Somando matemática à biologia para estudar a natureza
Entre os dias 5 e 11 de janeiro, ICTP-SAIFR realizou a quarta edição da Escola em Biologia Matemática
A Escola em Biologia Matemática promovida anualmente pelo ICTP-SAIFR já se tornou uma referência em toda a América Latina. Idealizada e organizada por Roberto Kraenkel, físico do IFT/Unesp, ela chegou à sua quarta edição internacional na última semana. O curso busca unir alunos de graduação e pós-graduação, brasileiros e estrangeiros, das áreas de biologia, matemática e física. Com aulas teóricas e projetos práticos, estimula a pesquisa e a formação de novos profissionais em um campo que está em pleno crescimento.
“Nos últimos anos, a Biologia Matemática aumentou muito no Brasil”, afirma Kraenkel. “Podemos observar isso pelo número de revistas especializadas e pelo número de cientistas importantes que estão trabalhando nessa área”.
O curso
Um dos motivos para essa expansão é o fato da Biologia precisar, cada vez mais, da matemática para entender a natureza. Ecologia, evolução e epidemiologia, temas que são o foco do curso, usam modelos matemáticos com uma frequência cada vez maior.
Por exemplo: o que acontece quando duas espécies competem entre si por um recurso?
Um exemplo clássico de aplicação da Biologia Matemática foi o estudo da introdução da formiga Argentina (Linepithema humile) na Califórnia. A nova espécie passou a competir com a espécie local (Pogonomyrmex californicus) e, eventualmente, a levou à extinção.
A dinâmica de populações de uma mesma espécie e a relação entre presas e predadores também são temas abordados ao longo do curso. Além disso, os alunos aprendem sobre epidemiologia. Kraenkel comentou sobre um de seus trabalhos na área.
“Em um estudo realizado na Mata Atlântica, verificamos que a biodiversidade pode ajudar a controlar a malária, evitando, até mesmo, uma epidemia da doença naquela região”, diz ele.
Pesquisa e formação
Além de aulas teóricas, os alunos aprendem sobre Biologia Matemática na prática. Em grupos, e com a ajuda de monitores, eles desenvolvem projetos e o apresentam ao final do curso. Em edições anteriores, um dos trabalhos apresentados chamou a atenção de um professor estrangeiro convidado e foi publicado na revista científica “Ecological Complexity”.
“É uma história interessante”, conta Paulo Inácio Prado, biólogo da universidade de São Paulo e um dos organizadores da Escola. “Convidamos o professor Frithjof Lutscher, da Universidade de Ottawa, para participar da Escola. No dia da apresentação dos projetos, ele gostou muito do trabalho e disse que poderia ser publicado. Depois do final do curso, continuou ajudando os alunos e o projeto se tornou um artigo”.
Para ver outros projetos desenvolvidos na Escola, clique aqui.
Além do incentivo ao desenvolvimento de pesquisa na área, o curso também estimula a formação de novos profissionais. “Convidamos alunos de cursos anteriores para serem monitores dos próximos”, diz Prado. “Assim, encorajamos também a permanência deles na área e a formação de novos pesquisadores em Biologia Matemática”.
Biólogos nas ciências exatas
O caráter interdisciplinar do curso – cerca de metade dos alunos são biólogos e cerca de metade físicos ou matemáticos – levanta a questão: os biólogos tem dificuldade para entender toda a matemática usada durante o curso?
“Durante um curso de graduação em Biologia, a formação na área de matemática deixa muito a desejar”, afirma Prado. “Os alunos que selecionamos para a Escola são sempre muito qualificados, fazem cursos em matemática e sabem, ao menos, fundamentos de Cálculo e Álgebra Linear. Porém, o déficit de matemática nas graduações em Biologia nos faz pensar que, nos próximos anos, talvez seja necessária uma mudança no currículo desses cursos”.
ICTP-SAIFR realiza curso em Cosmologia Observacional
A cosmologia, estudo do universo, entrou nos últimos anos em uma nova era marcada por um grande número de experimentos. Estudos de grande escala relacionados à Energia Escura e à medida da radiação cósmica de fundo exploram e revelam cada vez mais informações sobre o universo. Para fornecer a alunos de pós-graduação de física uma melhor compreensão sobre essa área, o ICTP-SAIFR realizou um curso sobre Cosmologia Observacional. O evento teve duração de duas semanas – entre os dias 1 e 12 de dezembro – e foi o primeiro organizado em parceria com o ICTP-Trieste. Para entender mais sobre o curso e seus temas, conversei com Paolo Creminelli, pesquisador da sede italiana do ICTP.
“Fazemos esse curso regularmente no ICTP-Trieste”, disse ele. “Agora, pela primeira vez, o realizamos no Brasil também, para que um maior número de estudantes da América do Sul tivesse a oportunidade de participar”.
A ideia era a de que, ao longo do curso, os alunos aprendessem tanto aspectos teóricos, como a teoria da Inflação, quanto práticos, como análise de dados. Além disso, o evento teve diversas sessões de discussão. Durante elas, os estudantes tinham a oportunidade de conhecer e de interagir com pesquisadores de destaque internacional.
Do início ao presente
As aulas abordaram desde temas relativos ao início do universo até o universo atual. Os destaques do blog vão para as palestras de Creminelli e de Marcello Musso, professor da Universidade de Louvain.
Creminelli falou sobre Inflação. Esse período é caracterizado por uma rápida expansão do universo e ocorreu logo após seu surgimento. Outro tema bastante interessante, e motivo de discussões atualmente, foi relacionado às ondas gravitacionais que poderiam ter sido produzidas por essa expansão. A razão para os debates é que, no primeiro semestre desse ano, o experimento do BICEP2 alegou ter medido, indiretamente, essas ondas. Entretanto, o telescópio Planck sugeriu recentemente que as medidas do BICEP2 podem não estar corretas. Durante minha conversa com Creminelli, perguntei a ele qual era sua opinião a respeito do assunto.
“As medidas do Planck mostraram que houve muito mais contaminação do que esperávamos nas medidas do BICEP2”, afirmou o pesquisador. “A contaminação provavelmente se deve à poeira espacial. Assim, não sabemos o que poderiam ser ondas gravitacionais e o que é poeira”.
Já as aulas de Marcello Musso discutiram o universo atualmente. Hoje, quando olhamos para o espaço, vemos galáxias, conglomerados de galáxias, e também vemos áreas completamente vazias. Mas por que o universo tem essa conformação, com regiões densas e outras sem matéria? E como ele chegou a essa conformação? Essas foram algumas das questões que Musso discutiu em suas aulas, e para as quais ainda não temos uma resposta definitiva.
Caso queria saber mais, acesse a página oficial do curso clicando aqui. Lá você encontrará, por exemplo, os vídeos de todas as aulas e material disponibilizado pelos professores.
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Ciência exata contra doenças
Dois mini-cursos mostrarão como matemática e física podem ajudar no controle de males
Quando falamos em doenças, logo pensamos em vírus, bactérias, e no que a medicina pode fazer para conter os patógenos. Raramente pensamos, entretanto, em como a física e a matemática podem ajudar. Em janeiro, o ICTP-SAIFR realizará dois minicursos para tratar desses e de outros assuntos. A “Escola de Dinâmica de Patógenos, Mudanças Climáticas e Globais” e a “IV Escola de Biologia Matemática” abordarão modelos matemáticos de ecologia, epidemiologia e como a interferência humana e do clima se relacionam com as doenças.
Parasitismo
“Perguntaremos aos alunos quais problemas lhes interessam mais e os dividiremos em grupos para trabalharem nesses problemas”, diz Graciela Canziani, da Universidade Nacional Del Centro, da Argentina, uma das organizadoras do minicurso com enfoque em patógenos. “Essa experiência prática fará com que entendam o processo de modelagem matemática, desde a análise de dados até a discussão de resultados”.
Esse curso terá outros convidados internacionais, como Andy Dobson (Universidade de Princeton), Giulio De Leo (Universidade de Stanford) e Mercedes Pascual (Universidade de Michigan).
Compreender como o ecossistema e o clima influenciam o ciclo de vida de um patógeno pode levar a melhorias no tratamento de doenças. Canziani, por exemplo, discutirá o parasita bovino Ostertagia ostertagi, responsável por grandes perdas na produção de carne. “Com modelos matemáticos, tentamos reduzir a frequência de aplicação de drogas e torná-las mais eficientes”, afirma.
Biologia Matemática
Já o minicurso sobre Biologia Matemática abordará temas ligados tanto à ecologia quanto à epidemiologia. O curso será introdutório e interdisciplinar: cerca de metade dos alunos serão biólogos enquanto a outra metade, físicos ou matemáticos.
“O que determina uma epidemia?”, questiona Roberto Kraenkel, um dos organizadores do minicurso. “Analisamos taxa de infectividade do patógeno, probabilidade de transmissão, duração da doença, entre outros fatores, para tentar chegar a uma conclusão”.
Trabalhos nessa área podem ajudar na elaboração de estratégias contra doenças e epidemias, analisando, por exemplo, as melhores formas de combate e a melhor época para aplicá-las.
*Texto publicado no Jornal da Unesp, número 306, Dezembro/2014.
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Física Quântica e Cosmologia são temas de Workshop promovido pelo ICTP-SAIFR
Evento debateu, especulou e tentou explorar ideias e o potencial de colaboração entre as duas áreas
Entender como o universo funciona não é tarefa simples. Físicos de diversas áreas buscam compreender os mecanismos que levaram o universo a ser o que ele é hoje e as leis que o governam. Entre os dias 3 e 7 de novembro, acompanhei um Workshop que o ICTP-SAIFR realizou para debater ideias de Física Quântica e de Cosmologia. Um dos principais objetivos do evento foi reunir pesquisadores e explorar o potencial colaborativo dessas áreas, que não tiveram grande interação no passado.
A presença e as palestras do renomado cientista George Ellis foram um dos destaques do evento. O pesquisador falou sobre mecânica quântica, a hipótese da unitariedade, determinismo e cosmologia.
Unitariedade
Antes de mais nada, vamos falar sobre a hipótese da unitariedade. Ela nos diz que quando conhecemos o estado de um sistema é possível prever tanto o estado futuro quanto o estado passado desse mesmo sistema. Essa hipótese é verdadeira para sistemas quânticos nos quais não há intervenções externas. Quando há intervenções ocorrem mudanças aleatórias no sistema, o que impede previsões.
Agora, vamos aplicar essa ideia à Cosmologia – vamos pensar no universo como um sistema. Caso a hipótese da unitariedade estivesse correta, o estado futuro do universo seria previsível desde seu surgimento – a não ser que houvesse algum tipo de influência externa.
Como sabemos, porém, o universo não é regido apenas pelas leis da Mecânica Quântica. Grande parte de sua dinâmica obedece às leis da Mecânica Clássica – exemplo disso são as órbitas de planetas e estrelas sob a ação da gravidade. A Mecânica Quântica consegue descrever o universo logo após seu surgimento, antes do período de Inflação – quando expandiu rapidamente. Após a Inflação, a Mecânica Quântica já não era mais suficiente para descrever todos os fenômenos do universo. Em suas palestras, Ellis disse que uma das grandes questões ainda não respondidas pela Física é o que aconteceu durante esse período que fez com que a Mecânica Quântica deixasse de explicar todo o universo.
Fronteiras da Mecânica Quântica
Ellis também explorou temas relativos às escalas para as quais a Mecânica Quântica seria válida. A teoria consegue explicar sistemas microscópicos, mas não sistemas de escalas maiores. Além disso, funciona para sistemas lineares, ou seja, para quando as consequências são proporcionais às ações aplicadas. Nosso universo é não-linear, pois pequenas ações podem ter grandes consequências e vice-versa.
Ellis argumentou, no entanto, que a Mecânica Quântica pode ser aplicada a sistemas de quaisquer escalas. Para isso, seria preciso dividir nossa realidade não-linear em sub-sistemas lineares. Algumas das questões discutidas, então, foram até onde a Mecânica Quântica é válida, onde estaria o limite entre sistemas micro e macro e como a teoria poderia ser válida para escalas maiores.
As respostas para muitas das questões debatidas permanecem desconhecidas. A Física ainda busca explicar porque aparentemente temos um mundo quântico e um mundo clássico que ao mesmo tempo coexistem, mas não conseguem ser explicados por uma única teoria. Debates e discussões como as promovidas neste evento pelo ICTP-SAIFR estimulam a formação de novas ideias para tentar desvendar os mistérios que permeiam o universo.
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Inauguração
Bem-vindos ao blog de divulgação científica do ICTP-SAIFR.
O objetivo desse site será levar temas de Física Teórica para um público não especializado, divulgando ciência para todos os interessados.
Aqui você encontrará, a partir de hoje, notícias sobre pesquisas e eventos relacionados ao ICTP-SAIFR e ao IFT/UNESP.
Também publicaremos textos sobre as mais importantes novidades da área de Física Teórica, com a repercussão e os comentários de pesquisadores do instituto.
O blog será atualizado semanalmente e escrito por mim, Ricardo Schinaider de Aguiar, com o apoio do Programa José Reis de Incentivo ao Jornalismo Científico, da Fapesp.
Boa leitura.
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