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Olhando para a natureza com os olhos de um engenheiro

Imagem: Patella vulgata (no link do texto original)

Aqui vão dois exemplos de pesquisadores que procuram por “princípios de design” em organismos vivos, mostrando que a visão de engenharia leva ao progresso científico.

Replicação celular como Engenharia de Sistemas

O trabalho de um especialista em eficiência é encontrar melhores formas de fazer mais coisas em menos tempo com menos custos. Do “Taylorismo” no início do século 20, até a “Pesquisa Operacional” nos dias da 2ª Guerra Mundial, à “Engenharia de Sistemas” hoje, a especialização em eficiência tem se tornado uma disciplina essencial para a produção e para o cronograma de projeto. Recentemente, Rami Pugatch, um biólogo de sistemas no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, olhou para a humilde bactéria de laboratório E. coli com os olhos de um especialista em eficiência. O site PhysOrg explica como ele abordou a “replicação celular como um problema de engenharia de sistemas”:

O artigo descreve o problema do agendamento de tarefas em processos de replicação celular e, finalmente, mostra uma distribuição matemática que caracteriza uma estratégia ótima de replicação para células de E. coli. O escopo do trabalho de Pugatch engloba processos celulares individuais, descrições algorítmicas de replicação otimizada, conceitos de engenharia de sistemas, e até mesmo a história do conceito de máquina auto-replicante. [grifos nossos]

A história se refere ao trabalho teórico de John von Neumann em 1948 sobre como construir uma máquina auto-replicante. Pugatch descobre que uma bactéria replicante atende a alguns requisitos: ela mantém todos os ingredientes em reservatórios bem abastecidos para cada tarefa, ela escalona as tarefas da melhor maneira, e duplica as instruções, como parte do trabalho. A bactéria consegue bem suceder mesmo quando os recursos são escassos, um “problema de escalonamento difícil de resolver” de acordo com o artigo publicado no PNAS.

Auto-replicação bacteriana é um processo complexo composto de diversas etapas de síntese, catalisadas por uma miríade de unidades moleculares de processamento, por exemplo, as máquinas de transcrição e tradução, enzimas metabólicas e o replissoma. A conclusão bem sucedida de todas as tarefas de produção requer um escalonamento – uma atribuição temporal, de cada uma das tarefas produtivas para as suas respectivas unidades de processamento, que respeita a ordenação e a limitação de recursos. A maioria dos processos de crescimento intracelular estão bem caracterizados. Contudo, a maneira pela qual elas são coordenadas sob o controle de uma política de escalonamento não é bem compreendida. Quando a replicação rápida é priorizada, um escalonamento que minimizasse o tempo de conclusão é desejável. No entanto, se os recursos são escassos, normalmente é difícil encontrar computacionalmente um escalonamento tal, no pior dos casos. Aqui, nós mostramos que o escalonamento ideal emerge naturalmente na auto-replicação celular. Um tempo de duplicação ótimo é obtido através da manutenção de um inventário suficientemente grande de metabólitos intermediários e de unidades de processamento necessárias para a auto-replicação e, adicionalmente, da exigência de que essas unidades de processamento sejam “gananciosas”, ou seja, não fiquem ociosas se elas puderem executar uma tarefa produtiva. Calculamos a distribuição dos tempos de duplicação dessas máquinas auto-replicantes de escalonamento ótimo, e descobrimos que existe uma forma universal – log-Frechet, que não é sensível a muitos detalhes microscópicos. Analisando dois conjuntos de dados recentes de Escherichia coli que cresciam em um ambiente estacionário, encontramos uma excelente concordância entre a distribuição do tempo de duplicação observado e a distribuição universal prevista, sugerindo que a E. coli está escalonando a sua replicação de maneira ótima.

O artigo não faz nenhuma menção a evolução ou a seleção natural, nem mesmo o sumário do PhysOrg. Em vez disso, encontra-se a linguagem da PERT (Program Evaluation and Review Technique), “caminho crítico” e outros termos familiares para engenheiros de sistemas.

Quando von Neumann propôs a máquina auto-replicante, era uma ideia futurista a que escritores de ficção científica se prenderam, prevendo robôs que viajavam pelo espaço que poderiam se replicar com recursos encontrados nos planetas que pousaram, enquanto eles se espalhavam por toda a galáxia. Mas aqui mesmo na Terra, temos um exemplo perfeito em um dos menores e “mais simples” organismos vivos.

Surpreendentemente, a nossa análise dos conjuntos de dados medidos recentemente da E. coli em crescimento exponencial num ambiente estacionário revela que a distribuição medida dos tempos de duplicação se encaixa bem com a distribuição prevista dos tempos de duplicação de uma máquina auto-replicante de escalonamento ótimo. [PNAS]

Tal máquina [de von Neumann] é chamada de “não-trivial” se ela inclui um construtor universal como um componente. O processo de duplicação não é considerado completo até que uma cópia das instruções seja fornecida. Em vez de controlar sua própria replicação, as instruções são duplicadas a partir de um modelo por uma máquina dedicada separada, que não é acionada até a conclusão da fase de replicação da máquina. Isso é muito análogo a processos celulares reais. [PhysOrg]

Foram necessários olhos de engenheiro para enxergar esta conexão. Agora, a nossa compreensão da replicação bacteriana foi consequentemente enriquecida, sem qualquer menção a seleção natural. Na verdade, o desenrolar do processo cria novos problemas para o neodarwinismo: como uma máquina de von Neumann auto-replicante conseguiria aparecer pouco a pouco, sem que todas as peças, instruções e o “construtor universal” já estivessem presentes?

Ciência dos materiais

Enquanto isso, a substância biológica mais forte conhecida veio à tona. Esse material pode suportar 5 gigapascals de tensão, o que equivale a uma corda da largura de um espaguete suportando 3.000 sacos de meio-quilo de açúcar, de acordo com a BBC News. Que material é esse? É a rádula, ou dente, da lapa, um animal aquático parecido com um caracol com uma concha em espiral. E quem o encontrou? Um engenheiro. A Universidade de Portsmouth explica:

O professor Asa Barber da escola de engenharia da universidade liderou o estudo. Ele disse: “A natureza é uma fonte de inspiração maravilhosa para estruturas que têm propriedades mecânicas excelentes. Todas as coisas que observamos ao nosso redor, como as árvores, as conchas de criaturas do mar e os dentes de lapa estudados neste trabalho, têm evoluído para serem eficazes no que fazem.

“Até então nós pensávamos que a seda de aranha era o material biológico mais forte por causa da sua superforça e das suas potenciais aplicações em tudo, de coletes à prova de bala até à eletrônica computacional, mas agora nós descobrimos que os dentes de lapa apresentam uma força que é potencialmente maior”.

Ahá! O darwinista diria. Está vendo? Barber disse que eles “evoluíram para serem eficazes no que fazem”. Ao ler a matéria, porém, percebe-se que a teoria da evolução não tem nada a ver com a descoberta. Era nada mais do que uma historinha que o professor contou provavelmente por força do hábito. Ele é um engenheiro, afinal de contas, que reconhece um bom design quando ele vê:

“Essa descoberta significa que as estruturas fibrosas encontradas nos dentes da lapa poderiam ser imitadas e usadas em aplicações de engenharia de alto desempenho, tais como em carros de Formula 1, em cascos de embarcações e estruturas de aeronaves”.

Os engenheiros estão sempre interessados em tornar essas estruturas mais fortes para melhorarem o seu desempenho ou mais leves para que elas usem menos material”.

O trabalho de Barber envolveu testes de resistência à tração dos dentes de lapa com instrumentos especialmente concebidos. Foi um trabalho difícil. Os dentes tem apenas um milímetro de comprimento, e são muito finos. A lapa usa sua rádula para raspar as algas das rochas de que se alimenta. A equipe de Barber descobriu que, por causa do modo que os dentes são construídos com um mineral chamado goetita, suas propriedades se escalariam, ou seja, os mesmos princípios seriam aplicáveis com tamanhos maiores, uma vez que a resistência do material não depende do tamanho.

A descoberta de projetos eficazes na natureza e, em seguida, construir estruturas com base nesses projetos, é chamada de ‘bioinspiração’.

O professor Barber disse: “A biologia é uma grande fonte de inspiração para a concepção de novas estruturas, mas com tantas estruturas biológicas para considerar, pode-se levar tempo para descobrir o que pode ser útil”.

Bioinspiração – um neologismo que há de se manter. Pense nas perspectivas de encontrar mais designs por aí! Como o artigo da BBC News disse: “Nós deveríamos estar pensando em construir nossas próprias estruturas seguindo os mesmos princípios de design“. Boa idéia! O design é uma inspiração para explorar, descobrir, compreender, e então imitar.

Texto traduzido e adaptado de ENV.

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Como sabemos que o Design Inteligente é uma teoria científica?

Uma pergunta que eu sempre recebo é se o Design Inteligente pode ser classificado como uma “teoria científica”. A palavra “teoria” é usada tantas vezes como se todos estivessem de acordo com o seu significado. Para responder essa pergunta, em primeiro lugar, devemos considerar o significado da palavra “teoria”.

O filósofo Peter Kosso explica que chamar alguma idéia de “teoria” diz muito pouco sobre o grau de certeza na qual a idéia se apoia. Como ele afirma, “nem lei e nem teoria” tratam sobre algo verdadeiro ou falso ou sobre algo ser bem testado ou especulativo. Na visão de Kosso, uma teoria “descreve aspectos da natureza que estão além do que podemos observar e descreve aspectos que podem ser usados para explicar o que podemos observar”. Assim, “algumas teorias são verdadeiras (teoria atômica) enquanto algumas são falsas (teoria calórica), e o método científico é o que nos direciona para decidir qual é qual”.

A Teoria do Design Inteligente (TDI) se encaixa nessa definição de teoria? Sim, ela se encaixa. A TDI é uma teoria de detecção de design, nos permitindo explicar como determinados aspectos de complexidade biológica e outras complexidades naturais surgiram. Por isso, usa o método cientifico para fazer suas afirmações.

O método científico é comumente descrito como um processo de quatro etapas que envolvem observação, hipótese, experimentos e conclusão. A TDI começa com a observação de que agentes inteligentes produzem Informação Complexa e Específica (ICE). Os teóricos do Design Inteligente (chamados de inteligentistas) levantam a hipótese de que, se um objeto natural foi concebido, este irá conter altos níveis de ICE. Os cientistas, em seguida, realizam testes experimentais sobre os objetos naturais para determinar se eles contêm informações complexas e específicas. Uma maneira fácil para testar a ICE é a Complexidade Irredutível, que pode ser testada por Engenharia Reversa em estruturas biológicas através de experimentos genéticos para determinar se eles exigem todas as suas peças para funcionar. Quando os cientistas desvendam experimentalmente a Complexidade Irredutível em uma estrutura biológica, eles concluem que ela foi projetada.

Conhecendo a definição de “teoria” dos mais eminentes criticos do DI

Embora Peter Kosso possa discordar, acredita-se que a TDI se enquadra em sua definição de “teoria”. Mas como foi sugerido acima, existem muitas definições de “teoria” por aí. Como podemos saber se a TDI é uma teoria científica? Tome a definição de “teoria” fornecida pelos críticos científicos mais eminentes da TDI e se ela satisfizer a definição, então há uma boa chance da TDI ser considerada devidamente como uma teoria científica.

Provavelmente os opositores científicos mais eminentes da Teoria do Design Inteligente possam ser encontrados entre os membros da Academia Nacional de Ciências dos EUA (National Academy of Sciences, NAS). Diferentemente de Peter Kosso, a NAS define “teoria” como uma ideia que está bem testada e bem suportada pelas evidências científicas:

  • “uma explicação bem fundamentada de algum aspecto do mundo natural que pode incorporar fatos, leis e hipóteses testadas” (Science & Creationism: A View from the National Academy of Sciences, National Academy Press, 1999);
  • “uma explicação detalhada de alguns aspectos da natureza, que é apoiada por um vasto conjunto de evidências” (Science, Evolution & Creationism, National Academy Press, 2008).

Mesmo que aceitemos a definição mais rigorosa da NAS sobre teoria, a TDI é mais do que qualificada.

Quando somos confrontados com testes múltiplos, é melhor dividi-lo em etapas. Se preenchemos todas as “etapas”, então somos aprovados no teste. Vamos usar esse método aqui para analisar se a TDI é uma teoria:

  1. A TDI deve fornecer “uma explicação de algum aspecto do mundo natural” e uma “explicação detalhada de alguns aspectos da natureza”;
  2. A TDI deve “incorporar muitos fatos, leis e hipóteses testadas”;
  3. A TDI deve ser “bem fundamentada” e “apoiada por um vasto conjunto de evidências”.

Etapa 1: A TDI deve fornecer “uma explicação de algum aspecto do mundo natural” e uma “explicação detalhada de alguns aspectos da natureza”.

A TDI não é apenas uma explicação de “algum aspecto do mundo natural”: na verdade ele explica muitos aspectos do mundo natural. Se apenas pensarmos em termos de grandes categorias, a TDI propõe que a causa inteligente é a melhor explicação para os eventos históricos, como:

  • A origem do ajuste fino do universo para a vida complexa;
  • A origem dos níveis extremamente altos de Informação Complexa e Especificada no DNA;
  • A origem de sistemas integrados necessários para o arranjo fisiológico dos animais;
  • A origem de muitos sistemas de Complexidade Irredutível encontrada em organismos vivos.

Assim a TDI realiza essa etapa: é uma explicação de muitos aspectos do mundo natural, sobretudo muitos aspectos da complexidade biológica.

Etapa 2: A TDI deve “incorporar muitos fatos, leis e hipóteses testadas”.

A TDI realiza facilmente essa etapa. Ela incorpora muitos fatos, leis e hipóteses testadas, incluindo:

  • As leis e constantes do universo conhecido e os coloca juntas em uma teoria unificada, para explicar porquê elas estão ajustadas para produzir parâmetros físicos favoráveis à vida;
  • Muitos fatos conhecidos sobre o sequenciamento do DNA, bem como as hipóteses testadas de que eles estão bem ajustados para executar funções biológicas;
  • Uma infinidade de hipóteses testadas sobre o abrupto aparecimento geológico de novos filos no registro fóssil, bem como numerosos fatos da bioquímica e biologia dos animais sobre o tipo e quantidade de informação integrada necessária para coordenar novos tipos de proteínas, tipos de células, tecidos e órgãos em novos arranjos fisiológicos funcionais;
  • Muitas hipóteses testadas sobre a presença de complexidade irredutível em sistemas biológicos, evidenciados por experimentos genéticos que têm mostrado que a Complexidade Irredutível é um fenômeno real;
  • A proposição de novas leis, como a Lei da Conservação da Informação, novos princípios sobre as causas de altos níveis ICE, novos métodos para medição de complexidade e informações funcionais, e novas hipóteses sobre a ubiquidade do ajuste fino em muitos aspectos da cosmologia e biologia.

Etapa 3: A TDI deve ser “bem fundamentada” e “apoiada por um vasto conjunto de evidências”.

Essa etapa é única, porque ela coloca “teoria” nos olhos de quem vê. Se você acha que a TDI está correta (ou seja, “bem fundamentada”), então ela vai se qualificar como uma teoria científica. Se você não acha que está correta, então você vai pensar que não é bem fundamentada e a TDI não será qualificada como uma teoria. Na prática, esta etapa mede questões subjetivas sobre o que as pessoas acreditam a respeito de uma idéia, ao invés de fazer perguntas objetivas sobre a natureza básica da idéia que está sendo proposta. É provavelmente em razão disso que pensadores cuidadosos como Peter Kosso excluem expressamente essa etapa de sua definição de “teoria”.

No entanto, a TDI também cumpre os critérios da NAS, e um vasto conjunto de evidências pode ser apresentado para defender a teoria. A TDI está bem fundamentada porque um número significativo de estudos confirmaram as previsões da teoria, tais como:

  • A física e a cosmologia continuam a descobrir níveis cada vez mais elevados de ajuste fino. Muitos exemplos podem ser citados, mas este é impressionante: a entropia inicial do universo precisou ter sido ajustada na proporção de 1 parte em 1010123 para que o universo fosse favorável a vida. Com uma diferença mínima nesse ajuste, não seria possível a vida no Universo. Novas teorias cosmológicas, como a Teoria das Cordas ou a Teoria do Multiverso apenas servem para barrar as perguntas sobre o ajuste fino, e acabam aumentando a necessidade desse ajuste;
  • Testes de sensibilidade mutacional mostram cada vez mais que as sequências de DNA são altamente ajustadas para gerar proteínas funcionais e executar outras funções biológicas;
  • Estudos da epigenética e da biologia de sistemas estão revelando mais e mais como os organismos são integrados (cibernética), da bioquímica até a macrobiologia, e mostrando funções celulares básicas incrivelmente bem ajustadas;
  • Experimentos genéticos demonstram Complexidade Irredutível, como no flagelo bacteriano, ou nas características de multimutação onde seriam necessárias várias mutações simultâneas para ganhar uma vantagem. Isto é mais ajuste fino.

A TDI é fundamentada por um vasto conjunto de provas que vão desde a física à cosmologia, da bioquímica à biologia animal, da biologia de sistemas e a epigenética à paleontologia. A TDI ultrapassa em muito as exigências definidas pela NAS sobre o que é uma “teoria”.

Texto traduzido e adaptado de Evolution News & Views.