da-manhã. Almoce. Beba água. Vá ao banheiro. Jante. Beba água. Vá ao banheiro. Durma. Repita... Indefinidamente. Ah, não se esqueça de ser pontual! Mas calma, ninguém está impondo que você siga essas ordens... Exceto o seu próprio corpo.

Você alguma vez já reparou que todas essas atividades variam em ciclos de tempo regulares, quase automaticamente? Afinal, por que acordamos de manhã e sentimos sono antes de deitar à noite? “É fácil”, poderíamos pensar, “estamos simplesmente respondendo às pistas do meio ambiente. Os raios solares nos despertam e a escuridão nos prepara pra dormir”. Bom, não dá para negar que o ciclo de claro e escuro é crucial para que nossos corpos realizem suas atividades no tempo correto. Mas será que essa é realmente a única explicação? E o famoso jet lag? Como explicar o desconforto após uma longa viagem passando por diferentes fusos horários? Somos inteiramente dependentes da informação temporal do meio ambiente, ou será que apresentamos ciclos de atividade interno, independentes do meio externo?

Velas que brilham na escuridão: nossos ritmos circadianos internos

Para nossa sorte, cientistas vêm fazendo essas mesmas perguntas há muito tempo. No século 18, um pesquisador francês conduziu um estudo com plantas dormideiras (Mimosa pudica, também conhecida como sensitiva ou dorme-dorme), após observar que estas abriam suas folhas durante o dia e as fechavam durante a noite. Ele se perguntou o que aconteceria se as plantas fossem mantidas em escuridão constante, e observou que elas não apenas continuavam a abrir e fechar suas folhas, mas variavam entre o “abrir” e o “fechar” em um ciclo regular de aproximadamente 24 horas de duração!

As plantas dormideiras abrem e fecham suas folhas em um ciclo de aproximadamente 24 horas mesmo quando colocadas em escuridão constante | NobelPrize.org


Desde então, muitas pesquisas similares foram realizadas com diversos organismos diferentes seguindo o mesmo raciocínio da pesquisa anterior. Da mesma forma que uma música possui o seu ritmo, convencionou-se chamar essa variação regular, constante e cíclica de alguma atividade ou função de um organismo de ritmo. E, para saber se algum ritmo de nosso corpo (ou de qualquer ser vivo) é interno ( endógeno, ou seja, continua acontecendo mesmo sem pistas de informação temporal do ambiente), precisamos eliminar justamente a variação ambiental. Isso foi feito frequentemente isolando organismos do ciclo claro e escuro diário (colocando-os em um estado de escuridão constante) e observando se o ritmo de alguma atividade continuava. Hoje sabemos que plantas, animais (incluindo nós, humanos), e até mesmo bactérias e fungos possuem ritmos endógenos!

E assim como o ritmo de abertura das folhas que vimos nas dormideiras, muitos desses ritmos endógenos apresentam um período de duração de aproximadamente 24 horas, e por esse motivo são chamados de ritmos circadianos (circa = cerca de; dies = dia). De fato, grande parte das funções fisiológicas e processos comportamentais dos animais ocorre dentro de ritmos circadianos. Como exemplos temos o ciclo de vigília e sono, metabolismo, locomoção, temperatura corporal (em aves e mamíferos), excreção urinária, ingestão de água, digestão, secreção de diversos hormônios, entre muitos outros.

Mas então, se possuímos ritmos endógenos circadianos que persistem na ausência de informação ambiental, qual a importância dessas informações para os ritmos? Acontece que, como o próprio nome diz, os ritmos circadianos possuem período de aproximadamente 24 horas, mas não exatamente 24 horas. Quando privados das informações ambientais, esses ritmos muitas vezes se tornam um pouco menores ou maiores do que um dia.

Podemos observar isso no estudo da figura abaixo com o esquilo-voador (que, por sinal, plana pelo ar, e não voa realmente), por exemplo. Diferentemente de nós, ele é ativo durante a noite e repousa durante o dia. Quando mantido em escuridão constante, o esquilo-voador continua apresentando um período de atividade regular. Porém, como este dura um pouco mais do que 24 horas, ele começa suas atividades um pouco mais tarde a cada dia do experimento.

Gráficos demonstrando o ritmo de atividade de esquilos-voadores em condição ambiental normal (a) e em escuridão contínua (b). Note que o período do ritmo é desviado quando o esquilo-voador é mantido em escuridão continua, começando mais tarde a cada dia | Hill, Wyse e Anderson

Portanto, os estímulos ambientais de luminosidade são essenciais para sincronizar os ritmos endógenos exatamente com os ciclos diários de claro e escuro de 24 horas. Este é um dos motivos que explica por que padrões irregulares de sono podem ser tão prejudiciais para nossa saúde. Temperatura, sons e disponibilidade de alimentos são alguns outros exemplos de estímulos ambientais que também podem sincronizar os ritmos endógenos aos ciclos diários do meio ambiente.

Relógios biológicos: controlando os ponteiros de nossos ritmos circadianos

Você talvez já tenha imaginado que a existência de ritmos circadianos para as funções fisiológicas de nossos corpos exige mecanismos internos que possam ajustar estes ritmos, ditando em que momento eles devem começar e acabar. E esses mecanismos são, apropriadamente, chamados de relógios biológicos. O trabalho de um relógio biológico é, portanto, cronometrar a duração de um ritmo.

Os relógios biológicos são mecanismos que controlam os “ponteiros” de nossos ritmos circadianos, regulando o momento em que diversas funções acontecem, como a liberação de hormônios | Todd Churin


Muitos tecidos de nossos corpos podem apresentar relógios biológicos. Porém, por ter esse cargo extremamente importante de “comandar os ponteiros” de nossos ritmos, os relógios biológicos “mestres” (aqueles que impõem seu ritmo sobre todos os outros tecidos do corpo, os quais passam a entrar em sincronia com os relógios mestres) encontram-se frequentemente em nosso Sistema Nervoso.


Em vertebrados, por exemplo, o relógio “mestre” localiza-se em uma porção específica do hipotálamo (uma região do cérebro), que repassa seu ritmo circadiano para outras regiões do hipotálamo responsáveis pela liberação de hormônios envolvidos na regulação de diversas funções, desde função renal e apetite até comportamento sexual e acasalamento. Em mamíferos, também envia sinais para outra região do encéfalo conhecida como glândula pineal, a qual libera o hormônio melatonina, cuja liberação é elevada durante a noite e reduzida durante o dia (isso mesmo, de acordo com ritmos circadianos!). Por isso, está comumente associada com nossos ciclos diários de sono, apesar de também poder estar associada com outras funções.

Ajustando os relógios a nível molecular

Vimos o que relógios biológicos fazem e qual sua importância para o organismo. Porém, uma grande dúvida permaneceu por muito tempo entre os cientistas: como diabos funciona o mecanismo dos relógios biológicos?!

A partir de pesquisas realizadas com moscas-da-fruta (Drosophila melanogaster, aquelas mesmas que ficam pousando nas bananas da sua casa), iniciadas na década de 1980, três cientistas descobriram a resposta (ou o início de uma resposta) para essa pergunta. E foi essa descoberta que rendeu aos pesquisadores o prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina em 2017.

Jeffrey C Hall, Michael Rosbash and Michael W Young, ganhadores do prêmio Nobel em Fisiologia ou Medicina de 2017 pela descoberta dos mecanismos moleculares responsáveis por controlar os ritmos circadianos | NobelPrize.org

Essa história iniciou-se um pouco antes, nos anos 1970, quando um pesquisador e seu aluno conseguiram demonstrar que, por meio de mutações em um determinado gene, o ritmo circadiano de moscas-da-fruta apresentava alterações. Então, nomearam este gene de period (em português, período). Na década de 1980, os cientistas, que mais tarde ganhariam o prêmio Nobel, conseguiram isolar o gene period e descobriram que ele produz uma proteína, cuja concentração oscila em um ritmo circadiano dentro da célula, acumulando-se durante a noite e sendo degradada durante o dia. Porém, como é controlada essa oscilação? Basicamente, quando presente em altas concentrações, a proteína é capaz de inibir o próprio gene que a produz. Enquanto o gene é inibido, a proteína será lentamente degradada, e, quando se esgotar, o gene poderá ser ativado novamente.

Esquema demonstrando o mecanismo de funcionamento dos relógios biológicos que controlam os ritmos circadianos. A proteína produzida pelo gene period durante a noite, chamada PER, inibe o seu próprio gene. Enquanto inibe o gene, a proteína é degradada pela célula durante o dia, até que o ciclo possa começar novamente | NobelPrize.org

Podemos entender esse processo todo como um pêndulo que oscila entre dois estados do nosso “gene circadiano”, um de ativação e outro de inibição, em um ritmo regular de 24 horas. Claro que o processo é muito mais complexo na vida real. Este gene estaria envolvido na regulação de diversos outros genes responsáveis pelos ritmos circadianos, e ainda seria regulado também por outros genes. Essas complicadas interações vêm sendo desvendadas, e ainda não são completamente conhecidas.

O funcionamento dos relógios biológicos pode ser comparado a um pêndulo que oscila entre um estado de ativação (positivo) e outro de inibição (negativo) de genes relógios-chave (responsáveis por controlar os ritmos circadianos) | Autoria própria

Quem quer ter um relógio biológico?

Hoje é reconhecido que este mesmo princípio de oscilação atua no funcionamento de relógios biológicos nas células de diversos organismos vegetais e animais. Por ter presença tão amplamente difundida entre os seres vivos, não chega a surpreender que relógios biológicos conferem diversas vantagens aos organismos, sendo a principal delas a capacidade de fazer previsões. Não, eles não te dão conselhos diários ou semanais sobre qual o melhor momento para tomar decisões na sua vida amorosa. Na verdade, permitem que os animais, por exemplo, antecipem alterações regulares do ambiente e se preparem antes delas acontecerem.

Imagine-se na pele de um pequeno esquilo-voador como o que vimos anteriormente, porém sem um relógio biológico circadiano. Você precisaria esperar as informações ambientais de luminosidade chegarem até você para então poder reagir e saber que está na hora de sair planando por aí. Tudo bem, talvez você até pensaria em usar um relógio no seu pequeno pulso de roedor. Mas, como ainda não inventaram reloginhos de pulso para esquilos, ainda bem que os esquilos-voadores verdadeiros possuem um relógio biológico, né? Dessa forma, eles conseguem ter uma noção interna de tempo e usar a informação de intensidade luminosa para ajustar seu relógio biológico em sincronia com o meio ambiente.

Cronobiologia: uma ciência que não perde tempo para realizar novas descobertas

Diversos estudos são realizados mundialmente dentro da área da Cronobiologia (que estuda os ritmos e relógios biológicos que aprendemos neste texto), devido à enorme importância que possuem para a compreensão do funcionamento temporal de nossos corpos e dos demais seres vivos de nosso planeta, além das inúmeras implicações que desajustes em nossos ritmos circadianos e relógios biológicos podem possuir para nossa saúde e qualidade de vida (como observa-se em muitos transtornos de sono, por exemplo).

E engana-se quem pensa que o nosso país está “atrasado” nessa área! Diversas pesquisas em Cronobiologia são realizadas por brasileiros, seja em território nacional, seja em parceria com outras instituições de pesquisa internacionais. Os estudos são variados, inclusive, indo desde o funcionamento de relógios biológicos em plantas e como os produtos da fotossíntese os influenciam, até o funcionamento de relógios biológicos em roedores subterrâneos. Já pensou em perguntar as horas para um animalzinho que passa a maior parte de sua vida debaixo da terra? Como ele ajusta seu relógio biológico passando tanto tempo no escuro? Pode parecer absurdo, mas é o que a pesquisadora Gisele Oda do Instituto de Biociências da USP (universidade pioneira em estudos de cronobiologia no Brasil) e seus alunos vêm tentando desvendar, como ela própria explica perfeitamente neste vídeo. Estes estudos (e muitos outros que encaminhamos ao longo deste texto) são apenas alguns exemplos que demonstram a qualidade da ciência brasileira e de nossos pesquisadores, ressaltando a importância de mais apoio e investimentos para que ela possa crescer e prosperar, atuando no desenvolvimento científico e tecnológico de nosso país.

E você, como o grande relógio ambulante que é, ficou interessado em aprender mais sobre os ritmos de seu próprio corpo?


Referências
HILL Richard W.; WYSE Gordon A.; ANDERSON Margaret. Fisiologia Animal. 2ed. Artmed, 2012. 920p.

MOYES Christopher D.; SCHULTE Patricia M. Princípios de Fisiologia Animal. 2ed. Artmed, 2010. 792p.

Nobel Foundation. The Nobel Prize. The Nobel Prize in Phisiology or Medicine 2017, Press Release. Disponível em: <https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/press-release/>. Acesso em: 30 de junho de 2019.