A física dos tubarões

American Institute of Physics

O segredo do sucesso dos tubarões


IMAGEM:

Tubarão-mako.

Imagem ampliada e mais informações.

WASHINGTON, D.C., 23 de novembro de 2010 — Novas pesquisas realizadas na Universidade do Sul da Florida sugerem que um dos segredos da evolução dos tubarões está oculto em uma de suas características menos aparentes – escamas flexíveis no corpo desses predadores sem par tornam eles caçadores mais eficientes por permitir que eles mudem de direção enquanto se movem a toda velocidade.

A chave para essa capacidade reside no fato de que as escamas controlam a turbulência do fluxo de água ao longo do corpo das criaturas, afirma Amy Lang da Universidade do Alabama que vai apresentar o trabalho feito em conjunto com seus colegas da Universidade do Sul da Florida, hoje, no encontro anual da Divisão de Dinâmica de Fluidos da Sociedade Americana de Física em Long Beach, California.

A turbulência dos fluxos é um problema em sistemas tais como o projeto de aeronaves, explica Lang, porque isso tende a causar vórtices que prejudicam a velocidade e a estabilidade.

“Na natureza, se examinarmos as superfície [dos corpos] dos animais, descobrimos que elas não são lisas”, argumenta ela. “Elas tem padrões. Por que? Uma das utilidades comuns em criar um padrão em uma superfície é controlar o fluxo – como é o caso dos pequenos recessos nas bolas de golfe que permitem que a bola voe mais longe. Nós acreditamos que as escamas dos tubarões, nadadores bem rápidos, servem para um propósito semelhante: o controle da turbulência de fluxo”.

Com base nas medições experimentais e nos modelos de escamas de tubarão, a equipe da Dra. Lang descobriu que as bases das escamas da espécie tubrão-mako (que são, literalmente, pequenos dentes que recobrem seu corpo) são mais estreitas na base, onde se fixam no corpo, do que nas extremidades externas. Esse formato cônico permite que as escamas sejam facilmente manipuladas em ângulos de 60º ou mais, dotando-as de um movimento capaz de compensar as turbulências, eriçando os dentículos. 


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As escamas da lateral de um tubarão-mako. Essas escamas mostradas na foto foram “eriçadas” manualmente e medem aproximadamente 0,2 mm…

Imagem ampliada e mais informações.

Mais ainda, essas escamas flexíveis só são encontradas nas partes do corpo onde a turbulência de fluxo é mais provável de acontecer, tal como por trás das guelras na lateral do corpo.O eriçamento dos dentículos é, provavelmente, o mecanismo de controle da turbulência de fluxo para o tubarão-mako. 

“Enquanto nos aprofundamos nas investigações, ficamos imaginando as aplicações no controle de turbulência de fluxo para o projeto de aviões, helicópteros, turbinas eólicas – tudo aquilo onde a turbulência de fluxo seja um problema”, acrescenta Lang. .

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O resumo da apresentação, “Recent Observations on Shortfin Mako Scale
Flexibility as a Mechanism for Separation Control” pode ser encontrado aqui:  http://meetings.aps.org/Meeting/DFD10/Event/134387

O trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de Ciências (NSF)

Crédito das imagens:P. Motta/Univ. South Florida.


Nota do tradutor: por que será que a Lucia Malla me veio à lembrança?…

Lulas luminescentes

22 de novembro de 2010

[ Livremente traduzido de: Glowing Squid ]

Simbiose “brilhante”: as lulas e suas amigas bactérias

Humboldt squid

O oceanógrafo Kelly Benoit-Bird da Universidade do Estado do Oregon e seus colegas conseguiram rastrear por sonar a lula de Humboldt. A capacidade de rastrear as lulas pelo sonar pode revelar novos detalhes sobre como funcionam os ecossistemas oceânicos.
Crédito: Kelly Benoit-Bird, Oregon State University

Nas águas profundas dos oceanos, algumas vezes é difícil se esconder dos predadores. Por isso mesmo tantas criaturas marinhas desenvolveram métodos de camuflagem extraordinários.

Cefalópodes, tais como polvos, lulas e sépias, são mestres na camuflagem, de dia ou de noite. Na verdade, a lula havaiana tem vários métodos de disfarce para sua auto-preservação.

“Durante o dia, se elas forem expulsas das areias, elas saem e repousam sobre a superfície com uma capa de areia, tentando ficar invisíveis”, conta Margaret McFall-Ngai, professora de microbiologia médica e imunologia na Universidade de Wisconsin-Madison. “E, se isso não funcionar, elas soltam tinta. Elas próprias ficam completamente brancas, tão transparentes quanto possível, e deixam para trás aquela bolha de tinta do mesmo tamanho que elas”.

Com o apoio da Fundação Nacional de Ciências (NSF), McFall-Ngai e sua equipe estudam outra forma de camuflagem da lula havaiana: uma que brilha no escuro!

Esse pequeno animal noturno tem um relacionamento mutuamente benéfico com uma bactéria chamada Vibrio fischeri
que vive por baixo da lula. As bactérias permitem que a lula produza uma luz que, por sua vez, permite que a lula escape das coisas que poderiam fazer dela uma refeição. “A lula emite uma luminescência ventral que, frequentemente, é muito próxima da qualidade da luz que vem da Lua e das estrelas à noite”, explica McFall-Ngai.

Assim, do ponto de vista dos peixes que olham de baixo para cima, à procura de algo para comer, as lulas ficam camufladas contra o fundo do céu estrelado, uma vez que não lançam uma sombra.

photo showing a petri dish swabbed with a culture of bioluminiscent marine bacteria

Bonnie Bassler passa seus dias ouvindo a conversa entre as bactérias e o que ela escutou pode surpreender você. Acontece que esses pequenos organismos unicelulares estão “contando cabeças” para entrar em ação.
Crédito: Jennifer Henke, Princeton University

“É como um ‘dispositivo de invisibilidade Klingon’ “, acrescenta ela.

No entanto, as Vibrio fischeri não ficam na lula o tempo todo. Todos os dias, respondendo à marcação da aurora, a lula ejeta 90% das bactérias de volta para o mar. “E aí, enquanto a lula repousa quieta sobre a areia, as bactérias se reproduzem na cripta, de forma que, quando a lula sai no entardecer, está com uma tripulação completa de Vibrio fischeri  luminescentes, conta McFall-Ngai.

A chave para este relacionamento simbiótico entre as lulas e as bactérias é um “órgão de luz”.

“O órgão de luz tem semelhanças morfológicas e anatômicas notáveis com os olhos. Tem uma lente, um sucedâneo de iris e tecido refletor”, explica ela.

Pouco depois que os ovos da lula eclodem, os recém-nascidos “convidam” as bactérias jeitosas a entrar.

a moray eel in a coral reef

Um novo estudo revela que esta moréia – que pode chegar até quase três metros – captura e consome suas presas (usualmente grandes peixes, polvos e lulas) com uma estratégia sem paralelos que envolve dois conjuntos de mandíbulas.
Crédito: Rita Mehta, University of California at Davis

A pesquisadora assistente (pós-graduação) Elizabeth Heath-Heckman realiza estudos microscópicos das lulas recém-nascidas, com apenas alguns dias de vida. “Existem algumas  estruturas que são específicas do órgão de luz dos bebes, em oposição ao órgão de luz de um adulto”, diz ela. “Os jovens tem protrusões chamadas apêndices que os ajudam a coletar água do mar, trazendo as bactérias para dentro do órgão de luz”.

“As bactérias vivem dentro da lula, mas não dentro das células da lula”, continua Heath-Heckman. “Assim, temos essa espécie de caverna, este tipo de ninho que a lula cria para as bactérias”. 

Então, que vantagem as bactérias tiram desse relacionamento?
“Sempre que as bactérias estiverem em um ambiente onde possam obter nutrientes e aumentar sua população, esse será um bom lugar para estar”, explica McFall-Ngai.

Essa estratégia de contra-iluminação anti-predadores pode ter várias aplicações para a espécie humana. .

Experts em ciências de materiais da Força Aérea dos EUA já estão estudando possíveis melhoramentos nas camuflagens por meio das qualidades refletoras da simbiose lulas-bactérias. Os cientistas também querem saber mais sobre como as duas espécies se comunicam.

squid egg mass

A fêmea da lula sépia Euprymna scolopes bota camadas de 100 a 200 ovos no cascalho de coral e os recobre com uma camada de areia. Após cerca de 20 dias, os ovos eclodem e os animais recém-nascidos imediatamente ficam prontos para serem colonizados pelas Vibrio fischeri presentes nas águas vizinhas.
Crédito: M. J. McFall-Ngai e E. G. Ruby, Universidade do Hawaii

“Então, no nível mais básico, nós estamos perguntando como as células animais falam com as células bacterianas: qual é a linguagem comum às duas e o que foi conservado ao longo da história evolutiva desta conversa”, prossegue McFall-Ngai, que também está tentando que tipo de sinal as lulas recém-nascidas usam para atrair inicialmente as “boas” bactérias. “Como é que o animal sabe que elas são um simbionte benéfico e não um patógeno”? Esse é outro aspecto do estudo que pode auxiliar o conhecimento da fisiologia e da medicina para seres humanos.

As lulas havaianas vivem apenas por um ano, mas existem populações saudáveis delas onde McFall-Ngai e seus colegas coletam os animais na Baia Kaneohe, na ilha havaiana de Oahu. McFall-Ngai diz, também, que esse é um animal fascinante para ser estudado.

“Elas são animais realmente bonitos. Elas também são de tamanho adequado, nem muito grandes, nem muito pequenas. Alguém me disse certa vez: ‘estude algo do tamanho de seu polegar’ e esse é exatamente o tamanho delas, mas elas são realmente exóticas”, acrescenta ela.

E são “cabeças”!

“Elas são parentes dos polvos, animais realmente espertos. Elas muito provavelmente são mais espertas do que os peixes, com cérebros bem grandes com relação ao tamanho do corpo”, observa ela.

Do ponto de vista da pesquisa em geral, McFall-Ngai diz que se sente realmente afortunada em ser uma cientista. “Eu acho que deve ser uma dádiva para qualquer cientista, se encontrar em uma carreira e estar sempre animada acerca da próxima pergunta e sobre o que os estudantes estarão descobrindo”.

Miles O’Brien, Correspondente da Science Nation
Marsha Walton, Produtora da Science Nation

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Som em “mão única”

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[ Traduzido de: One Way Sound ]

Um novo material permitirá um melhor imageamento por ultrassom.

19 de novembro de 2010

Por Phillip F. Schewe
Inside Science News Service

Baby Ultrasound

Imagem ampliada

A redução da interferência entre as ondas pode melhorar a qualidade das ultrassonografias.

Crédito: Biagio Azzarell via flickr

WASHINGTON (ISNS) — A grande maioria das vias terrestres permitem o fluxo de veículos em ambas as direções. No entanto, em certas circunstâncias, tais como as ruas congestionadas de uma cidade, faz mais sentido limitar o tráfego em apenas uma direção. Com a eletricidade também acontece ser necessário “retificar” a corrente – ou seja, fazer com que os elétrons se movam em apenas uma direção – usando um dispositivo chamado diodo. Uma corrente elétrica em “mão única” é conveniente porque permite, por exemplo, ligar e desligar transistores, além de outras coisas.

Fazer com que ondas de som se movam em apenas uma direção já é mais difícil por causa da maneira pela qual as ondas de som se movem através de um material. Ondas sonoras consistem de perturbações do tipo empurra-puxa que primeiro comprimem átomos ou moléculas – estejam elas em um meio sólido ou em um meio gasoso como o ar – e depois os deixam descomprimir. Essa perturbação atua ao longo da direção de propagação do som.

Agora, pela primeira vez, cientistas da Universidade de Nanjing na China conseguiram, finalmente, criar um retificador de som. O retificador acústico funciona sobre as ondas sonoras que passam através de um meio aquoso e se compõe de duas peças diferentes.

A primeira delas é um material especial – um líquido cheio de bolhas microscópicas – no qual as ondas sonoras que entram em uma determinada frequência (pulsações por segundo) saem dele com uma frequência que é o dobro da original. A segunda consiste de um dispositivo em camadas que alterna finas fatias de vidro e água que funcionam como um filtro, permitindo a passagem das ondas sonoras com a frequência dobrada, mas não as ondas sonoras originais. 

Se fizermos meia-volta com o dispositivo, as ondas sonoras com a frequência original não passam mais pelo filtro. Com efeito, a combinação da parte que duplica a frequência com a parte filtrante funciona como um “diodo” para ondas sonoras.

Mas para que podem servir retificadores acústicos? Afinal, quando uma banda toca uma música, um ouvinte quer que o som esteja livre para ir e vir, já que diversos efeitos musicais dependem de se ouvir simultaneamente as ondas sonoras iniciais e as refletidas. 

Mas música é uma coisa e imageamento é outra.

No imageamento por ultrassom – o processo mais usado para imagear um feto – as ondas sonoras são enviadas para dentro do corpo. As ondas refletidas retornam ao instrumento imageador e os sensores que o circundam, formando a imagem exibida na tela. No entanto, algumas ondas refletidas sofrem a interferência das ondas emitidas, o que diminui a clareza e a definição da imagem. Se conseguirmos impedir que as ondas refletidas atinjam a fonte do ultrassom, conseguiremos obter imagens claras e precisas.

“Esse dispositivo permite a manipulação da energia acústica de forma a criar espelhos unidirecionais para evitar que as fontes de ultrassom sofram interferência das ondas refletidas”, declara Jianchun Cheng, um dos pesquisadores de Nanjing. “Ele também pode ser usado como uma barreira sônica para bloquear o ruído ambiente em apenas uma direção”.

Cheng e seus colegas publicaram os detalhes de seu retificador acústico na edição de 24 de outubro de Nature Materials.

Xiang Zhang, um expert em manipulação de ondas sonoras que não esteve envolvido com o trabalho feito em Nanjing, afirmou que o trabalho é “um passo significativo na demonstração do conceito de um diodo acústico com o uso de bolhas em suspensão. Com algum refinamento na engenharia, esse espelho acústico unidirecional pode ter aplicações interessantes em terapias e imageamento de alta definição por ultrassonografia, ao repelir as ondas refletidas”.   

Zhang, um destacado cientista e engenheiro na Universidade da California em Berkeley, publicou seu próprio artigo na edição de 8 de novembro de Nature Physics, sobre como aumentar a definição do imageamento acústico com o emprego de metamateriais perfurados em um padrão de colméia. Normalmente a definição de uma imagem não pode ser melhor do que um pouco mais do que a frequência das ondas usadas para formar a imagem. Porém o dispositivo acústico de Zhang, desenvolvido em conjunto com Francisco Garcia-Vidal da Universidad Autonoma de Madrid na Espanha, a resolução da imagem é cerca de 50 vezes mais fina do que o tamanho das ondas incidentes.


Bem no centro da galáxia

NASA/Goddard Space Flight Center


Telescópio Fermi da NASA descobre uma estrutura gigantesca em nossa galáxia


IMAGEM:

As bolhas exibem um espectro com energias de pico maiores do que o brilho difuso em raios gama, observado por todo o céu. Além disso, as bolhas exibem sinais de terem bordas bem definidas nas imagens do LAT do Fermi.

Clique aqui para mais informações.

WASHINGTON — O Telescópio Espacial Fermi da NASA descobriu uma estrutura, até então desconhecida, no centro da Via Láctea. O objeto se estende por 50.000 anos-luz e pode ser o que restou de uma erupção de um enorme buraco negro no centro de nossa galáxia.

“O que vemos são duas bolhas que emitem raios gama que se estendem por 25.000 anos-luz para o Norte e para o Sul do centro galático”, explica Doug
Finkbeiner, astrônomo no Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica em Cambridge, Massachusets, o primeiro a notar o objeto. “Ainda não entendemos inteiramente sua natureza e origem”.

A estrutura se estende ao longo de mais da metade do céu visível, desde a constelação de Virgem até a constelação do Grou, e pode ter milhões de anos de idade. Um artigo acerca dessa descoberta foi aceito para publicação no Astrophysical Journal.

Finkbeiner e os estudantes de pós-graduação de Harvard graduate Meng Su e Tracy Slatyer descobriram as bolhas processando os dados publicados, oriundos do Telescópio de Grande Área do Fermi (Large Area Telescope = LAT). O LAT é o detector de raios gama mais sensível e com a melhor definição já posto em órbita. Raios gama são a forma de luz com o maior nível de energia.

Outros astrônomos que estudam raios gama não tinham detectado as bolhas por causa, em parte, de uma “neblina” de raios gama que permeia o espaço. Essa neblina decorre da interação de partículas que se movem perto da velocidade da luz com o gás interestelar na Via Láctea. A equipe do LAT constantemente refina seus modelos para descobrir novas fontes de raios gama obscurecidas pela, assim chamada, emissão difusa. Empregando diversas estimativas dessa neblina,
Finkbeiner e seus colegas foram capazes de isolá-la dos dados do LAT e descobrir as bolhas gigantes.


IMAGEM:

De ponta a ponta, as recém descobertas bolhas de raios gama se estendem por 50.000 anos-luz, ou cerca de metade do diâmetro da Via Láctea, como mostra esta ilustração.

Clique aqui para mais informações.

Os cientistas agora estão realizando novas análises para compreender melhor como a estrutura, nuca antes vista, se formou. As emissões em forma de bolha tem muito mais energia do que a neblina de raios gama vista por toda a Via Láctea. As bolhas também parecem ter bordas bem definidas. O formato e a natureza das emissões da estrutura sugerem que ela foi formada como resultado de uma liberação grande e relativamente rápida de energia, cuja fonte permanece um mistério.

Uma das possibilidades é um jato de partículas vindas do buraco negro super-maciço no centro da galáxia. Em várias outras galáxias os astrônomos observam jatos de partículas velozes, criados pela matéria que mergulha na direção de buracos negros em seus centros. Embora não existam indícios de que o buraco negro do centro da Via Láctea tenha atualmente um jato desses, ele pode tê-lo tido no passado. As bolhas também podem se ter formado como resultado da emissão de gases de uma concentração de estrelas em formação, talvez aquela que produziu vários aglomerados estelares maciços no centro da Via Láctea, a vários milhões de anos atrás.

“Em outras galáxias, podemos ver que starbursts (regiões de ativa formação de estrelas) podem criar enormes jatos de gás”, observa David Spergel, cientista da Universidade Princeton em New Jersey. “Qualquer que possa ser a fonte de energia por trás dessas enormes bolhas, ela está ligada a várias questões profundas da astrofísica”. 

Outros satélites já apresentavam dados com indícios da existência dessas bolhas. O satélite Roentgen (alemão) apresentou indícios sutis das bordas de bolhas de energia, próximas do centro galático, com a mesma orientação geral da Via Láctea. A Sonda Wilkinson de Anisotropia de Micro-ondas (WMAP) da NASA detectou um excesso de sinais de rádio na posição das bolhas de raios gama.

A equipe Fermi-LAT também revelou na terça-feira a melhor imagem obtida pelo instrumento da aparência do céu em raios gama, resultado de dois anos de coleta de dados. 

“O Fermi escaneia todo o céu a cada três horas e, na medida em que a missão prossegue e a exposição se torna mais profunda, podemos ver os extremos do universo em detalhe cada vez maior”, explica Julie McEnery, cientista do Projeto Fermi no Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland.

O Projeto Fermi da NASA é uma parceria nas áreas de astrofísica e física de partículas, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos EUA com instituições acadêmicas e outros parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e Estados Unidos.

“Desde seu lançamento em junho de 2008, o Fermi repetidamente se provou ser um dispositivo de ponta, nos fornecendo novos enfoques que vão da natureza do espaço-tempo, à primeira observação de uma nova de raios gama”, declarou Jon Morse, diretor da Divisão de Astrofísica do Quartel-General da NASA em Washington. “Essas recentes descobertas continuam a demonstrar a soberba performance do Fermi”.

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