06 novembro 2015

Biologia sistêmica: ciência do século 21

A percepção de que a física tem muito a contribuir para o estudo de sistemas biológicos não é nova, mas vem ganhando força nos últimos anos. Para o colunista Carlos Alberto dos Santos, essa revolução na pesquisa precisa se refletir, também, no ensino de biologia.

Conceitos da teoria quântica aplicados ao estudo da fotossíntese estão entre as possíveis interseções entre física e biologia. Esse tipo de pesquisa requer dos biólogos uma formação mais aprofundada nas disciplinas exatas. (imagem: Julia Adolphs CC BY-SA)

Tudo indica que, nas próximas décadas, a biologia sistêmica terá um crescimento relativo superior ao da física e da química, e há mesmo quem diga que ela será a ciência do século 21. Essa área da biologia é fruto da aplicação cada vez maior de conceitos e recursos tecnológicos elaborados e desenvolvidos nos últimos 50 anos em várias áreas científicas e tecnológicas, sobretudo na física, na química e na informática. 

Trata-se de uma evolução que se mostrou lenta no início, mas que apresentou uma inflexão a partir dos anos 1990, quando o número de artigos publicados contendo biologia e física como palavras-chaves passou a crescer quase exponencialmente. Essa velocidade de produtividade foi acompanhada pelo crescimento no número de citações. Ou seja, não apenas aumentou consideravelmente o número de artigos publicados, como também seu impacto na comunidade científica.

Artigos que unem física e biologia
Acima, artigos indexados na ‘Web of Science’, entre 1970 e 2015, contendo as palavras-chaves ‘biology’ e ‘physics’. Abaixo, o crescimento do número de citações a artigos com as mesmas especificações. (gráficos: Web of Science)

As primeiras ideias para examinar sistemas biológicos sob um ângulo de teorias físicas foram apresentadas nos anos 1930 por alguns físicos famosos, entre os quais destacam-se Niels Henrik David Bohr (1885-1962), autor de estudos que levaram a uma maior compreensão da estrutura atômica, e Max Ludwig Henning Delbrück (1906-1981), físico alemão e pioneiro da biologia molecular. Logo depois, em 1944, Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961) afirmou, em seu instigante livro O que é vida?, que os organismos multicelulares são a mais requintada obra-prima já realizada pelas leis da mecânica quântica.  

Como sempre na história dos visionários, esses homens estavam muito à frente do seu tempo. Colocar sistemas biológicos na maquinaria da mecânica quântica continua sendo um desafio enorme. É natural, portanto, que, na primeira metade do século 20, nem físicos, nem biólogos estivessem preparados para a implementação de ideias tão revolucionárias. Elas exigiram mais de meio século de pesquisa para a emergência da biologia sistêmica.

As ideias de Delbrück e Schrödinger originaram a biologia molecular, e esta desembocou na biologia sistêmica, que tem por objetivo central explicar fenômenos biológicos a partir de uma visão onde a relação entre os vários componentes é mais importante do que as propriedades isoladas de cada um. Em outras palavras, a biologia sistêmica não investiga genes nem proteínas individualmente, como tem sido feito com muito sucesso na biologia molecular, desde seu início até o presente. Em vez disso, investiga, ao mesmo tempo, o comportamento de todos os componentes de um sistema durante seu funcionamento.    

Pioneiros
Da esquerda para a direita: Niels Bohr, Max Delbrück e Erwin Schrödinger, três pioneiros no uso de teorias físicas para o estudo de sistemas biológicos. (fotos: Wikimedia Commons)

Revolução também no ensino de ciências

A abrangência da biologia sistêmica já chegou a um ponto que impossibilita sua completa apresentação em uma coluna apenas – como é impossível também apresentar, na totalidade, a parte que trata das aplicações da física à biologia geral. Alguns exemplos foram apresentados em 16 de minhas colunas anteriores, entre as quais destaco “Biologia quântica”, “Física e química rondam Nobel de Medicina”, “Bioeletricidade e dinâmica celular”, “Quando a eletrônica se une à biologia”, “Conectômica: o cérebro sob investigação” e “Um pouco de biomecânica molecular”.

Depois de dar essa ideia geral do cenário científico, pretendo, agora, explorar as necessárias reformas educacionais consistentes com o paradigma definido pela biologia sistêmica. Considerando que este deverá ser o paradigma predominante na biologia do século 21, vários pesquisadores do ensino das ciências da natureza, sobretudo nos EUA, defendem a necessidade de aumentar o conteúdo de física e matemática nas disciplinas básicas de cursos universitários das ciências da vida.

Em um extenso relatório publicado em 2003, intitulado Bio2010: Transforming Undergraduate Education for Future Research Biologists, a Academia Nacional de Ciências, a Academia Nacional de Engenharia, o Instituto de Medicina e o Conselho Nacional de Pesquisas, todos dos Estados Unidos, apresentam três razões pelas quais estudantes de biologia devem estudar física. 

Em primeiro lugar, por causa dos princípios da física que explicam o comportamento microscópico dos sistemas biológicos. Em segundo, porque sendo a física uma ciência mais madura e que trata sistemas menos complexos do que a biologia, seu estudo oportunizará a estudantes de biologia aprender mais facilmente a interação entre experimento, teoria, modelagem e análise de fenômenos naturais. Finalmente, muito do que se estuda na física refere-se a sistemas dinâmicos, algo vital para a biologia, uma vez que os sistemas biológicos são dinâmicos e estão sempre fora do equilíbrio.

Muito do que se estuda na física refere-se a sistemas dinâmicos, algo vital para a biologia, uma vez que os sistemas biológicos são dinâmicos e estão sempre fora do equilíbrio

Todavia, a transição do plano conceitual ao pedagógico enfrenta inúmeras dificuldades. Além daquelas estritamente relacionadas ao processo de estabelecimento de um novo paradigma pedagógico, que podem ser contornadas com o esforço de profissionais competentes e interessados na tarefa, existem dificuldades externas ao processo e com pouco controle por parte de quem o gerencia. Por exemplo, a inexistência de pessoal qualificado e a resistência de profissionais muito arraigados à tradição acadêmica de suas disciplinas são duas das principais dificuldades para a implementação de propostas pedagógicas interdisciplinares nas ciências da natureza.

Desde o final dos anos 2000, relatos apresentados na literatura dão conta de que algumas tentativas em pequena escala vêm sendo realizadas em universidades norte-americanas, entre as quais destaco uma das mais instigantes, implementada por professores de física e neurociência da Universidade Drew, em Nova Jersey. Com o sugestivo título Light, Brain, and Action: An Introductory, Interdisciplinary Course on Optogenetics for Undergraduate Students, o curso foi oferecido sob a forma de seminário especial a alunos de áreas tão distintas quanto biologia e economia. Igualmente amplo é o espectro temático do curso: inclui temas de biologia molecular e celular, engenharia genética, bioquímica das proteínas, laser, fibras ópticas e sinalização neural.

Em artigo sobre a iniciativa, os organizadores defendem que cursos desse tipo, associando conteúdos de disciplinas tradicionais, poderão beneficiar alunos das áreas científicas, bem como de outras áreas do conhecimento, no sentido da obtenção de uma cultura científica consistente com o estágio atual da ciência e da tecnologia. Pelo que conheço da literatura, este curso é um dos principais exemplos de como podemos iniciar um processo de interdisciplinaridade no ensino das ciências da natureza na formação de bacharéis e licenciados em biologia, física e química em nossas universidades.

 

Carlos Alberto dos Santos
Professor aposentado do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)

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