12/02/14

O QUE É BIOFÍSICA?


O que estudamos na disciplina de Biofísica da Unit ?

A disciplina de Biofísica é ministrada para vários cursos da área biológica e da saúde. Os currículos dos cursos de graduação variam ao longo do país, e na Unit ministramos a cadeira de Biofísica para os cursos de Odontologia, Ciências Biológicas, Enfermagem, Biomedicina, Fisioterapia e Farmácia. A disciplina é adaptada à realidade de cada curso, assim, por exemplo, para a Fisioterapia ensina-se a interação do infravermelho com a matéria pensando na aplicação desta radiação no aquecimento de tecidos do corpo humano.. Para o curso de Odontologia não se ensina radiação infravermelho, mas Raios X e suas aplicações.

Podemos então concluir que se ensinam conceitos aplicados nos cursos de Biofísica. Isto é hoje, e é apenas uma parte da verdade. Observe, a título de ilustração, como se estrutura um dos livros texto mais antigos e conceituados sobre o tema, um livro argentino conhecido pelo nome de seu autor, o Frumento. Um terço do livro é só físico-química: soluções, pH, equilíbrio ácido-base, tensão superficial, difusão e transporte, colóides, etc. Um sétimo deste livro é dedicado à termodinâmica, onde apenas uma pequena parte é voltada a calorimetria animal que realmente interessa ao biólogo. Outra boa parte é consumida em radiobiologia, com muita ênfase em atomística, física nuclear e radiações. Mais um pouco sobre membrana celular e por fim resta alguma coisa para Biofísica dos sistemas. Esta última corresponde a tópicos de física necessários ao estudo dos sistemas muscular, circulatório, respiratório, renal, auditivo e ótico.

Hoje, estamos trabalhando para dar um caráter mais aplicado e atual a esta disciplina. Os estudantes de Biologia estão estudando tópicos de Biofísica ambiental, que não existiam nos currículos anteriores. Assim introduzimos temas como efeito estufa, dinâmica da camada de ozônio, rendimento energético entre níveis tróficos na cadeia alimentar ou poluição sonora. Por outro lado, as turmas da área da saúde estão vendo ainda mais de perto a física relacionada aos equipamentos biomédicos que utilizarão em suas profissões. Há vinte anos, por exemplo, não se mencionava em sala de aula ultra-som, ressonância magnética nuclear ou laser, nos dias de hoje estes conceitos são vitais para o profissional de Enfermagem, ou Biomedicina.

Um importante motivo de ser da Biofísica é dar suporte ao ensino de Fisiologia, o qual, por si só, justificaria sua inserção em cursos de Medicina. Existem alguns conceitos cruciais para o entendimento do sistema circulatório e respiratório humano que necessitam de conhecimentos de dinâmica de fluidos que não são sequer mencionados no ensino médio. Um médico, por exemplo, precisa conhecer a lei de Bernoulli e a transição do regime laminar para o turbulento para entender os sons pulmonares e cardíacos. Também relacionado ao sistema circulatório, a velocidade do sangue na saída do coração pode ir a 30cm/s e nos capilares não passa de 0,3mm/s o que se explica pela conservação da vazão em sistemas em série e paralelo. Ademais, para se entender a queda de pressão ao longo do sistema circulatório (e o motivo de possuirmos afinal um coração) é preciso saber o que são fluidos reais e o que é a viscosidade.

Um outro tópico que está ausente do ensino de segundo grau (e inclusive do Halliday), mas que aparece com força na Biofísica do sistema auditivo é o conceito de impedância acústica. O som com o qual nos comunicamos se propaga no ar, mas o corpo humano é constituído principalmente de água que possui uma impedância acústica muito maior do que o ar, devido a isto a maior parte da energia da onda sonora vinda do meio exterior é refletida no ouvido ao invés de ser transmitida para dentro do crânio. Desta forma o nosso sistema auditivo, ao longo de sua história evolutiva, teve que desenvolver mecanismos de ganho extraordinários para compensar esta perda. Curiosamente, a audição nos organismos aquáticos não enfrenta este problema, sendo então muito mais simples do ponto de vista anatômico e fisiológico. Na maioria das vezes, entretanto, o estudante da área da saúde precisa apenas aprofundar conteúdos do segundo grau na compreensão da fisiologia.

Os conceitos de pressão osmótica para entender o funcionamento do rim e da troca de fluidos através das membranas, refração da luz no olho, difusão e diferença de potencial na membrana celular, pressão parcial de gases e difusão no sistema respiratório, pressão em fluidos na descrição da medida da pressão cardíaca, ou alavancas na compreensão da biomecânica do sistema esquelético muscular. Existem também conceitos que não são muito explorados no ensino médio, mas se mostram utilíssimos em várias áreas da Biofísica, cito a intensidade da onda (ou radiação), que possibilita o entendimento de escala decibel em acústica, da sensibilidade visual em fisiologia da visão, e da radioproteção em radiobiologia.

Na área da saúde a Biofísica é vista, muitas vezes, a reboque do maquinário biomédico. Ensina-se Biofísica, também, para que os profissionais da saúde possam operar instrumentos médicos sofisticados onde se destacam os aparelhos de imageamento. O século XX assistiu a um aumento exponencial no desenvolvimento das tecnologias médicas. A invasão da física e da tecnologia na medicina começou há pouco mais de 100 anos com a descoberta dos raios X que quase imediatamente se tornaram um instrumento de diagnóstico clínico produzindo imagens do interior do corpo humano. Quanto ao uso de radiações na medicina vale destacar aquilo que no Brasil se chama Física Médica. Os físicos reivindicaram com sucesso para sua categoria as atividades profissionais envolvendo o uso de material radioativo e de radiações ionizantes em geral. Divide-se a Física Médica em três grandes áreas, a saber: a radioterapia, o radiodiagnóstico e a medicina nuclear.

A primeira é exclusivamente terapêutica enquanto as outras duas estão na ponta das técnicas de imageamento. A radioterapia trabalha com o uso de radiações ionizantes na destruição de tecido canceroso, seu mote é: destruir com radiação o máximo de câncer minimizando o dano aos tecidos sadios do corpo. O radiodiagnóstico trata do estudo de imagens médicas usando raios X, a técnica básica é: radiação de uma fonte externa incide sobre o corpo projetando sombras (os ossos são mais radio-opacos do que os tecidos moles) em uma película fotográfica radio-sensível. A medicina nuclear é um pouco mais sofisticada, aqui radioisótopos são introduzidos no paciente sendo seletivamente absorvidos por tecidos que passam a irradiar radiação gama. Então um sensor fora do corpo, tipicamente uma gama-câmara, capta esta radiação e uma imagem é construída no computador. Tanto a medicina nuclear como o radiodiagnóstico são essencialmente técnicas de imageamento, mas na primeira o paciente não entra em contato direto com radioisótopos.

Existem outras técnicas de imageamento que não usam radiações ionizantes, como a ultrasonografia e a ressonância nuclear magnética. Na compreensão destas tecnologias se utiliza uma linguagem física sofisticada, a ultra-sonografia envolve ondas de ultra-som, reflexão de onda na passagem entre meios (aqui entra de novo o conceito de impedância acústica), absorção da onda acústica pelos tecidos, difração, etc. A ressonância magnética é ainda mais sutil, pois para seu entendimento se necessitam usar idéias quânticas como spin de partículas nucleares e interação do spin com campos magnéticos oscilantes. É curioso que do ponto de vista da classificação dos saberes, a ultra-sonografia e a ressonância magnética são estudadas por engenheiros. Chama-se pomposamente de bioengenharia este ramo da engenharia.

Outra grande área da bioengenharia lida com potenciais elétricos evocados que são registrados em uma série temporal. Variando um pouco os eletrodos e o sistema de amplificação e filtragem do sinal se constroem vários instrumentos de medida de biopotencias importantes no diagnóstico médico. O mais famoso, e que corresponde ao mais intenso sinal elétrico no corpo, é o eletrocardiograma. Este instrumento registra o campo elétrico oscilante do coração. Com auxílio do eletrocardiograma muitas disfunções cardíacas podem ser detectadas. Em ordem de fama e importância segue o eletroencefalograma que registra os potenciais evocados sobre a superfície do couro cabeludo informando sobre o comportamento elétrico do cérebro. É curioso o número de eletrodos (e de canais de entrada) que podem ser usados neste equipamento, varia de 8 até mais de uma centena dependendo do tipo de exame. Existe também um instrumento que avalia o sinal da atividade elétrica dos músculos, o miograma. Este instrumento pode usar tanto eletrodos de superfície (como aqueles utilizados no eletrocardiograma) como sensores tipo agulha para avaliar a condição de músculos profundos.

A área da bioengenharia é vasta, quem já visitou uma UTI pode imaginar. Medem-se sinais de pressão dentro de um vaso sangüíneo, sinais da concentração de oxigênio, glicose ou gás carbônico no sangue, o fluxo de ar expelido pelos pulmões, a temperatura em tecidos, a velocidade do sangue em vasos, os sons pulmonares e tantos outros. Como este artigo é sobre os conteúdos da cadeira de Biofísica, e em cursos de graduação nem sempre se vai muito além do eletrocardiograma e de algumas técnicas de imageamento, não convém se adentrar nos filamentosos meandros deste ramo da engenharia.

Existem ainda, três tópicos que não são usualmente abordados (mas poderiam ser) em Biofísica: biologia molecular, dinâmica de populações e leis alométricas. É sabido que para se entender o movimento, interação e estrutura de biomoléculas se utilizam muitos conceitos de física (e de química), porém a biologia molecular é um ramo da bioquímica, apesar de que, por incrível que pareça, hoje a maior parte dos artigos publicados em revistas especializadas de Biofísica estar relacionado a este tema. Assuntos como enzimas, afinidade entre biomoléculas ou estrutura tridimensional do DNA por pertencer historicamente a bioquímica não são ministrados na disciplina de Biofísica da Unit. A dinâmica de populações é uma parte da ecologia que estuda o número e a proporção de espécies frente às pressões do meio, seus métodos foram fortemente influenciados pela teoria dos sistemas dinâmicos. Não por acaso foi um ecólogo, Lord Robert May, quem descobriu caos na equação logística, uma equação clássica da ecologia de populações.

Hoje a ecologia é o ramo da biologia que mais se utiliza descrições matemáticas da natureza; um biólogo pode passar sua vida confortavelmente longe de equações, um ecólogo jamais. Por fim as leis alométricas que nos possibilitam relacionar grandezas como tamanho, consumo energético, velocidade do vôo ou tempo entre dois batimentos cardíacos para um conjunto muito grande de organismos. O estudo das leis alométricas abre um sem número de conexões físicas e matemáticas no mundo da vida.