ACESSO: 23/02/2015 as 9h 12min
Um fato curioso para refletir enquanto estiver parado, em pé, em alguma fila: sem a atividade constante de nervos e músculos, o corpo desabaria como uma marionete largada por seu manipulador. Para ficar em pé, parado, não basta que os impulsos elétricos transmitidos pelo sistema nervoso ordenem aos músculos que permaneçam rígidos o tempo todo. Se fosse assim, o equilíbrio do corpo humano seria idêntico ao de um cabo de vassoura: qualquer perturbação – a mais leve brisa ou mesmo a respiração ou os batimentos cardíacos – levaria à queda. Manter-se ereto sobre duas pernas exigiria a habilidade de um equilibrista de circo, que tem de se movimentar para lá e para cá para sustentar um prato na ponta de uma vareta. No corpo humano uma parte do sistema nervoso central ordena, de modo automático, a contração e o relaxamento coordenados dos músculos da perna, deixando o cérebro livre para prestar atenção ao ambiente ou divagar sobre esse tipo de curiosidade.
“Embora não se perceba, ficar em pé é um desafio constante para o sistema nervoso”, explica André Fábio Kohn, engenheiro biomédico da Universidade de São Paulo (USP). Kohn e seus alunos de doutorado desenvolveram um novo modelo para descrever como uma porção da medula espinhal – o tecido formado por neurônios agrupados no interior de um canal que atravessa os ossos da coluna – coordena a contração e o relaxamento de músculos situados abaixo do joelho. São esses músculos que controlam as rotações do tornozelo, impedindo que o corpo parado em pé caia para a frente ou para trás.
O modelo da equipe de Kohn demonstra que a medula espinhal é poderosa o suficiente para receber os sinais elétricos indicadores da tensão dos músculos, processá-los e enviar de volta comandos para controlar essa tensão, com pouquíssima ajuda do cérebro. “Algumas pessoas pensam que a medula espinhal é como um cabo elétrico que se conecta com o cérebro, apenas um feixe de passagem, mas essa ideia é errada. Se o cérebro é o equivalente a um supercomputador, a medula espinhal seria um computador muito bom.”
Os músculos simulados pela equipe de Kohn apresentam o mesmo padrão de atividade elétrica – uma combinação de sinais contínuos e intermitentes – que neurofisiologistas e engenheiros biomédicos observaram em experimentos recentes com seres humanos. Um músculo de ação rápida, o gastrocnêmio, que, além de manter a postura, ajuda a saltar e correr, atua de maneira mais pulsada, intermitente, ativado de uma a duas vezes por segundo. Já um músculo mais lento, mas mais resistente à fadiga, o sóleo, tende a ser ativado de maneira quase contínua. “Alguns músculos respondem de modo contínuo, enquanto outros de maneira intermitente”, diz a médica Júlia Greve, do Instituto de Ortopedia e Traumatologia da Faculdade de Medicina da USP. Ela pesquisa terapias que auxiliam a recuperação de pacientes idosos ou com doenças neurodegenerativas com dificuldades de realizar movimentos e de manter a postura. “O controle do sistema nervoso sobre a sensibilidade dos músculos que Kohn modelou é uma função importante para a reabilitação dessas pessoas.”
“Quando se está em pé e se inclina um pouco para a frente, os músculos da panturrilha, o sóleo e o gastrocnêmio, se contraem, enquanto o da frente da perna, o tibial anterior, relaxa”, explica Júlia. Ao contrário, a musculatura da parte anterior da perna se contrai e a da panturrilha relaxa se a tendência é cair para trás. “Esse sincronismo é modulado em um mesmo segmento da medula espinhal; o sinal que manda um músculo contrair já faz o outro relaxar.”
Ela nota que o controle desses músculos representa apenas parte do sistema de controle postural. Para manter o corpo em certa posição, cada segmento da medula precisa de uma cópia do circuito de controle do tornozelo para os demais músculos do corpo. Além disso, a medula espinhal e o córtex motor, região cerebral responsável pelos movimentos conscientes, precisam trabalhar em conjunto para integrar as informações recebidas dos nervos ligados aos músculos com as vindas da visão, do tato e do sistema vestibular do ouvido interno, que dá a referência de onde a cabeça está em relação ao restante do corpo. “Sem essa noção, caímos”, ela diz.
Depois de algum tempo parado de pé, o corpo começa a usar outras estratégias para se equilibrar. Além da oscilação do tornozelo, o quadril passa a se mover e o apoio do peso a se concentrar ora mais em uma perna, ora em outra. “O sistema de controle postural humano é um mecanismo de extraordinária complexidade”, diz o especialista em biomecânica Daniel Boari, da Escola de Educação Física e Esporte da USP. Segundo ele, cerca de 750 músculos controlam os mais de 200 tipos de movimentos independentes que o corpo é capaz de realizar. “Cada grupo de pesquisa tem um ponto de vista um pouco diferente sobre os mecanismos neuromusculares que atuam nessas situações”, diz o engenheiro biomédico Robert Peterka, da Universidade de Saúde e Ciência do Oregon, nos Estados Unidos.
O engenheiro brasileiro Hermano Krebs, pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), constrói e utiliza robôs com a intenção de auxiliar a fisioterapia de pacientes que perderam parte dos movimentos por lesões no sistema nervoso. Os robôs funcionam como fisioterapeutas automáticos, corrigindo os movimentos. Krebs trabalha com a equipe de Kohn em um projeto que, se der certo, permitirá que o novo modelo computacional seja usado para orientar terapias de reabilitação. “Para melhorar a reabilitação robótica, é importante olhar o problema sob vários pontos de vista, com experimentos e simulações”, diz ele.
“Não basta ser bom em matemática e computação para fazer esses modelos; é preciso estudar fisiologia e conhecer os trabalhos experimentais, de modo a melhorar a intuição sobre o problema”, diz Kohn. Ele começou a pesquisar a fisiologia do sistema nervoso ainda na graduação em engenharia elétrica na Escola Politécnica da USP, no final dos anos 1970. A origem de seu modelo para o controle da postura ereta remonta a 1994, quando passou um ano em um laboratório dos Institutos Nacionais de Saúde dos Estados Unidos. Ali, ele aprendeu a usar medições da atividade elétrica de nervos e músculos, registradas por eletrodos colocados na pele de voluntários, para deduzir por quais circuitos de neurônios os sinais elétricos são processados na medula espinhal.
Esses e outros experimentos revelaram que os neurônios não são simples elementos de circuitos elétricos que funcionam regularmente como relógios. Eles disparam sinais elétricos de forma abrupta e aleatória, que se refletem no movimento do corpo. Mesmo quando um soldado treina para marchar com passos regulares, há uma pequena variação no comprimento de seus passos. Mas, paradoxalmente, o movimento contínuo e suave de um músculo decorre da ação conjunta das centenas de neurônios ligados às fibras musculares, que, disparando de forma aleatória e levemente dessincronizada, suavizam a ação uns dos outros.
Combinando dados de seus experimentos e dos de outros pesquisadores, Kohn e Rogério Cisi, então seu aluno de doutorado, criaram em 2008 um modelo em computador da medula espinhal e de neurônios envolvidos no controle muscular. “Esse é o núcleo de nosso novo modelo”, explica Kohn. Em 2013, com dois outros doutorandos, Leonardo Elias e Renato Watanabe, ele expandiu o modelo de Cisi ao incluir descrições detalhadas dos músculos responsáveis por manter o tônus do tornozelo. O modelo leva em conta, por exemplo, órgãos sensitivos dos tendões e ligações entre fibras musculares e neurônios chamados de fusos musculares, que agem como sensores e informam ao sistema nervoso sobre o alongamento e a força sentida pelos músculos.
“Estamos cientes das limitações do modelo”, diz Kohn, reconhecendo a forma simplificada com que trata os elementos do sistema motor. Os dendritos, o corpo celular e o axônio de cada neurônio são representados por circuitos elétricos que incluem aspectos dinâmicos do funcionamento neuronal, o que permite reproduzir de modo mais realista a atividade de neurônios reais. A complexidade do entrelaçamento dos neurônios e das células musculares é também reduzida. Mas a simplificação mais radical é a do corpo humano como um todo, representado por uma barra fixa ao chão por uma junta móvel, que faz o papel do tornozelo. Nesse modelo, conhecido como pêndulo invertido, a barra permanece em pé pela ação compensatória do sóleo, do gastrocnêmio e do tibial anterior. “É simplificado, mas não é simples”, afirma Kohn sobre o modelo, que inclui a representação de milhares de neurônios e de 1 milhão de conexões (sinapses) entre eles em 5 mil equações matemáticas.
As simulações sugerem que o processamento de informação feito na medula espinhal consegue manter uma pessoa em pé por ao menos 30 segundos e com características parecidas com as de seres humanos saudáveis. De acordo com o modelo, a porção superior do sistema nervoso central, que inclui o cérebro, auxilia a atividade da medula ao enviar um sinal elétrico especial. “Imitamos como o sistema nervoso central, particularmente a medula espinhal, tenta processar, grosso modo, as respostas dos sentidos envolvidos em certo movimento”, diz Kohn.
“Acredito que Kohn tem o melhor modelo para representar o circuito entre a medula espinhal e os músculos”, diz Krebs, que planeja usar esse modelo às avessas. Seus robôs medem com precisão variações na estabilidade do tornozelo de uma pessoa em pé – essa estabilidade muda após um acidente vascular cerebral (AVC), porque os sinais enviados à medula espinhal diminuem. “Com menos sinal descendo, certas partes do tornozelo param de responder, já outras respondem de maneira mais ativa”, diz Krebs. “Quero fazer o inverso: colocar no modelo medidas da rigidez do tornozelo e usá-lo para descobrir como é o sinal enviado pelo cérebro à medula.”
Seria possível usar o modelo para uma terapia robótica ou projetar uma prótese que melhorasse o sinal elétrico emitido pelo cérebro de alguém com AVC? Ainda não, segundo Kohn. O maior problema é que o modelo tem muitas variáveis e, embora aja de modo natural, ainda não se entende como cada parte interage com outra. “Atualmente, o uso clínico é inviável”, admite Kohn. Krebs é mais otimista. “Cada vez que encontro Kohn, sua equipe está mais próxima dessa possibilidade.”
Artigo científico
ELIAS, L. A. et al. Spinal mechanisms may provide a combination of intermittent and continuous control of human posture: predictions from a biologically based neuromusculoskeletal model. PLOS Computational Biology. v. 10. nov. 2014.
ELIAS, L. A. et al. Spinal mechanisms may provide a combination of intermittent and continuous control of human posture: predictions from a biologically based neuromusculoskeletal model. PLOS Computational Biology. v. 10. nov. 2014.
A química está na base do desenvolvimento
econômico e tecnológico. Da siderurgia à indústria da informática, das artes à
construção civil, da agricultura à indústria aeroespacial, não há área ou setor
que não utilize em seus processos ou produtos algum insumo de origem química.
Com alto grau de desenvolvimento científico e tecnológico, a indústria química
transforma elementos presentes na natureza em produtos úteis ao homem.
Substâncias são modificadas e recombinadas, através de avançados processos, para
gerar matérias-primas que serão empregadas na formulação de medicamentos, na
geração de energia, na produção de alimentos, na purificação da água, na
fabricação de bens como automóveis e computadores, na construção de moradias e
na produção de uma infinidade de itens, como roupas, utensílios domésticos e
artigos de higiene que estão no dia-a-dia da vida moderna.
A água é a substância química mais abundante
em nosso planeta. Ela cobre três quartos da superfície da terra. Mas apenas uma
pequena parte desse volume é potável e está próxima aos centros urbanos. Sem a
química, seria impossível assegurar à população o abastecimento de água. É
através de processos químicos que a água imprópria ao consumo é transformada em
água pura, límpida, sem contaminantes. O dióxido de cloro, por exemplo, é
utilizado para oxidar detritos e destruir microorganismos. O cloreto de ferro e
o sulfato de alumínio absorvem e precipitam a sujeira em suspensão, eliminando
também cor, gosto e odores. O carbono ativo retém micropoluentes e detergentes.
Soda e cal neutralizam a acidez da água. É a indústria química que fornece esses
e outros produtos, permitindo ao homem continuar a usufruir de um elemento
essencial à vida: água pura e saudável.
Como alimentar uma população em constante
crescimento sem esgotar os recursos naturais do solo? A resposta é dada pela
química. É através de produtos químicos que se fertiliza a terra, conservando e
aumentando o seu potencial produtivo. A reposição de elementos como o
nitrogênio, fósforo, potássio e cálcio, entre outros, retirados pela ação de
chuvas, ventos, queimadas e constantes colheitas, é fundamental para manter a
produtividade da terra. Sem os fertilizantes químicos, áreas esgotadas ou
impróprias à agricultura teriam sido abandonadas, com consequente queda na
produção de alimentos. Mais: novas áreas agrícolas teriam de ser abertas,
reduzindo as reservas de matas e florestas. Também os defensivos químicos têm um
importante papel nessa tarefa. Com eles, o agricultor garante a qualidade dos
alimentos, a produtividade das plantações e evita a disseminação de doenças. Na
pecuária, os medicamentos veterinários preservam a saúde dos rebanhos, evitam
epidemias e aumentam a produtividade. A química, como se vê, é fértil em
soluções que possam ajudar o homem a vencer o fantasma da fome.
A química está presente em praticamente
todos os medicamentos modernos. Sem ela, os cientistas não poderiam sintetizar
novas moléculas, que curam doenças e fortalecem a saúde humana. Mas a aplicação
da química vai além dos medicamentos. Ela cerca o homem de outros cuidados que
prolongam e protegem a vida. Fornecedor de uma quantidade fantástica de produtos
básicos para outras indústrias, o setor químico também desenvolveu
matérias-primas específicas para a medicina. Válvulas cardíacas, próteses
anatômicas, seringas descartáveis, luvas cirúrgicas, recipientes para soro,
tubos flexíveis e atóxicos e embalagens para coleta e armazenamento de sangue
são apenas alguns dos exemplos dos produtos de origem química que revolucionaram
a medicina. Hospitais, clínicas, laboratórios, enfermarias e unidades de terapia
intensiva têm na química uma parceira indispensável. Os modernos equipamentos
utilizados em cirurgias ou diagnósticos foram fabricados com matérias-primas
químicas. Avançados desinfetantes combatem o risco de infecções. Reagentes
aceleram o resultado de exames laboratoriais. Na medicina, mais do que em
qualquer outra atividade, fica patente que química é vida.
A química nos acompanha 24 horas por dia.
Ela está presente em praticamente todos os produtos que utilizamos no dia-a-dia.
Do sofisticado computador à singela caneta esferográfica, do possante automóvel
ao carrinho de brinquedo, não há produto que não utilize matérias-primas
fornecidas pela indústria química. Teclados, gabinetes e disquetes dos
computadores, para ficar apenas em alguns exemplos, são moldados em resinas
plásticas. No automóvel, há uma lista enorme de produtos de origem química:
volantes, painéis, forração, bancos, fiação elétrica encapada com isolantes
plásticos, mangueiras, tanques de combustível, pára-choques e pneus são apenas
alguns desses itens. A maioria dos alimentos chegou às nossas mãos em embalagens
desenvolvidas pela química. Em nossas roupas, há fibras sintéticas e corantes de
origem química. Em nossa casa, há uma infinidade de produtos fornecidos, direta
ou indiretamente, pela indústria química: a tinta que reveste as paredes, potes
e brinquedos em plástico, tubos para condução de água e eletricidade, tapetes,
carpetes e cortinas. Isso sem falar nos componentes químicos das máquinas de
lavar roupas e louças, na geladeira, no microondas, no videogame e no televisor.
Nos produtos que utilizamos em nossa higiene pessoal e na limpeza da casa também
podemos perceber a presença da química. É só prestar atenção. Nosso cotidiano
seria realmente muito mais difícil sem a química. É para ajudar o homem a ter
mais saúde, mais conforto, mais lazer e mais segurança que a indústria química
investe dia-a-dia em tecnologia, em processos seguros e no desenvolvimento de
novos produtos. O resultado é o progresso.
Um dos principais ramos industriais da
química é o segmento petroquímico. A partir do eteno, obtido da nafta derivada
do petróleo ou diretamente do gás natural, a petroquímica dá origem a uma série
de matérias-primas que permite ao homem fabricar novos materiais, substituindo
com vantagens a madeira, peles de animais e outros produtos naturais. O plástico
e as fibras sintéticas são dois desses produtos. O polietileno de alta densidade
(PEAD), o polietileno de baixa densidade (PEBD), o polietileno tereftalato
(PET), o polipropileno (PP), o poliestireno (PS), o policloreto de vinila (PVC)
e o etileno acetato de vinila (EVA) são as principais resinas termoplásticas.
Nas empresas transformadoras, essas resinas darão origem a autopeças,
componentes para computadores e para as indústrias aeroespacial e
eletroeletrônica, a garrafas, calçados, brinquedos, isolantes térmicos e
acústicos ...enfim, a tantos itens que fica difícil imaginar o mundo, hoje, sem
o plástico, tantas e tão diversas são as suas aplicações. Os produtos das
centrais petroquímicas também são utilizados para a produção, entre outros, de
etilenoglicol, ácido tereftálico, dimetiltereftalato e acrilonitrila,
matérias-primas para a produção dos fios e fibras de poliéster, de náilon,
acrílicos e do elastano. As fibras sintéticas, em associação ou não com fibras
naturais como o algodão e a lã, são transformadas em artigos têxteis e em
produtos utilizados por diferentes indústrias, como a de pneumáticos, por
exemplo. E, a cada dia, surgem novas aplicações para as fibras sintéticas e para
as resinas termoplásticas. Resultado: maior produção, menores preços e maior
facilidade de acesso da população aos bens de consumo, gerando mais qualidade de
vida.
Veículos totalmente recicláveis,
construídos com materiais mais resistentes porém mais leves do que o aço.
Moradias seguras e confortáveis, erguidas rapidamente e a um custo mais baixo.
Produtos que, ao entrar em contato com o solo, são degradados e se transformam
em substâncias que ajudam a recuperar a fertilidade da terra. Plantações de
vegetais que produzem plásticos. Combustíveis de alto rendimento energético e
não-poluentes. Medicamentos ainda mais eficazes. Substâncias capazes de tornar
inertes os esgotos de toda uma cidade. Recuperação de áreas devastadas por
séculos de exploração. Sonhos? Não para a química, uma ciência que
constantemente amplia as fronteiras do conhecimento. Voltada para o futuro, a
indústria química investe grande parte do seu faturamento em pesquisa e
desenvolvimento. Foi a indústria química que, com as fibras sintéticas, permitiu
ao setor têxtil ampliar a produção e baratear os preços das roupas. Com os
plásticos, foram criadas embalagens que conservam alimentos e remédios por
longos períodos, tubos resistentes à corrosão e peças e componentes utilizados
pelas mais diferentes indústrias. Isto para ficar apenas em alguns exemplos. Da
mesma forma, será a indústria química que facilitará ao homem desenvolver
processos e materiais que lhe permitirão assegurar alimento, moradia e conforto
às novas gerações. Muito do futuro do homem e do planeta está sendo desenhado
hoje pela química.
Evitar ou controlar o impacto causado
pelas atividades humanas ao meio ambiente é uma preocupação mundial. Como em
muitas outras atividades, a fabricação de produtos químicos envolve riscos. Mas
a indústria química, apontada por muitos anos como vilã nas agressões à
natureza, tem investido em equipamentos de controle, em novos sistemas
gerenciais e em processos tecnológicos para reduzir ao mínimo o risco de
acidentes ecológicos. Um exemplo da aplicação dessa nova visão é o Programa
Atuação Responsável®, coordenado em âmbito nacional pela Associação
Brasileira da Indústria Química - ABIQUIM. O Programa Atuação
Responsável® estabelece procedimentos de melhoria contínua em vários
campos de atividade da indústria, com destaque para a redução na emissão de
efluentes, controle de resíduos, saúde e segurança no trabalho e preparação para
o atendimento a emergências. Todo o ciclo de vida de um produto químico é
detidamente analisado para evitar qualquer risco ao meio ambiente, mesmo quando
a embalagem é descartada pelo consumidor. Efluentes e resíduos são tratados até
se tornarem inertes. Sofisticados equipamentos de controle ambiental estão em
operação em várias empresas. Equipes são constantemente treinadas para atuarem
prontamente em caso de acidentes com produtos químicos, evitando riscos ao homem
e ao meio ambiente. A indústria química trabalha, investe e pesquisa para jogar
limpo com a natureza. Um jogo em que todos ganham.
