Uma pirâmide nada faraônica - Em crescimento por epitaxia por feixes moleculares, átomos de germânio auto-organizaram espontaneamente sobre uma base de silício para formar essa nano pirâmide. A auto-organização espontânea, que acabou gerando o fenômeno da vida, é mais comum na Natureza do que se pensava. Isso tem enorme importância e abre muitas possibilidades na N & N.
Conforme já exposto no “Princípio da Vida” (24/02/2010) após o Big Bang houve a interação primordial conseqüentemente o surgimento da matéria, portanto átomos e suas ligações se auto-organizaram e no decorrer de bilhões de anos moldaram a forma do nosso universo, ao analisar a matéria visível percebemos que a natureza impôs “regras”. Tais regras são complexas, mas o ser humano “descobriu” maneiras de padronizar até sistemas mais complexos criados na natureza Juntos, a Teoria do Caos e os fractais, a Física Quântica e a nanotecnologia poderão explicar um dos grandes dilemas da humanidade: como é construída a natureza. Tentando por ordem na casa o engenheiro norte-americano Eric Drexler, em seu livro “Engines of creation” (Máquinas da criação) (1986), imaginou um montador universal capaz de manipular unidades atômicas para gerar qualquer tipo de nano sistema ou dispositivo molecular. Esse tipo de arranjo foi questionado, pois os átomos e as moléculas não se comportam como meros minúsculos tijolos eles têm comportamento próprio (ou reatividade própria), isso quer dizer que seus requisitos espaciais (estereoquímica) e energéticos não podem ser ignorados. Assim, uma tecnologia capaz de lidar com átomos e moléculas poderia realmente parecer impossível, sim poderia, mas ela existe e está dentro de nós. As enzimas e outras biomoléculas se comportam como máquinas moleculares bastante próximas daquelas imaginadas por Drexler. Não é difícil intuir que todas as combinações da matéria são regidas por princípios Físicos, Químicos e Matemáticos, portanto fenômenos ocorridos em escala atômica determinaram ou determinam a aparência de toda a natureza. A pergunta relevante aqui é: como se processou tudo isso? Realmente não há dúvida que a compreensão do mundo tem um grau de complexidade elevado, ainda bem que os avanços da ciência estão lançando luz para compreendermos ou quem sabe começarmos a compreender nossa origem nesse enorme e complexo universo.
Nanociência
“Por que são os átomos tão pequenos?” Erwin Schrödinger
Com o desenvolvimento da nanotecnologia descobriu-se que a química supramolecular é a estratégia mais viável na montagem de nanoestruturas e nano máquinas em larga escala. Para fazer isso no laboratório, bastaria acoplar, às moléculas de interesse, grupos de reconhecimento ou conectores. Isso levaria a associações espontâneas, de forma a gerar nanoestruturas organizadas. Esse processo representa uma automontagem e dispensa o polêmico montador universal. Como na modificação planejada de uma dada molécula com um derivado de base nucléica, onde foi possível induzir sua associação espontânea por meio de ligações de hidrogênio, gerando rosetas, que acabam se empilhando através de forças de van der Waals (ligação entre as moléculas) produzindo nano tubos. Temos, assim, uma auto-estruturação seguida de automontagem e as células solares que começaram a ser usados filmes com partículas nano cristalinas de dióxido de titânio. Essa modificação aumentou a área superficial em milhares de vezes. Com isso, a eficiência da célula fotoelétrica química saltou para a faixa de 10%, tornando-a competitiva com as células fotovoltaicas de silício. Essa tecnologia já está sendo comercializada por uma empresa australiana.
Padrões autoorganizado em nuvens.
Auto-Organização e Complexidade
A idéia de auto-organização apareceu pela primeira vez no contexto de sistemas físicos famosos como a convecção de Bénard ou a reação de BZ. Hoje o conceito possui uma grande aplicabilidade sendo importado por diversos campos da ciência. Essencialmente, a auto-organização refere-se a processos e formação de padrões em sistemas que vão da Física à Biologia. Sendo assim aquilo que define quando é que um sistema é auto organizado é a forma como este adquire ordem e estrutura. Nestes sistemas a formação do padrão ocorre através de interações internas ao sistema sem a intervenção de diretivas exteriores. Isto significa que sistemas nos quais existe um líder, ou uma receita, ou um molde, não são auto organizados. Por exemplo, o padrão obtido por um conjunto de remadores, que remam sincronizados sob o ritmo imposto por um líder, não é auto organizado, precisamente porque neste caso existe um líder que determina a criação do padrão. Outros aspectos importantes nos sistemas auto organizados é que as suas partes, responsáveis pelo padrão global, apenas interagem entre si localmente, sem terem conhecimento do sistema como um todo. Neste sentido diz-se que a informação é local, assim o padrão emergente é uma propriedade do sistema como um todo, inalcançável por cada uma das suas partes separadamente. Dito de outra maneira, o padrão de um sistema auto organizado não pode ser entendido examinando isoladamente as propriedades dos seus constituintes. Então o que seria a auto-organização? Segundo Michel Debrun do centro de Lógica, Epistemologia e História da Ciência da UNICAMP: “Há auto-organização cada vez que, a partir de um encontro entre elementos realmente (e não analiticamente) distintos, desenvolve-se uma interação sem supervisor (ou sem supervisor onipotente), interação essa que leva eventualmente à constituição de uma forma ou à reestruturação, por complexificação". A seguir o autor adiciona duas definições auto-organização conforme abaixo:
- A auto-organização primária ocorre quando, a interação seguida de eventual integração se realiza entre elementos totalmente distintos ou havendo, pelo menos, predominância de tais elementos, num processo sem sujeito nem elemento central nem finalidade imanente. As possíveis finalidades situando-se no nível dos elementos.
- A auto-organização secundária ocorre quando, num processo de aprendizagem corporal, intelectual ou existencial a interação se desenvolve entre as partes "mentais" e/ou "corporais" de um organismo, sendo a distinção entre partes "semi-real", sob a direção hegemônica, mas não dominante da "face sujeito" desse organismo.
Os sistemas auto-organizados, de uma maneira geral, são constituídos por um grande número de componentes ou eventos muito semelhantes. Aqui acho recorrente lembrar a teoria do caos e os fractais ambos têm como ingredientes a complexidade e similaridade, por isso pode ser a melhor maneira de estudar o nosso universo. Aliás, a Teoria do Caos já é utilizada para estudar o comportamento dos sistemas de realimentação não linear, como uma célula e os fenômenos meteorológicos mesmo tendo muita dificuldade de se fazer previsão em longo prazo. Tal dificuldade deve-se ao fato desse sistema dinâmico ser extremamente sensível às condições iniciais tanto internas quanto externas.
Nos sistemas caóticos podem ser observadas as seguintes propriedades, conforme definições de PETERS (1994):
a) Auto-similaridade - existem padrões dentro dos padrões que nunca são exatamente os mesmos, mas que são sempre;
b) Escalonamento (Scaling) - quando examinamos os padrões de auto-similaridade em escalas cada vez menores, verificamos que eles são repetições de si mesmos;
c) Fractal - é a propriedade de se fraturar em padrões auto-similares e escalonados.
d) Quebra de simetria - uma configuração ordenada se quebra e dá lugar a outra configuração que pode ou não ser ordenada;
e) Auto-organização - processo em que os componentes de um sistema espontaneamente se comunicam entre si e abruptamente "cooperam", num comportamento comum coordenado (No gráfico é a "janela" de ordem que ocorre após uma "faixa" de caos);
f) Transição de fase - é a mudança que encontramos próxima do equilíbrio, que leva à auto-organização do sistema e a um estado diferente de equilíbrio, mais organizado e ordenado;
g) Estrutura dissipativa - um processo de auto-organização que se desenvolve no não equilíbrio freqüentemente resulta em uma estrutura que apresenta uma forma muito mais complexa de comportamento. Sua característica distintiva é que ela requer uma entrada contínua de energia para ser sustentada, portanto, instável e difícil de manter. Temos como exemplos o raio laser ou uma célula biológica.
Ordem e Caos
O termo complexidade não pode ser confundido com desordem ou caos. Tendo em vista que a simples noção de desordem é insuficiente para definir a complexidade. Faz-se necessário o entendimento do que seria a “ordem” e “desordem”.
Na ordem ou Sistema Ordenado teríamos como principal característica a sua previsibilidade temporal e espacial, não sendo, portanto necessário conhecer o sistema como um todo para reconstruí-lo ou prever sua estrutura dita assim como redundante. Sendo simétrico do ponto de vista matemático pelo fato de ser invariável sob qualquer possível transformação. Logo deve ter total homogeneidade podendo ser possível mapear-lo qualquer parte sem haver modificações. Além é claro de ter extensão infinita. Tal sistema é o oposto do que seria um sistema complexo.
Na desordem ou Sistema Caótico ausência de invariância, isto é, pela ausência de transformações tendo efeito indistinguível sobre o sistema. Assim uma pequena variação nas condições iniciais gera grandes diferenças no desenvolvimento temporal. Na linguagem da Física o sistema é “sensível” às condições iniciais, tal sensibilidade apresentada por muitos sistemas chamou-se de “caos”. Na natureza conhecemos alguns sistemas caóticos como exemplo, os movimentos de um fluido, desenvolvimento de colônias de bactérias, movimentos involuntários de grupos musculares. Eles envolvem um número imenso de variáveis, o que os torna muito sensíveis às condições iniciais, mas se os sistemas caóticos são imprevisíveis por que estudá-los? É Com certeza são imprevisíveis, porém não violam as leis da natureza pelo fato de apresentarem certos padrões. Estes padrões de comportamento permitem prever pelo menos as condições mais prováveis que o ele atingirá, assim metereologistas não podem prever a temperatura exata do dia seguinte limitando esta previsão as temperaturas máximas e mínimas possíveis. Assim podemos concluir que os sistemas caóticos não são totalmente imprevisíveis.
Padrão Vida
Como visto na Teoria da Vida no nosso universo ocorrem os seguintes padrões: Padrão não vida e o padrão vida, o primeiro rege a matéria inanimada e o segundo a vida. A Terra é um grande “laboratório” para analisarmos o padrão vida e assim através de observação feitas aqui podemos chegar a princípios que poderiam quem sabe, ser aplicáveis em todo o universo. No nosso planeta os sistemas biológicos têm uma organização que leva à compartimentalização e à concatenação dos processos, permitindo que as transformações ocorram de forma seqüencial, sem interferências e com alta eficiência. Um bom exemplo disso é a fotossíntese. Esse processo, que sustenta a vida em nosso planeta, tem lugar nos cloroplastos (organelas repletas de membranas sanfonadas). Essa incrível nano máquina é responsável pela produção do ATP (adenosina-trifosfato), o principal combustível dos organismos vivos. E obvia a importância da Química nos processos biológicos, mas conforme observado não podemos desvincular da Física e da Matemática. Neste ponto gostaria de citar o esclarecedor comentário proferido por Eugene Paul Wigner, Prêmio Nobel em 1963 por suas contribuições à teoria do núcleo atômico e das partículas elementares, especialmente a descoberta e aplicação de princípios de simetria. Ele contribuiu significantemente para os fundamentos da mecânica quântica, defendendo, especialmente na década de 60, a importância da consciência humana. Na palestra realizada em 11 de maio de 1959 na New York University, Richard Courant Lecture in Mathematical Sciences “The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences” ("A enorme utilidade da matemática nas ciências naturais é algo que se aproxima do mistério, não há explicação racional para isso"). Se estava correto realmente só o tempo irá mostrar, mas com certeza a Biologia, Física, Química e Matemática estão intimamente ligadas, e a Biologia é uma ciência exata e natural.
Padrões na Biologia
Para entender a definição de auto-organizarão e como esse conceito pode ser útil na análise de diversos sistemas biológicos, se faz necessário definir o que é um padrão. Pelo que foi exposto Essencialmente, trata-se de um arranjo organizado de objetos no espaço e/ou no tempo. Assim sendo existe padrão num cardume, numa coluna de formigas em movimento, no piscar síncrono dos pirilampos ou ainda nas complexas arquiteturas das térmitas. Mesmo tratando-se de algo mais elaborado os favos de abelha formam um padrão, assim como os diques construídos por castores, entre muitos outros. Além destes padrões com origem no comportamento de cada uma das espécies, observamos padrões na pigmentação de certos animais ou no crescimento do líquen.
Zebras bebendo água é um Exemplo de padrão biológico auto-organizados na Natureza.
É importante realçar que nos diferentes padrões as unidades fundamentais são diferentes. Estas podem ser formas vivas, como formigas e peixes ou matéria inanimada como partículas arenosas, cristais ou metais. No entanto, no caso dos seres vivos ocorrem à existência de padrão sem recorrer a líderes, influências externas ou receitas predefinidas. Sendo este resultado exclusivo da troca de informação local dos seus responsáveis. Assim em um cardume, um único peixe não tem conhecimento do movimento do cardume como um todo, mas com base em regras simples, que o mandam nadar próximo do peixe que vai à sua frente e ao seu lado, sem se aproximar demasiado, para não chocar-se, contribui para um comportamento global do cardume este comportamento parece ser seguido por manadas de mamíferos.
Caso um sistema não seja auto-organizado, ou seja, possua uma ordem esta organização é facilmente percebida como, por exemplo, uma teia de aranha ou uma casa construída sob a direção de um engenheiro.
Nos sistemas auto-organizador existe o desafio de desvendar como é que a partir das suas interações internas emerge o padrão ordenado. Na auto-organização as interações simples entre os agentes do sistema podem dar origem a padrões de extraordinária complexidade e este fato tem gerado grande expectativa quanto à possibilidade de entendermos como é que algumas formas de vida de "configuração simples" conseguem globalmente produzir complexidade. Para desvendarmos um pouco mais sobre a organização destes sistemas precisamos conhecer os mecanismos básicos a partir dos quais um sistema se auto-organiza. Convém analisar os modos de interação entre os componentes que dão origem ao padrão complexo. Essencialmente existem dois tipos básicos de interação comuns às componentes de todos os sistemas auto-organizador chamados de: realimentação positiva (feedback positivo) e realimentação negativa (fedbackc negativo). A maior parte dos sistemas auto-organizador usa feedback positivo. No entanto, é útil perceber a diferença entre os dois e a dinâmica que cada um deles implica num sistema.
O feedback negativo é uma resposta do sistema que tende a estabilizá-lo diminuindo o efeito das flutuações.
O feedback positivo amplifica flutuações.
Encontramos inúmeros exemplos concretos de feedback negativo no corpo humano, um mecanismo usado freqüentemente para estabilizar processos fisiológicos e anular flutuações indesejadas. Um exemplo bastante popular é o da regulação dos níveis de açúcar no sangue, um aumento do nível de glicose no sangue, provocado pela ingestão de algum alimento rico em açúcar, dispara a produção de insulina no pâncreas que uma vez no sangue converte a glicose em glicogênio, estabilizando os níveis de açúcar. Assim, este mecanismo tem a finalidade de anular flutuações indesejadas de glicose no sangue e é ativado por essas mesmas flutuações. Nos diabéticos é precisamente esta resposta que falha, devido a uma deficiente produção de insulina no pâncreas. Outro exemplo ocorre no controlo da temperatura do corpo nos animais de sangue quente. A temperatura do corpo é regulada por receptores de temperatura no hipotálamo, a temperatura do sangue é monitorada ao longo de todo o corpo por este sensor. Se esta se encontrar dentro de certos limites o corpo sente-se bem. No entanto, se o corpo é exposto a grandes gradientes de temperatura, por exemplo, se a temperatura ambiente atinge valores muito baixos, o sensor detecta uma discrepância entre o valor ideal e o monitorado. Neste caso é acionada no organismo a sensação de frio e são acionados comportamentos e respostas fisiológicas, tal como os arrepios ou a necessidade de agasalho, que tendem a combater a diminuição de temperatura. Logo, feedback negativo serve para corrigir valores de parâmetros importantes para o bom funcionamento do sistema quando estes se afastam dos valores ideais. O fato de depender exclusivamente do aparecimento de flutuações torna a correção independente de qualquer controlo externo. Contrariamente ao feedback negativo, o feedback positivo amplifica pequenas flutuações e portanto favorece alterações do sistema. Consideremos o exemplo da agregação de indivíduos observada com freqüência no mundo animal. Muitas espécies de pássaros como as gaivotas ou as garças, agrupam os seus ninhos em colônias. Estas colônias oferecem aos indivíduos certas vantagens, tais como a detecção mais eficaz de predadores ou maior facilidade na procura de alimento. O mecanismo através do qual estas colônias se formam é baseado no comportamento imitativo de cada uma das aves: cada ave sente-se atraída a construir o ninho perto de sítios onde já existam outros ninhos. Este comportamento é um processo de feedback positivo em que cada ave segue a regra comportamental "Façamos o ninhos próximo uns dos outros". Quantos mais ninhos houver numa zona maior será o estímulo sobre outras aves e, portanto maior tendência haverá para a colônia crescer ainda mais. Imagine um conjunto de ilhas e uma população de gaivotas que habitam estas ilhas. Inicialmente, não há nenhuma zona preferencial para a construção de ninhos, pois ainda não há ninhos, cada ave irá sentir-se igualmente atraída por cada uma das ilhas e, portanto fará uma escolha aleatória. Este comportamento dará origem a uma distribuição quase homogênea de aves pelas diferentes ilhas. No entanto, como o processo é aleatório, acabará por haver uma ligeira flutuação que faça com que numa determinada ilha apareça um número ligeiramente superior de ninhos. Ora, quando isso acontecer, o estímulo para que aves recém chegadas construam o ninho nesta ilha será ligeiramente superior e, portanto mais aves terão propensão a escolhê-la. Mas se mais aves escolhem esta ilha, o estímulo será ainda maior para futuras aves. Desta forma, uma ligeira flutuação é amplificada pelo processo de feedback positivo e de um comportamento inicialmente aleatório chega-se a um comportamento robusto. Baseadas em regras simples, encontramos na natureza várias formas de feedback positivo: Comunidades de pirilampos piscam de forma síncrona mediante a regra "eu ilumino quando você ilumina", como já vimos, cada peixe de um cardume segue a regra "eu vou por onde você for", ou mesmo em ser humanos, quando vimos alguém a rir ou a bocejar, muitas vezes leva-nos a rir ou bocejar também.
O controlo do feedback positivo é necessário pois funciona como uma bola de neve, quanto mais uma flutuação for amplificada mais ainda o será. Não havendo um limite neste ciclo poderia crescer indefinidamente com conseqüências catastróficas. Então como esta bola de neve pode ser controlada? Resposta com a utilização do feedback negativo. Vejamos a tilápia peixe que usa pequenos buracos escavados na areia como ninhos. Os seus territórios encontram-se agrupados em colônias mediante um processo de feedback positivo semelhante aquele que descrevemos para as colônias de gaivotas e garças, assim cada peixe é atraído a fazer o seu buraco junto dos buracos já existentes de outras tilápias, o estímulo que cada peixe sente para fazer o seu buraco perto donde outros já o fizeram, pode ser pensado como uma regra que define a interação entre peixes à distância: "Eu faço o meu ninho perto do seu". No entanto, se os peixes seguissem exclusivamente este modo de interação não iriam respeitar o território uns dos outros provavelmente originando a disputas territoriais. Assim sendo é necessário que exista um processo de feedback negativo que regule as interações próximas entre os peixes: "Não faça seu ninho onde tenho o meu". Na prática, cada peixe com o seu buraco defendendo o limite do seu território. Esta dinâmica que o balanço entre estas duas tendências dá origem no fundo do mar a um conjunto de ninhos organizados de forma poligonal, as formas emergem de um padrão auto-organizados semelhante ao empacotamento hexagonal encontrados na natureza (ver abaixo).
Favo de abelhas é um exemplo de empacotamento hexagonal na natureza.
Os processos de feedback positivo encontrados na natureza estão naturalmente limitados por mecanismos de feedback negativo. Como se pode observar nas colônias de bactérias que diminuem a reprodução devido à escassez de alimento. Há, portanto um limite ao crescimento populacional percebido pelas bactérias que ativa o controle populacional, assim o excesso de indivíduos e disponibilidade de alimento são fatores limitantes naturais.
Aprendizado adquirido leva a auto-organização
Para se entender como à auto-organização aparece em sistemas biológicos é essencial perceber como é que as diversas componentes do sistema auto-organizado interagem entre si já que é exclusivamente mediante estas interações ele se auto-organiza. Nos grupos de animais, foram identificados dois modos mais utilizados para circular informação entre indivíduos são eles:
Sinais - são estímulos desenvolvidos para a troca de informação entre indivíduos.
Sugestões - são estímulos que acidentalmente servem para a troca de informação.
A diferença entre sinais e sugestões pode ser observada entre os carreiros de formigas e os carreiros de veados.
As formigas “aprenderam” deixar uma trilha de feromônio para ser seguida por outras formigas quando regressa de uma fonte de alimento bastando as demais seguirem o “rasto químico” objetivando melhor eficácia na detecção de alimento. Realmente trata-se de uma técnica brilhante das formigas.
Os veados “aprenderam” a utilizar trilhas formadas por outros nas matas e bosques, mas apesar de fornecerem informação útil aos veados que eventualmente os vejam não serve especificamente de comunicação entre indivíduos, é meramente o resultado de seguirem pelo mesmo caminho tratando de uma sugestão.
É fácil intuir que nos sistemas auto-organizados a transferência de informação via sinais parece ser mais “consciente” que a transferência de informação via sugestões que parece se basear por estímulos acidentais obtidos pelo organismo no seu meio social. Esta troca de informação local é uma das características essencial nos sistemas auto-organizados assim cada elemento comporta-se mediante a interação com a sua vizinhança, ficando desta maneira alheio ao comportamento global do sistema. Nos sistemas biológicos esta noção torna-se ainda mais evidente, dada a extrema dificuldade de qualquer organismo vivo adquirir e processar grandes quantidades de informação, como seria o caso, se os sistemas auto-organizados que observamos na natureza possuíssem líderes ou indivíduos com informação global do comportamento de toda a comunidade. Na natureza o membro de um grupo auto-organizado usa regra de comportamento muito simples baseadas na informação que direta ou indiretamente obtém dos seus vizinhos mais próximos essa informação é adquirida e processada localmente mediante a interação individual com vizinhos mais próximos.
Quando vários indivíduos contribuem num esforço comum, esta interação pode ser indireta, tal como o trabalho das térmitas ou das abelhas, os estímulos produzidos pela estrutura emergente, ou pelas modificações no meio ambiente são muitas vezes as fontes de informação essenciais que regulam o comportamento posterior de cada indivíduo. Os montes de térmitas são um dos exemplos mais marcante de auto-organização em sistemas biológicos. Tais montes são milhares de vezes maiores que cada térmita demorando várias gerações para ser construído, o ainda mais intrigante é o mecanismo que possibilita a coordenação do trabalho de milhares de indivíduos trabalhando numa construção tão complexa. O biólogo Pierre-Paul Grass em 1959 utilizou o termo estimergia no estudo do comportamento das térmitas. Definido como “Estimulação dos trabalhadores através do desempenho que alcançaram”. No caso das térmitas, parece evidente que nenhuma delas tem conhecimento da forma final da estrutura, além de que não é possível a cada uma acompanhar a construção como um todo.
Os montes das térmitas são uma obra de engenharia complexa. A sua construção envolve auto-organização a vários níveis onde se destaca a estigmergia: - Atividade de construção recursiva em que cada indivíduo recebe informação da construção em curso para saber o que fazer a seguir.
Assim, não é verossímil que o trabalho seja realizado à custa da supervisão de líderes, mas antes através de coordenação descentralizada, em que cada indivíduo responde a estímulos provenientes da própria construção emergente para saber o que deve fazer a seguir, comunicando desta forma com o resto da colônia. A estigmergia na natureza é caracterizada por:
Assim, não é verossímil que o trabalho seja realizado à custa da supervisão de líderes, mas antes através de coordenação descentralizada, em que cada indivíduo responde a estímulos provenientes da própria construção emergente para saber o que deve fazer a seguir, comunicando desta forma com o resto da colônia. A estigmergia na natureza é caracterizada por:
- A falta de coordenação centralizada;
- A comunicação e coordenação entre os indivíduos em uma colônia se baseada nas modificações locais do ambiente;
- Reforço positivo;
No entanto, para entender a construção dos montes de térmitas a estigmergia é importante, mas não é o único mecanismo de aquisição de informação da colônia. Tal como as formigas, cada térmita deixa rastros químicos no local de passagem e nos bocados de terra "encharcados" com saliva e que servem também como estímulo comportamental as outras térmitas. Além disso, em certas fases da construção do monte, como na construção da câmara da rainha, a auto-organização aparece associada a outros mecanismos de formação de padrões: o odor que esta liberta serve de molde para orientar o distanciamento correto das paredes, o que significa que, neste caso, existe a colaboração de um "comando central" na orientação dos primeiros passos de construção do monte. É importante ressaltar que, apesar da auto-organização ser um elemento essencial na formação dos padrões que vimos como exemplo, na maioria das vezes não aparece sozinho. Outros processos de formação de padrões podem aparecer como elementos importantes em algum passo da criação do padrão emergente.
Alternativas à auto-organização
No estudo dos mecanismos de formação de padrões em sistemas biológicos é necessário ter em mente que mesmo aqueles baseados essencialmente na auto-organização podem ter a contribuição de outros mecanismos alternativos para a formação de padrões. Afinal nem todos os padrões da natureza provêm da auto-organização. Muitas vezes, a ordem nos sistemas pode ter origem nas suas interações internas em conformidade com as forças impostas pelo exterior.
Os sistemas biológicos apresentam basicamente quatro formas de um grupo de organismos construírem uma estrutura ordenada sem recorrer à auto-organização. Cada uma delas pode ser caracterizada através da forma como a ordem é imposta no sistema são: Líderes, receitas, esquemas (blueprints) e moldes (templates). Esses mecanismos associados a auto-organização talvez tenham desenvolvido a consciência coletiva, uma precursora da inteligência, devido a necessidade crescente de perpetuação da vida, com o aparecimento crescente de mais formas de vida em nosso planeta houve a necessidade de cada organismo se organizar e até se especializar em sobrevivência tentando evitar assim sua extinção. Convém esclarecer que tais processos podem ser demorados, mas a vida teve bilhões de anos para "aprender" e se "especializar" e deve ter muitos segredos a serem desvendados.
Líderes
A primeira alternativa à auto-organização é o líder bem informado que dirige a atividade do grupo dizendo a cada indivíduo aquilo que deve fazer, supervisionando assim a construção do padrão global do sistema. É o que acontece na tripulação de um navio que têm o Capitão como coordenador de toda tripulação. Convém notar, no entanto, a atividade da tripulação não deriva exclusivamente das instruções do líder, mas cada indivíduo tem que está apto a exercer suas funções e o trabalho de equipe faz toda a embarcação funcionar, sendo assim os próprios tripulantes tentam coordenar o seu trabalho. Isso significa que apesar da presença de um líder, a auto-organização também tem um papel neste exemplo. Então Ao analisar o mecanismo de formação do padrão em certo sistema, é preciso averiguar se existem indivíduos com papéis de liderança, responsáveis pela coordenação do padrão. Se houver, então é provável que o sistema não seja auto-organizado. No entanto, é preciso também averiguar a existência de interações entre os elementos do sistema, porque a sua existência indicia auto-organização. No plano experimental, a melhor maneira de decidirmos entre estas duas alternativas é privar o sistema dos seus líderes, ou bloquear as interações entre os seus elementos averiguando até que ponto o padrão global é robusto à alteração destas condições.
Liderança em sistema biológico.
A liderança em sistemas biológicos pressupõe a existência de um indivíduo mais experiente ou geneticamente mais apto que possa supervisionar a atividade organizada do grupo. Um exemplo clássico é o da fila formada pelas crias dos patos que seguem a mãe, um padrão que se forma com base na liderança da progenitora. Durante muito tempo pensou-se que a rainha nas sociedades de insetos, além de progenitora funcionava como uma autoridade central que supervisionava a atividade de toda a colônia. Numa certa medida pode ser verdade, nas colônias de abelhas a rainha liberta feromônios que regulam alguns dos aspectos da organização da colônia. Este controle torna-se ainda mais importante em colônias menores como as formadas por algumas espécies de abelhas ou vespas. Nestas colônias, o número de indivíduos é suficientemente pequeno para que a rainha atue como um coordenador central em que a sua agressividade, aumento de atividade ou produção de feromônios, funciona como estímulo à atividade subseqüente da colônia. Nestes casos, o papel de liderança funciona com eficácia porque a colônia é suficientemente pequena para que a rainha possa examinar toda a colméia, adquirindo informação completa sobre as suas necessidades e a partir da qual pode dar feedback aos trabalhadores.
Alguns estudos comparativos mostram que as colônias menores são caracterizadas por um controlo centralizado, mas à medida que a colônia aumenta de tamanho este controlo é descentralizado e transferido da rainha para os trabalhadores, passando a colônia a ser governada através de processos de auto-organização. De fato, não é de estranhar que para sistemas muito grandes seja difícil ter um líder que possa acumular e processar informação de toda a colônia.
Receitas
Receita é quando se obtém padrão global com instruções seqüenciais a cada indivíduo, especifica-se a ação de cada um no tempo e espaço. Nas orientações estão contidas passos de como devem ser realizadas as tarefas. Uma receita de culinária é um bom exemplo de como funciona esse mecanismo assim seguindo fielmente a receita se ignora o feedback do preparo do prato. Mas, caso tenhamos um cozinheiro que goste de fazer experiência e que além de possuir a receita queira buscar informações e combinação de sabores teremos uma estigmergia, obtendo assim um feedback que pode levá-lo a fazer alterações no que estava previsto inicialmente. Na receita, assim como no caso de líderes pode ocorrer uma combinação de mecanismos além da receita emergindo assim um padrão global conforme as interações internas do sistema.
Receitas em sistemas biológicos
Há evidências fortes de animais que constroem seguindo receitas com instruções que especificam uma seqüência de comportamentos geneticamente programada é o caso da aranha Cupiennius salei, que faz casulos com a sua seda e depositam ovos, ela começa por construir uma base, em seguida constrói uma borda cilíndrica deixando no final uma abertura através da qual são depositados os ovos. Foram feitas algumas experiências com o objetivo de testar a flexibilidade da aranha nesta construção. Verificou-se que retirando a aranha interrompendo assim o seu trabalho após a construção da base, quando a aranha foi recolocada para continuar o seu trabalho alguns minutos mais tarde, esta não voltou a construir a base, continuando a construção como se já existisse a base. O exemplo mostra que as receitas definem comportamentos rígidos deterministas retirando a flexibilidade do construtor especialmente se for um trabalho coordenado envolvendo vários construtores. Tal como o cozinheiro experiente recebe feedback do prato que está a ser confeccionado e faz ajustes à receita, certos sistemas biológicos, desenvolveram a estigmergia ou seja, a capacidade de receber estímulo da própria construção em andamento para saber o que fazer a seguir.
Para construir e manter suas tocas os castores seguem esquemas bem elaborados
Esquemas
Os esquemas são mais uma alternativa à auto-organização na formação de padrões assim uma representação compacta das relações tempo-espaço das partes do padrão. Por exemplo, a planta de uma casa ou a pauta de um músico numa orquestra. A diferença entre receitas e esquemas é que o esquema não diz como é que o padrão deve ser construído, apenas estabelece as relações entre as partes do sistema. Tanto no caso da construção de uma casa ou de um concerto de orquestra, além da planta e da pauta é necessária a presença de um engenheiro ou mestre de obras ou de um maestro. Portanto, para além de um esquema, a ordem pode ser imposta num sistema com a contribuição de outros mecanismos, neste caso de líderes.
Esquemas em sistemas biológicos
É difícil arranjar exemplos claros do uso de esquemas por parte de algum ser vivo. O uso de um esquema implica ter uma imagem mental do que se quer construir, com a qual possa comparar a construção à medida que vai progredindo. Analisando o caso dos castores que constroem represa para proteger suas tocas, o objetivo das represas é manter o nível d'água dentro de um padrão desejado, assim caso chova muito ocasionando subida da água eles abrem orifícios controlando a altura da água, ou seja, tal represa funciona como uma comporta. As aldeias de castores formam atividades coletivas existindo trabalho de construção e manutenção de tocas e diques. No entanto, é difícil distinguir se o ser vivo está usando um esquema ou se possuí simplesmente um repertório rico de respostas a diferentes contingências do trabalho em progressão. Tanto um mecanismo como o outro é bastante flexível. No caso em que o ser vivo funciona com base no estímulo-resposta, cada estrutura estimula um determinado comportamento que o leva ao passo seguinte de construção, que por sua vez oferece um novo estímulo. Desta maneira, a construção é feita através de um caminho rígido determinado e qualquer acidente ou alteração a este caminho provocará estímulo de reserva a partir do qual a estrutura pode ser corrigida. Contudo, se o ser vivo utilizar um esquema, ele é guiado pela forma final da construção e, portanto é de esperar que ele possa seguir qualquer caminho que produza o resultado correspondente ao esquema que possuí de antemão. Sendo assim a vida sempre encontra uma solução.
Moldes
Os moldes são a quarta alternativa para a formação de padrões, também conhecidos como templates. Um molde especifica o padrão final e conduz o processo de formação do padrão. Um exemplo clássico de molde é a construção da câmara real por parte das térmitas. A rainha liberta um odor carregado sensíveis as térmitas que demarca a dimensão e forma da câmara real. Outro exemplo conhecido do nosso dia-a-dia são as formas usadas para fazer biscoitos e os moldes industriais que permitem a construção em série de inúmeros objetos.
Os moldes são a quarta alternativa para a formação de padrões, também conhecidos como templates. Um molde especifica o padrão final e conduz o processo de formação do padrão. Um exemplo clássico de molde é a construção da câmara real por parte das térmitas. A rainha liberta um odor carregado sensíveis as térmitas que demarca a dimensão e forma da câmara real. Outro exemplo conhecido do nosso dia-a-dia são as formas usadas para fazer biscoitos e os moldes industriais que permitem a construção em série de inúmeros objetos.
As formas de biscoito são exemplos de formação de padrões a partir de moldes.
Moldes em sistemas biológicos
O uso de moldes em sistemas biológicos é mais sutil do que aquele que podemos observar em exemplos humanos, onde os usamos para fazer cópias iguais de um mesmo objeto. Um exemplo interessante é o do cacho-caldeirão macho ( Ploceus cucullatus ). Este pássaro usa o corpo como molde para construir o seu ninho. Começa por construir um anel no qual se pode empoleirar. Uma vez empoleirado, começa a alargar o anel dando origem a uma câmara abobadada. O tamanho e forma desta câmara são definidos pela máxima distância a que o pássaro consegue chegar quando empoleirado no anel de origem, daí a forma abobadada.
O cacho-caldeirão macho usa o corpo como molde para a construção do ninho.
Por que a Auto Organização?
Então porque muitos sistemas biológicos utilizam a auto-organização em detrimento de outros mecanismos. Quais suas vantagens? O motivo é que as regras que regulam sistemas auto-organizados são bastante econômicas, e por isso facilmente efetuada no comportamento e na fisiologia dos organismos que as usam. Assim sendo, é de esperar que a natureza tenha favorecido sistemas auto-organizados, nos quais cada indivíduo segue um conjunto de regras simples, mas que a interação com outros indivíduos possibilita a criação de padrões complexos.
Auto-organização molecular
Em uma experiência baseada na observação do comportamento de uma complexa mistura de materiais inorgânicos no interior de um plasma. O plasma é essencialmente o quarto estado da matéria, além do sólido, líquido e gasoso no qual os elétrons são arrancados dos átomos deixando para trás uma nuvem de partículas carregadas. Até agora os cientistas acreditavam não haver praticamente nenhuma organização nessa nuvem de partículas. Mas a equipe do Dr. V.N. Tsytovich, da Academia de Ciências de Moscou, na Rússia, descobriu que essas partículas podem passar por um processo de auto-organização à medida que as cargas eletrônicas se separam e o plasma se torna polarizado. O fenômeno resulta em fitas microscópicas de partículas sólidas que se torcem, assumindo o formato de um parafuso, formando uma estrutura helicoidal. Essas fitas helicoidais são elas próprias eletronicamente carregadas, o que faz com que se atraiam mutuamente. Encontraram o DNA inorgânico? Mais do que simplesmente se grudarem, essa espécie de DNA inorgânico pode se dividir, ou bifurcar, para formar duas cópias da estrutura original. Até hoje, esse comportamento só era associado a moléculas biológicas, como o DNA e as proteínas.
Matéria viva inorgânica
Essas estruturas de plasma complexas e auto-organizáveis apresentam todas as propriedades necessárias para se qualificarem como candidatas para uma matéria viva inorgânica, diz Tsytovich. "Elas são autônomas, elas se reproduzem." O plasma não se forma apenas em condições especiais de laboratório. Ele está presente em inúmeras estruturas no espaço exterior. E está particularmente presente aqui mesmo na Terra, no ponto em que os relâmpagos atingem o solo. A descoberta aponta para a possibilidade da vida fora da Terra não necessariamente precisar de moléculas à base de carbono agora se pode cogitar a possibilidade de explicar como a vida surgiu aqui mesmo na Terra com a participação desses compostos que até agora não se imaginava poder desempenhar um papel importante no padrão vida.
Esboço da estrutura helicoidal dupla do enrolamento de grãos similar ao DNA. ou DNA inorgânico?
Até agora os cientistas acreditavam não haver praticamente nenhuma organização nessa nuvem de partículas. Mas a equipe do Dr. V.N. Tsytovich, da Academia de Ciências de Moscou, na Rússia, descobriu que essas partículas podem passar por um processo de auto-organização à medida em que as cargas eletrônicas se separam e o plasma se torna polarizado.
DNA inorgânico
O
fenômeno resulta em fitas microscópicas de partículas sólidas que se torcem,
assumindo o formato de um parafuso - uma estrutura helicoidal. Essas fitas
helicoidais são elas próprias eletronicamente carregadas, o que faz com que se
atraiam mutuamente.
Fontes:
Comentários