Luz e metabolismo: entenda essa interação!

Fotossíntese em plantas. A visão humana. Câncer de pele causado por raios UV. A luz é um aspecto corriqueiro de nossas vidas. Muitas vezes, nem prestamos atenção nela. A luz solar é essencial para a manutenção de qualquer teia alimentar e, sem a qual, a vida como conhecemos seria inviável. Essa mesma luz solar, quando nos expomos frequentemente e sem proteção, pode causar mutações em nossas células da epiderme, gerando câncer. É também essa luz que nos permite admirar uma paisagem de tirar o fôlego, como um fragmento de mata atlântica ou a quebra das ondas do mar no fim da tarde. A vida interage com a luz e a luz interage com a vida… Mas o que é a luz?

Nayara Rezende, tecnóloga formada em Biotecnologia e mestranda na Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto (FMRP – USP), trouxe ao Adote um pouco mais sobre como a luz pode interagir com sistemas biológicos, tais como as células vegetais contendo clorofila ou mesmo a retina humana, que possui proteínas fotorreceptoras. No encontro do dia 11 de setembro de 2014, a pesquisadora esclareceu um pouco sobre a fotobiologia.

De fato, a definição de luz ainda é bastante debatida entre cientistas. Para Nayara, uma definição válida seria a que define luz como uma radiação eletromagnética que pode se comportar tanto como onda quanto como partícula. Os conhecimentos sobre a luz ainda são incompletos, porém estudos que buscavam compreendê-la e estabelecer suas propriedades datam desde o século I.

Propriedades da Luz

Heron de Alexandria, no século I, foi quem propôs que a luz se propaga retilineamente e que ela pode refletir ao interagir com certos materiais. Quase mil anos depois, Abu Ali El-Hasan descobriu o fenômeno da refração, que só seria aceito pela comunidade científica ao ser descrito, em 1621, pelo matemático Willbord Snell. Huygens, em 1678, sugere que o índice de refração da luz depende da velocidade que a luz atravessa o meio. Isaac Newton, no final do século XVII, descobre que a luz branca é formada por todas as cores do espectro.

Nayara: Alguém lembra o que o Isaac Newton fez em relação à luz?
Aluno: Ele pegou um prisma e colocou sobre a luz. E ele descobriu que, quando a luz batia, batia entre os vidros e formava as cores do arco-íris…
Nayara: É isso mesmo!
Aluno: Mas foi outra coisa, né. Que ele acordou de manhã, comprou um prisma na feira, a luz bateu e saiu ali…
Nayara: É, essa parte da história a gente ainda não sabe ao certo…

Newton, ao descobrir a composição da luz branca, também afirmou que cada cor corresponde a uma frequência específica. Ele demonstrou que os feixes de luz não mudam de cor nem se desviam ao cruzar entre si. Além disso, foi o primeiro a postular a natureza dupla da luz, que se comporta tanto como onda quanto como partícula. Tomas Young, em 1800, explicou o princípio da inferência e da difração. Já Maxwell, quase 70 anos depois, propôs a teoria eletromagnética de sua propagação.
Em 1905, o físico teórico alemão Albert Einstein, demonstrou matematicamente que um elétron liberado podia absorver uma partícula radiante. Essa partícula transferiria ao elétron energia, excitando-o e fazendo com que esse elétron se deslocasse para outra camada da eletrosfera do átomo. Esse elétron liberaria, então, a energia excedente na forma de fóton ou quantum de energia. Esse fenômeno foi denominado efeito fotoelétrico, e explicaria como a luz interage com átomos.

Aluno: Bom, o átomo é constituído por prótons, nêutrons e elétrons… e também tem um núcleo que é a parte central.
Nayara: Isso mesmo. Prótons, nêutrons e elétrons… Essa parte central, o que fica localizado dentro dessa parte central?
Aluno: Prótons e elétrons.
Aluna: Não, são nêutrons e prótons.
Nayara: Isso. Os prótons e os nêutrons estão no núcleo. E os elétrons ficam onde?
Alunos: Na eletrosfera.

Nayara convidou dois alunos do programa, então, para simularem o que seria o efeito fotoelétrico, utilizando a própria estrutura do anfiteatro onde o encontro acontecia.
“Imaginem que nós temos um átomo, com seu núcleo, que será a mesa da frente da sala. Esse átomo tem elétrons ao redor do núcleo, e o Gabriel é um desses elétrons. Imaginem que a luz chega e encosta no Gabriel. O Gabriel receberá energia da luz e, energizado, subirá um degrau na escada da plateia, ou seja, subirá para a próxima camada da eletrosfera. A questão é que essa energia fornecida pela luz acaba uma hora. E, para voltar para a camada anterior, o Gabriel tem que liberar essa energia. É nesse momento, então, que o Gabriel irá voltar e liberará um fóton – que nesse exemplo, é o nosso colega, o Vinícius. O fóton é uma partícula, que é uma parte da luz”.

Características da Luz
1. A luz visível é apenas uma parte do espectro eletromagnético; 
2. A luz, tendo massa, pode alterar qualitativamente uma estrutura qualquer; 
3. Ao ser emitida sobre um objeto qualquer, ocorrerá os fenômenos: reflexão, absorção, transmissão, refração ou dispersão; uma intensidade de luz (independentemente ou em conjunto);
4. A luz incidida a uma distância é reduzida à quarta parte cada vez que se dobra essa distância (lei do inverso dos quadrados da distância).

Com a teoria da relatividade, uma das grandes contribuições de Einstein à física, a massa e a energia de um corpo são relacionadas utilizando-se a velocidade da luz, que é sempre constante no vácuo (300 mil km/s).

A luz que nós vemos é apenas uma parte do espectro eletromagnético, que corresponde a comprimentos de onda na faixa de 400 a 700 nanômetros (esses limites variam de autor para autor). Radiações com comprimentos de onda menores incluem os raios ultravioleta, raios-X e raios gama. Essas radiações emitem mais ondas por segundo dos que a luz visível. Por esse motivo, são capazes de depositar maior quantidade de energia e, consequentemente, interagem mais facilmente com ligações químicas de moléculas. Isso explica por que a exposição aos raios-gama, que são os de menor comprimento de onda, podem causar graves lesões a sistemas biológicos, podendo levar, inclusive à morte. 
É o caso do que aconteceu em Goiânia, em 1987, quando ocorreu o acidente com amostras de Césio 187 e que causaram a contaminação radioativa de centenas de pessoas, uma vez que foram descartados de forma errada. Algo parecido ocorreu recentemente na usina de Fukushima, no Japão, que após um terremoto sofreu danos em sua estrutura e gerou uma imensa preocupação de contaminação radioativa”, explicou ela.

Aluno: Na microscopia, que tipo de luz seria usada… no microscópio e qual a reação?
Helder (pesquisador presente na plateia): Tem duas formas. A lâmpada, que é a mais conhecida é a que usa o gás tungstênio. E há também algumas microscopias, como a de fluorescência, que utilizam a luz em forma de laser. Depende o tipo de microscopia.
Nayara: A vantagem da utilização do laser é que você não perde energia e também não perde a direção da luz (o ângulo de incidência). Porque dentro do sistema no qual é produzido o laser, não se pode ter contato com o ar, uma vez que ali você está trabalhando com fluorescência… os lasers são utilizados, por exemplo, para fazer cirurgia oftalmológica (…) e perder a angulação em uma cirurgia dessas pode cegar a pessoa. Os lasers são geralmente mais caros por causa disso – alguns são feitos a partir de gás, outro a partir de pedras preciosas – como rubi. O laser é monocromático, ou seja, tem apenas um comprimento de onda e sua luz é polarizada, ou seja, tem apenas uma direção.

Fotobiologia: sobre luz e formas de vida

O sol é a fonte principal de energia na Terra, sem o qual não seria possível a existência de vida. A luz do sol é perceptível durante o dia e demora pouco mais de 8 minutos para chegar ao nosso planeta. O sol emite radiação eletromagnética, e a luz que chega até nós é composta de 15% de raios ultravioleta (A, B e C), 60% de luz visível (o que produz as cores do arco-íris, por exemplo), e 25% de raios infravermelho, que produzem a sensação de calor quando estamos sob incidência direta dos raios solares. A luz solar que incide na superfície terrestre depende de fatores atmosféricos, como, por exemplo, a camada de ozônio e a cobertura de nuvens, além do seu ângulo de incidência (o que está associado com os movimentos de translação e rotação da Terra) e do ângulo de inclinação do nosso planeta em relação ao sol.

A fotobiologia é o ramo da biologia que estuda a interação entre sistemas biológicos e a radiação eletromagnética. Por isso, é a área da ciência que ajuda a compreender, por exemplo, como a fotossíntese, um processo essencial para a manutenção da vida na Terra, é possível.

A 1ª Lei da Fotobiologia, proposta por Grothur-Droper, assume que a luz precisa ser absorvida para ter um efeito sobre os tecidos. Para tal, existem moléculas capazes de absorvê-la, tal como os cromóforos e os fluoróforos.

Nayara explicou que cromóforos possuem grupos insaturados covalentes em sua estrutura molecular, responsável pela absorção eletrônica. Já os fluoróforos também possuem grupos insaturados covalentes, mas que, após a absorção eletrônica, “devolvem” essa energia em forma de fluorescência ou fosforescência, ou seja, em uma forma cujo comprimento de onda é maior que a absorvida (possuindo, portanto menor energia). A estrutura dessas moléculas e suas propriedades determinam quais comprimentos de onda serão absorvidos por elas. Por exemplo, a curcumina, um cromóforo que dá a cor característica do açafrão, absorve ondas com comprimento menores do que a ftalocianina, cuja estrutura química possui mais anéis aromáticos e é mais estável.

Nas células vegetais, dentro dos cloroplastos, se encontram moléculas de clorofila. A clorofila absorve fótons da luz solar e liberam elétrons, iniciando a cascata de transferência de energia que ocorre durante o processo da fotossíntese. Outras substâncias em plantas, os metabólitos secundários, estão associados com a fotoproteção – observa-se um aumento na produção de compostos fenólicos quando plantas são expostas à radiação UV-B. Essa radiação pode ser nociva aos tecidos vegetais, e os compostos fenólicos, que são antioxidantes, absorvem a luz que não será propagada, protegendo os tecidos da planta de radiação prejudicial.

No corpo humano, a formação de imagens através do sistema visual envolve proteínas chamadas de rodopsina, produzidas a partir do betacaroteno, e que mudam sua conformação ao serem expostas à luz. Já a fixação de cálcio nos ossos, importante para a manutenção do nosso esqueleto, está relacionado à atividade da vitamina D, que sofre reação fotoquímica em resposta à luz, sendo capaz de fixar esses íons.

Importantes ferramentas para a medicina foram desenvolvidas a partir de estudos da fotobiologia. Hoje em dia, é possível fazer diagnósticos através de exames que produzem imagens, tais como radiografia e a tomografia, além de técnicas como o PCR e o mapeamento genético, feitos com luz fluorescente. Tratamentos cutâneos, oftalmológicos e radioterapia também são possíveis através da manipulação de ondas eletromagnéticas, proporcionando grandes melhorias para a saúde de milhares de pessoas.

A luz, uma radiação eletromagnética cuja natureza ainda não é inteiramente desvendada, foi essencial para o surgimento e a manutenção dos seres vivos, sendo um dos fatores que inserem nosso planeta na zona habitável do sistema solar – ou seja, propícia para a existência da vida. A fotobiologia se propõe a estudá-la em um contexto biológico, buscando esclarecer melhor as relações que a luz mantém com os diferentes organismos. E foi por meio da ciência que o ser humano também conseguiu manipular algumas características da luz em benefício próprio, inclusive em prol da própria ciência. É a velha metáfora da ciência como a luz que expõe os moradores da caverna á realidade, em sua forma mais literal…

 


Espaço dos alunos

 A partir da análise das filipetas do encontro, a equipe da Casa da Ciência produziu este infográfico destacando as principais dúvidas manifestadas pelos alunos e os principais conceitos aprendidos no encontro. A finalidade deste instrumento é a avaliação dos momentos de aprendizagem do aluno e valorização da sua dúvida.

  


Texto

Autoria: Vinicius Anelli

Revisão: Profa. Dra. Marisa Ramos Barbieri e Gisele Oliveira

Espaço dos alunos

Análise de filipetas: Luciana Silva

Infográfico: Gisele Oliveira

 

Diagramação

Vinicius Anelli

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