BIOFÍSICA

BIOFÍSICAY X Z Y X q1 Z q2 X Z q1 Z Z q2 Y Y Franscisco Carlos Monteiro Biofísica LICENCIATURA PLENA EM CIÊNCIAS NATURAIS E MATEMÁTICA - UAB - UFMT Cuiabá, MT 2011 Instituto de Física Av. Fernando Correa da Costa, s/nº Campus Universitário Cuiabá, MT - CEP.: 78060-900 Tel.: (65) 3615-8737 www.fisica.ufmt.br/ead Biofísica Autor Franscisco Carlos M onteiro Cuiabá, MT 2011 C o P y R I g h T © 2 0 1 1 UA B Corpo Editorial • • • • Denise Vargas Carlos Rinaldi Iramaia Jorge Cabral de Paulo Maria Lucia Cavalli Neder Projeto Gráfico: PauLo H. Z. Arruda / Eduardo H. Z. Arruda / Everton Botan Revisão: Denise Vargas Secretária(o): Neuza Maria Jorge Cabral / Felipe Fortes FICHA CATALOGRÁFICA M775b Monteiro, Francisco Carlos. Biofísica./ Francismo Carlos Monteiro. Cuiabá: UAB/ UFMT, 2011. ISBN – 978-85-8018-097-8 1.Biofísica. 2.Água – Importância Biológica. 3.Radiações. 4.Proteção Radiobiológica. I. Título. CDU 577.3 P r e fá c i o N este fascículo abordaremos alguns tópicos da biofísica. A biofísica, como área de conhecimento, interdisciplinar, tem estado em constante evolução nas últimas décadas, porque pesquisas e estudos mais recentes na ciência da vida levam a novos questionamentos. Na biofísica são estudados em escala macroscópica e microscópica, os fenômenos físico-biológicos que envolvem organismos vivos e, em nível molecular, os comportamentos resultantes dos vários processos da vida, além da interação e da cooperação dos sistemas altamente organizados de macromoléculas. Os pré-requisitos para seu estudo são conhecimentos fundamentais de física, biologia, química, físico-química, bioquímica, e cálculo diferencial e integral. Vi i sumário 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. água e sua i m P o r tâ n c i a B i o l ó g i c a Vi são audiç ão circul aç ão sanguí ne a r esPir aç ão e 11 15 33 53 69 Biofísica Biofísica Biofísica Biofísica da da da da r a d i a ç õ e s , r a d i o at i V i d a d e Proteç ão r adioBiológ ic a referências BiBliográficas r adioBiologia 83 95 101 UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | i X água e sua i m P o r tâ n c i a B i o l ó g i c a 1 f u n d a m e n ta ç ã o t e ó r i c a A água é uma substância química composta de hidrogênio e oxigênio, sendo essencial para todas as formas conhecidas de vida. Água tem três estados: líquido, sólido (gelo) e vapor (invisível) no ar. As nuvens são o acúmulo das gotículas condensadas do vapor. A água pode mudar de estado físico como, por exemplo, ir do estado sólido para o líquido. Um exemplo disso é quando deixamos o gelo (estado sólido da água) fora da geladeira e ele derrete passando a líquido. A mudança de estado sólido para líquido recebe o nome de fusão, enquanto que a do estado líquido para o sólido de solidificação. Do estado líquido para a forma vapor, temos o fenômeno de vaporização e, da forma de vapor para a líquida, de condensação ou liquefação. Algumas vezes, no uso típico, a água se refere apenas à sua forma ou estado líquido, mas a substância também possui um estado sólido, o gelo, e um estado “gasoso”, mais corretamente denominado de vapor de água ou vapor. A água cobre 71% da superfície da Terra. Na Terra, ela é encontrada principalmente nos oceanos e em outros corpos d’água grandes, 1,6% em aquíferos e 0, 001% na atmosfera como vapor, nuvens (formada de partículas de água sólidas e líquidas suspensas no ar) e precipitação. Os oceanos detêm 97% UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 11 da água superficial, geleiras e calotas polares detêm 2,4%, e outros, como rios, lagos e lagoas detêm 0,6% da água do planeta. Uma pequena quantidade da água da Terra está contida dentro de organismos biológicos e de produtos manufaturados. A água na Terra se move continuamente por um ciclo de evaporação e transpiração (evapotranspiração), precipitação e escoamento superficial, geralmente atingindo o mar. A evaporação e a transpiração contribuem para a precipitação sobre a terra. Na indústria ela desempenha o mesmo papel de diluidora, transportadora e resfriadora nos vários processos de manufatura e transformações de insumos básicos em bens comerciais. O acesso à água potável tem melhorado continuamente e substancialmente nas últimas décadas em quase toda parte do mundo. Existe uma correlação clara entre o acesso à água potável e PIB per capita de uma região. No entanto, alguns pesquisadores estimaram que em 2025 mais de metade da população mundial sofrerá com a falta de água potável. A água desempenha um papel importante na economia mundial, já que ela funciona como um solvente para uma grande variedade de substâncias químicas, além de facilitar a refrigeração industrial e o transporte. Cerca de 70% da água doce do mundo é consumida pela agricultura. ProPriedades Nome IUPAC Outros nomes físicas e químicas soBre ta B e l a 1 – á g u a (H2o): a l e r ta r isco à saúde Água Ácido hidroxílico Hidróxido de hidrogênio Óxido de hidrogênio Monóxido de di-hidrogênio ProPriedades Fórmula Molecular Densidade Ponto de Fusão Ponto de Ebulição H 2O 1000 kg•m³, líquida (4 °C) 917 kg•m³, sólida 0 °C, 32 °F (273,15 K) 100 °C, 212 °F (373,15 K) água no uniVerso Grande parte da água do universo pode ser produzida como um subproduto de formação estelar. Quando nascem as estrelas, esse nascimento é acompanhado por um 12 | Ciências Naturais e Matemática | UAB forte vento de gás e poeira. Quando esse fluxo de material eventualmente impacta o gás circundante, as ondas de choque que são criadas comprimem e aquecem o gás. A água observada é rapidamente produzida nesse gás quente e denso. A água tem sido detectada em nebulosas na nossa galáxia, a Via Láctea. Provavelmente existe água em abundância em outras galáxias, também, porque os seus componentes, hidrogênio e oxigênio, são alguns dos elementos mais abundantes no universo. Nuvens interestelares eventualmente condensam em nébulas solares e sistemas solares como o nosso. d istr iBuiç ão na te r r a A água cobre 71% da superfície da Terra, os oceanos contêm 97,2% da água da Terra. A camada de gelo da Antártida, que contém 90% de toda água doce da Terra, é visível na parte inferior. A água condensada na atmosfera pode ser vista como nuvens, contribuindo para o albedo da Terra. A hidrologia é o estudo do movimento, distribuição e qualidade da água em toda a Terra. O estudo da distribuição de água é a hidrografia. O estudo da distribuição e circulação de águas subterrâneas é hidrogeologia, das geleiras é glaciologia, das águas interiores é limnologia e da distribuição dos oceanos é a oceanografia. Processos ecológicos com hidrologia estão no foco de ecohidrologia. O coletivo de massa de água encontrado sobre e abaixo da superfície de um planeta é chamado de hidrosfera. O volume de água na Terra aproximado (fornecimento total de água do mundo) é de 1.360.000.000 km3. A água subterrânea e doce são úteis ou potencialmente úteis para os seres humanos como recursos hídricos. a água n o co r Po Hum an o O corpo humano é composto de água, entre 70% a 75%. O percentual de água no organismo humano diminui com a idade: entre 0 e 2 anos de idade é de 75 a 80 %; entre 2 e 5 anos cai para 70 a 75%; entre 5 e 10 anos fica entre 65 a 70%; entre 10 e 15 anos diminui para 63 a 65% e entre 15 e 20 anos atinge 60 a 63%. Aí vem um período de maior estabilidade, como na vida psíquica, mas sem muitas garantias: entre 20 e 40 anos esse teor de água no corpo humano fica entre 58 a 60%. Entre os 40 e os 60 anos, essa percentagem cai para 50 a 58%. A seiva parecer diminuir ou ficar mais concentrada. Acima de 60 anos, o humano segue sua desidratação. É como se nos idosos metade da existência fosse água e o resto, sólidos residuais e recordações. No próprio corpo humano, os teores de água variam. Os órgãos com mais água são os pulmões (mesmo se vivem cheios de ar) e o fígado (86%). Paradoxalmente, eles têm mais água do que o próprio sangue (81%). O cérebro, os músculos e o coração são constituídos por 75% de UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 13 Cérebro: 75% Sangue: 81% Pulmões: 86% Fígado: 86% Músculos: 75% Rins: 83% Coração: 75% Figura 1 – Quantida- de de água no corpo humano. A água entra no corpo humano através de sucos, água mineral, cerveja, água fresca e etc. Uma parte significativa de água, o corpo absorve através da respiração celular (14%). O resto da água necessária à vida chega através dos alimentos (39%). Vegetais existem para ser bebidos e não comidos. Eles contêm uma porcentagem enorme de água: alface (95%), tomate (94%), melancia (92%), couve-flor (92%), melão (90%), abacaxi (87%), goiaba (86%) e banana (74%). O volume total que entra por dia no organismo é de 1500 a 3000 ml. Cerca de 20% da água sai do corpo humano pela transpiração e 15%pela respiração, pelas urinas é excretada a maioria da água absorvida. Os rins são os principais órgãos que regulam o volume e a concentração da água e filtram tudo o que podem, a bexiga acumula e excretada o possível sob forma de urina. água. conclusão A água líquida é encontrada em corpos de água, como oceanos, mares, lagos, rios, riachos, canais, lagoas ou poças. A maioria da água na Terra é do mar. A água também está presente na atmosfera no estado sólido, líquido e gasoso. Também existem águas subterrâneas nos aquíferos. A água é importante em muitos processos geológicos. As águas subterrâneas são onipresentes nas rochas e a pressão da água subterrânea afeta os padrões de falhas geológicas.Na superfície da Terra, a água é importante em ambos os processos químicos e físicos de meteorização. Água e, em menor medida, o gelo, também são responsáveis por uma grande quantidade de transporte de sedimentos que ocorre na superfície da terra. As deposições de sedimentos transportados formam muitos tipos de rochas sedimentares, que compõem o registro geológico da história da Terra e com certeza ela é indispensável para o ser vivo. E sabemos que é sem dúvida o mais comum e mais importante de todos os compostos. Graças às propriedades da água, a vida foi capaz de surgir e se desenvolver em nosso planeta, mas o uso nem sempre é consciente, e corremos o risco de perder o bem mais precioso que temos. 14 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Biofísica da Vi s ão 2 intro duç ão As informações do mundo exterior são captadas e transmitidas ao cérebro através dos órgãos dos sentidos. Nos primatas, os receptores e as vias nervosas permitem a detecção e análise dos sinais sonoros, a audição; luminosos, a visão; e químicos, a gustação e olfação; ambos situados na cabeça. Além dessas informações, os sensores situados nos canais semicirculares do ouvido interno ajudam a manutenção da postura e participam na definição do equilíbrio do corpo. Queremos nesse trabalho mostrar como nós seres humanos conseguimos enxergar o mundo colorido, e em alguns animais identificar as diferenças entre a visão dos seres irracionais e dos seres racionais. No processo de formação de imagens desenvolveremos todo embasamento teórico, do ponto de vista físico e biológico. Mostraremos desde a saída dos raios de luz de uma fonte luminosa até chegar aos nossos olhos, formando as imagens em nossa retina e como essas imagens chegam até nosso cérebro pelo processo biológico. o ndas Uma onda nada mais é do que uma perturbação que se propaga num meio, por exemplo, se duas pessoas segurarem as extremidades de uma corda, e uma delas a sacudir, será originada uma sinuosidade que se movimenta ao longo da corda no sentido da outra pessoa. A pessoa provocou uma modificação na corda, e como esta tende a retornar à sua posição inicial, a perturbação se afasta do ponto onde foi originada. A esta perturbação dá-se o nome de pulso e a este movimento de onda. Uma onda transfere energia de um ponto a outro sem o transporte de matéria entre esses pontos. As ondas podem ser classificadas em unidimensionais (quando se propagam em apenas uma direção), bidimensionais (quando se propagam ao UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 15 longo de um plano) e tridimensionais (quando se propagam em todas as direções). Os fenômenos ondulatórios transmitem energia através da matéria. As partículas materiais apenas giram ou oscilam para frente e para trás, ou para cima e para baixo, transmitindo energia de uma partícula a outra. Efetivamente, quando batemos numa mesa, as ondas sonoras viajam através dela, mas a mesa propriamente dita não se movimenta. • a s Po dem se r m ec ân i c a s ou e le trom ag n é ti c a s . o n d a s a P r e s e n ta m d u a s c l a s s i f i c a ç õ e s q u a n t o à s u a n at u r e z a , Ondas mecânicas são aquelas originadas pela deformação de uma região de um meio elástico e que, para se propagarem, necessitam de um meio material. Daí decorre que as ondas mecânicas não se propagam no vácuo. As ondas sonoras propagam-se nos sólidos, líquidos e gases. As ondas sonoras são ondas mecânicas, já que necessitam do ar (ou outros gases) ou de algum meio líquido ou sólido para serem propagadas. Quando transmitidas ao nosso sentido da audição, são por ele captados como uma impressão fisiológica denominada som. • e X i s t e m tudinais e transVersais. d o i s t i P o s f u n d a m e n ta i s d e m o V i m e n t o s o n d u l at ó r i o s , l o n g i - Nas ondas longitudinais, tal como nas ondas sonoras, as partículas movimentam-se para frente e para trás na mesma direção da propagação da energia, tal como uma mola, alternadamente distendida e comprimida. A energia pode ser transmitida em todos os estados da matéria (sólido, líquido e gasoso) através do movimento longitudinal das partículas.Uma onda é longitudinal quando as partículas do meio em que ela se propaga vibram na mesma direção de propagação da onda nesse meio. A onda é transversal quando as partículas do meio em que ela se propaga, vibram perpendicularmente à direção de propagação da onda nesse meio. Nesse caso, os planos de partículas no meio de propagação mantêm a mesma distância uns dos outros. Não se propagam nos líquidos e nos gases, pois nesses meios não existe ligações mecânicas. Nas ondas transversais a energia viaja na perpendicular à direção de vibração das partículas. Este tipo de movimento transmite-se apenas nos sólidos. Exemplos: qualquer tipo de luz, os raios x e as ondas para comunicação entre avião e torre de comando, ou então transmissões de rádio e TV. • o n d a s e l e t r o m a g n é t i c a s – l u z Esse tipo de onda é originado através de cargas elétricas oscilantes e não precisam de um meio material para se propagar. As ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo, o exemplo mais claro disso é a luz do Sol, que percorre quilômetros de vácuo até atingir a superfície da Terra. 16 | Ciências Naturais e Matemática | UAB • luz A luz é a porção do espectro de radiação eletromagnética que conseguimos perceber através do sentido da visão. A amplitude de onda visível é aferida em nanômetros (nm) sendo variável, dependendo das condições de observação e do próprio observador, entre 380 - 400 nm e 700 - 780nm. Uma película fotossensível reversível transforma a energia eletromagnética do pulso luminoso em pulso elétrico. Em uma terceira fase do processo de ver, os pulsos elétricos são levados ao cérebro, onde provocam sensações psicofísicas conhecida como visão. a luz como o n da Para efeitos comuns, não relativísticos, a luz se propaga simplesmente em linha reta. No vácuo, sua velocidade, é uma das mais importantes constantes universais, e é a velocidade máxima que a matéria pode atingir: c = 3 x 108 m/s. No ar, água, outros líquidos, e corpos transparentes, a velocidade da luz diminui. Como veremos adiante, a velocidade é tanto menor quanto maior é o “índice de refração” do meio. A luz é composta por comprimentos de onda visível que varia para os humanos na faixa dos 400 aos 750nm. A luz composta pelo somatório destes comprimentos de onda nos dá a sensação visual do branco. Um objeto será percebido como branco se todos os raios do espectro incidentes nele forem refletidos. Caso contrário, isto é, se o objeto absorver todos os comprimentos de onda, não havendo reflexão de qualquer comprimento de onda na faixa do visível, o objeto será percebido como preto. Portanto, a cor é uma sensação psicofisiológico que está associada ao comprimento de onda. Cor monocromática, como o próprio nome diz, é composta de um único comprimento de onda e é específico para cada cor. Um exemplo é o arco-íris, que é decorrente do fenômeno da difração da luz exercida pelas gotículas de água dispersas na atmosfera. O vermelho, laranja, verde, amarelo, azul e violeta, são cores monocromáticas com comprimentos de ondas específicos. A luz ao se propagar apresenta entre outros, os seguintes fenômenos: • r e f l e X ã o Consiste na mudança de direção da luz, ao encontrar um obstáculo. A reflexão se faz de acordo com a seguinte lei: “O ângulo de incidência (i) e o ângulo de reflexão (r) são iguais, e estão no mesmo plano que inclui a normal (N)”. i r i=r espelho UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 17 Existem dois tipos de reflexão: 1. Especular: A superfície refletora é tão lisa, que todos os raios refletidos saem na mesma direção. São exemplos: a reflexão nos espelhos e, superfícies polidas. 2. Difusa: A superfície refletora é áspera, e os raios incidentais se refletem com o mesmo ângulo, mas em diferentes direções. É a reflexão mais comum, como a desta folha de papel, dos corpos de animais, objetos e corpos celestes. • interferência Resulta do somatório dos pulsos de onda. Quando se somam duas cristas, há reforço; quando se somam uma crista e um vale iguais, há anulação. Como a soma dos pulsos é algébrica há toda uma gama de efeitos intermediários. Para se obter interferência de forma efetiva, é necessário usar fontes de luz coerentes, isto é, que estão na mesma fase. Isso se obtém dividindo um feixe de luz em dois, ou usando raios laser, que são naturalmente coerentes. A interferência da luz monocromática gera zonas de claro-escuro, e da luz branca, pode gerar diversas cores. • d ifr aç ão Consiste no contorno de um obstáculo devido à trajetória do pulso. Quando se olha uma lâmpada através de uma pequena fenda entre os dedos, observa-se uma sucessão de finas zonas claras e escuras, devido à difração. • e s Pa l H a m e n t o É a mudança de direção do raio luminoso ao se chocar com a matéria. É como se fosse o ricochete de uma pedra atirada obliquamente ao solo. O espalhamento se faz em todas as direções. Acontece especialmente em nível molecular, e é responsável pela opalescência de soluções coloidais, ou de macromoléculas. • Pol ar iz aç ão É a fixação de vetor elétrico, e, consequentemente, do magnético, em um plano determinado. Se o plano é fixo, a polarização é dita plana. Se o plano gira em sentido perpendicular à propagação, a polarização é circular. Se, em determinada posição de giro, os vetores são maiores, a polarização é elíptica. Existem animais capazes de 18 | Ciências Naturais e Matemática | UAB perceber luz polarizada, como o polvo. • r e f r a ç ã o É a mudança de direção do raio luminoso ao penetrar obliquamente em um meio de índice de refração diferente do meio anterior. Se o raio penetra perpendicularmente, não há refração. Em ambos os casos, a velocidade é diferente nos dois meios. A refração é frequentemente vista quando se enfia um bastão na água, ou quando um jato de luz atravessa esses plásticos transparentes que florescem. O desvio é perfeitamente visível. Por que só ocorre desvio se a incidência é obliqua? Não ocorre nada na incidência perpendicular? Na incidência perpendicular, ou oblíqua, a velocidade muda, sendo a mesma nos dois casos. Mas, na incidência oblíqua, como o pulso é transversal, uma parte da onda muda a velocidade antes da outra, e a direção também muda. Ao sair do meio, ocorre o inverso, e o raio retorna á direção primitiva. Se o pulso é perpendicular, a velocidade diminui, sem mudança de direção, porque o pulso penetra simultaneamente no novo meio. A lei da refração mostra que: As ondas eletromagnética ao saírem de meio mais refrator para meio menos refrator, o raio luminoso se afasta da normal. No contrário se saírem de um meio mais refrator e penetrar em meio menos refrator, o raio luminoso se afasta da normal. Na figura abaixo, notar que o ângulo “θ1” é menor que o ângulo “θ2”. A relação quantitativa entre esses parâmetros está na Lei de Snell, que inclui o chamado “índice de refração” dos meios transparentes, e tem a forma: ɲ = sen θ1 / sen θ2 θ1 ɲ1 Onde ɲ é o índice de refração, θ1 é o de ângulo de incidência, e θ2 o ângulo de refração. ɲ2 θ2 ta B e l a 2 – í n d i c e m at e r i a l de r efr aç ão de alguns meios ɲ ɲ m at e r i a l Vácuo Ar Água Aquoso Humor Vítreo Córnea 1,00000 1,0003 1,3330 1,33 1,34 1,38 Cristalino Glicerol Benzeno Vidros/Diversos Diamantes 1,40 1,4730 1,5012 1,4 – 2,0 2,417 UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 19 Para fins práticos, o índice do ar é considerado como unitário, isto é, igual ao do vácuo. A relação de Snell permite calcular o desvio dos raios luminosos quando passam de meios de ɲ diferente. for maç ão da i m ag em n o o lH o O mecanismo de formação da imagem é por meio da refração da luz. O principal meio refrativo do olho é a interface ar-córnea, devido à grande diferença de índice de refração entre a córnea e o ar. No olho com a visão normal, a imagem se forma sempre na retina. No olho temos um sistema de lentes, que são como um artefato capaz de desviar a trajetória dos raios luminosos, formado principalmente pela córnea e pelo cristalino. A imagem formada pelas lentes pode ser real ou virtual. Ela é real quando produzida pelos cruzamentos dos raios emergentes da lente e é virtual quando produzidas pelos prolongamentos dos raios luminosos. Uma imagem pode ser direita ou invertida. Ela é direta quando tem o mesmo sentido do objeto, e invertida quando tem sentido oposto ao do objeto. fibras do musculo ciliar radiais, contraídas, circulares, relaxadas radiais, relaxadas, circulares, contraídas 20 11 delgado cristalino espesso ta B e l a 3 – d i s tâ n c i a s (mm) diop tr i a s Valores aproximados do olho reduzido e conVergência inFinito em dioPtrias perto Distância Córnea-Retina Distância Focal Posterior Distância Focal Anterior Poder Dióptrico Total Distância Córnea-Ponto Nodal 24 24 +59 +19 17 6 24 19 +73 14 6 Poder Dióptrico do Cristalino 20 +33 | Ciências Naturais e Matemática | UAB sd dasd fd da as as sd df sd ad de Asda ds sd ds asda dd sd da asdsadfd sd da as as as sd df sd ad de Asda ds sd ds asda dd asdsad as d En sadfd dasd asd s d d as te as ds e fa n a sd sd sd d o e A da sddsd n d asda dOlh do Hud asdsa m o an as o d as d sd a sfd d sd fa as ad e sd sd s d A da sddsd d d as a d as Quando um indivíduo abre os olhos debaixo d'água, o poder refrativo do olho cai bastante, porque a diferença dos valores de ɳ diminui. O cristalino se colocado no ar, pode atingir até + 145 dioptrias de convergência, mas entre dois fluidos de índice de refração maior que 1, aproximadamente 1,34 em média, a convergência cai para +19 a +33 D. olHo O mecanismo da visão acontece através dos olhos; e é a incidência de luz visível nos olhos que fornece a energia necessária para que as células especializadas, localizadas em seu interior, sejam excitadas. O potencial de ação resultante pelos mecanismos conhecidos faz com que essa perturbação no olho, de origem externa, seja interpretada. A interpretação físico-biológica da excitação produzida por esta radiação eletromagnética depende da estrutura do receptor de luz ou do olho. O olho tem a função de transformar a energia eletromagnética em energia elétrica, e esses pulsos são direcionados ao cérebro. O ser humano capta a luz através do olho, um órgão esférico extremamente complexo que em pessoas adultas atinge cerca de 24 mm. O olho é composto por três camadas, ou túnicas: a esclerótica, que o reveste e protege externamente, a coróide, constituída por vasos sanguíneos que alimentam o olho, e a retina, um tecido resistente, transparente e fotossensível. Na retina há dois tipos de células que são responsáveis pelo sentido da visão, os cones e os bastonetes. a n at o m i a do olHo O globo ocular tem cerca de 24 mm de diâmetro e encontra-se encapsulado, em uma membrana rígida denominada esclerótica que, em sua parte anterior, apresenta uma janela transparente chamada córnea. Atrás da córnea está a câmara anterior do olho, preenchida pelo humor aquoso, uma solução pouco concentrada, e a íris, que é um diafragma variável. Esta câmara é fechada pelo cristalino e pela lente de poder refrativo ajustável através da contração do músculo ciliar. A câmara posterior, atrás do cristalino, é preenchida por um fluido gelatinoso conhecido como humor vítreo. O fundo do globo ocular, denominado retina, contém as células nervosas fotossensíveis: os cones e os bastonetes. Os cones concentram-se na mácula lútea (mancha amarela) e mais ainda, na fóvea centralis (fossa central), compreendida no interior da macula lútea. Os filetes nervosos que se unem para formar o nervo óptico, o fazem num ponto da retina que não possui células fotossensíveis: o ponto cego. A nutrição das estruturas é feita pela coróide (ou corioide) que é a camada que contém os vasos sanguíneos. O eixo óptico não coincide com o eixo visual. O globo ocular tem como receptor a íris e a pupila. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 21 Ligamento suspensos da lente Múscu lo ci l ia r Câma ra anterior (humor aquoso) Córnea cristalino canal hialóideo Fóvea centra l na mácu la lútea A r téria e veia centra is da retina Pupila Íris Câma ra posterior Fibras z onu la res humor vítreo Retina Esclera Disco óptico Ner vo óptico Corióide Figura 2 – olho humano. Fonte: Wikipédia. meios t r a n s Pa r e n t e s : Córnea: porção transparente da túnica externa (esclerótica); é circular no seu contorno e de espessura uniforme. Sua superfície é lubrificada pela lágrima, secretada pelas glândulas lacrimais e drenada para a cavidade nasal através de um orifício existente no canto interno do olho. Humor aquoso: fluido aquoso que se situa entre a córnea e o cristalino, preenchendo a câmara anterior do olho. Cristalino: lente biconvexa coberta por uma membrana transparente. Situa-se atrás da pupila e é orienta a passagem da luz até a retina. Também divide o interior do olho em dois compartimentos contendo fluidos ligeiramente diferentes: a câmara anterior, preenchida pelo humor aquoso e a câmara posterior, preenchida pelo humor vítreo. Pode ficar mais delgado ou mais espesso, porque é preso ao músculo ciliar, que pode torná-lo mais delgado ou mais curvo. Essas mudanças de forma ocorrem para desviar os raios luminosos na direção da mancha amarela. O cristalino fica mais espesso para a visão de objetos próximos e mais delgada para a visão de objetos mais 22 | Ciências Naturais e Matemática | UAB ra is distantes, permitindo que nossos olhos ajustem o foco para diferentes distâncias visuais. A essa propriedade do cristalino dá-se o nome de acomodação visual. Com o envelhecimento, o cristalino pode perder as transparências normais, tornando-se opaco, ao que chamamos catarata. Humor vítreo: fluido mais viscoso e gelatinoso que se situa entre o cristalino e a retina, preenchendo a câmara posterior do olho. Sua pressão mantém o globo ocular esférico. O globo ocular apresenta ainda, anexo: as pálpebras, os cílios, as sobrancelhas ou supercílios, as glândulas lacrimais e os músculos oculares. As pálpebras são duas dobras de pele revestidas internamente por uma membrana chamada conjuntiva. Servem para proteger os olhos e espalhar sobre eles o líquido que conhecemos como lágrima. Os cílios ou pestanas impedem a entrada de poeira e de excesso de luz nos olhos, e as sobrancelhas impedem que o suor da testa entre neles. As glândulas lacrimais produzem lágrimas continuamente. Esse líquido, espalhado pelos movimentos das pálpebras, lava e lubrifica o olho. Quando choramos, o excesso de líquido desce pelo canal lacrimal e é despejado nas fossas nasais, em direção ao exterior do nariz. Costumava-se comparar o olho a uma máquina fotográfica, mas a comparação com uma câmara de televisão é mais adequada. Como a câmara de televisão, o olho forma imagens, transforma a Energia Eletromagnética em Energia Elétrica, e esses pulsos são levados ao cérebro. ta B e l a 4 – e s t r u t u r a s r e f r at i Va s estru t u r a N r eF r aç ão no olHo o b s e r Va ç õ e s diop tr i a s Interface Ar-córnea Interface Córnea-Humor Aquoso Cristalino Humor Vítreo Total 1,38 1,33 1,4 1,34 -- Convergente Divergente Convergente --- +45 -5 19 +59 a + 73 D -- Principal meio R Refrativo Único sistema Divergente Pode variar até +33 D Efeito de lente -- a íris e a PuPila A íris é uma estrutura contrátil capaz de variar o seu orifício que é a pupila. As pupilas têm diâmetro de 1,5 a 8 mm, conforme a contração de músculo da íris. A camada posterior da íris é responsável pela cor dos olhos. Como a distância focal do olho é 17 mm, os valores de F (abertura da lente), para o olho, variam entre: F = 17/1, 5 = 11,3 e F = 17/8 = 2,1 UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 23 Esses valores de F correspondem aos de uma boa lente de máquina fotográfica. Como a luz que entra é proporcional à área da pupila, e nessa área o raio é levado ao quadrado, com valores de 2,1 a 11,3, consegue-se uma variação de aproximadamente 30 vezes na quantidade de luz que entra. A íris tem um papel especial nas seguintes funções; 1. Controle da quantidade de luz; 2. Diminuição da aberração esférica e aberração cromática, quando a pupila é menor; 3. Aumento da profundidade de foco, com fechamento da pupila. O limite para o fechamento da pupila, em lugares muito claros, é a difração que sempre ocorre nos orifícios muito estreitos, de menos de 1 á 2 mm de diâmetro. O fechamento da pupila é conhecido como miose, e a dilatação como midríase. Várias moléstias e diferentes substâncias causam tanto a miose como a midríase. Os cicloplégicos são drogas que agem localmente, paralisando a íris e causando intensa midríase. São usadas para exame oftalmológico, e durante sua ação, pode-se sentir a falta do efeito diafragma da pupila, pela visão desfocada. Mácu la Retina Íris Córnea Ner vo óptico Vítreo Pupila Crista l ino a r e t i n a : tr a n s f o r m a ç ã o Pulso nerVoso de fótons em A retina é a película fotossensível, aonde os fótons que chegam interagem com os receptores especiais, gerando impulso elétrico. A retina tem dois tipos de células fotossensíveis: 1. Cones - destinados á visão fotópica (fóton, luz), isto é, de cores e detalhes. 2. Bastonetes – Destinados á visão escotópica (mancha), isto é, à visão de claro-escuro, associada a pequenas quantidades de luz. Os cones e bastonetes podem ser vistos na figura seguinte, onde são apresentados quatro bastonetes e um cone. Os albinos, que não possuem pigmentos devido a um 24 | Ciências Naturais e Matemática | UAB defeito genético, são completamente ofuscados em lugares muito luminosos. Luz Nervo óptico É interessante que os cones e bastonetes apontam para a direção oposta aos raios de luz. Existem cerca de 130 milhões de bastonetes e 7 milhões de cones, distribuídos em um arco de aproximadamente 180°, no fundo do olho. Na mancha lútea, cujo nome quer dizer mancha amarela, com cerca de 1,5 mm 2 de área e onde se encontram mais os cones, existe a fóvea centralis (fossa central), que é uma depressão de 0,3 mm de diâmetro (0,28 mm2 de área). Na fossa central não há bastonetes, e nela se concentram de 30.000 a 40.000 cones, mais delgados, e que são ligados diretamente ao nervo óptico. A mácula Lútea, mais definidamente a fóvea, é a responsável pela visão de detalhe, e para isso possui esta estrutura peculiar. A visão de cores é também mais distinta nessa região. No foca de saída do nervo óptico e vasos sanguíneos, não é possível haver cones e bastonetes, e esse local corresponde ao ponto cego. e nergética da Visão – sensiBilidade da r etina A retina é uma das estruturas mais aperfeiçoadas como transformadora de energia, e sua sensibilidade pode ser avaliada por duas situações: 1. Medidas experimentais cuidadosas mostram que: Quando 50 a 60 fótons incidem na córnea, cerca de 80 a 90% são absorvidos, refletidos ou refratados, e apenas cerca de 10 fótons chegam á retina. Se houver uma chance de 50% de choques úteis com os bastonetes, apenas 2 a 5 fótons são capazes de provocar sensação luminosa. Acredita-se que um único fóton de luz verde-azulada seja capaz de provocar um pulso de visão. 2. A energia de um fóton de luz verde-azulada de 510 nm é 3,9 x 10 -19J, e cinco fótons representam 2 x 10-18 J. Por outro lado, um objeto de 1 mg ( um pedaço de papel), caindo de apenas 1 cm de altura, produz aproximadamente 1 x 10-7 J. Com essa energia seria possível provocar: 3. 1x10-7/2x10-18 = 50x109 UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 25 Ou seja, 50 trilhões de pulsos luminosos! Essa quantidade seria suficiente para impressionar, de sobra, os olhos de todos os habitantes humanos da Terra, desde os primórdios da civilização, até hoje. A variação da sensibilidade de claro-escuro, como entre um dia ensolarado e uma noite de luar, permite uma faixa de percepção da ordem de milhões de vezes. Calcula-se que os limites máximos e mínino estão em faixa de 10 bilhões de vezes de variação da intensidade luminosa. Apenas 30 vezes cabe à iris, e restando 330 milhões de vezes para a retina. Devido à faixa de energia da visão fotópica e escotópica, o uso de óculos de lentes vermelhas facilita a adaptação ao escuro, porque preserva a visão dos bastonetes, permitindo a visão pelos cones. Os radiologistas usam esses óculos para facilitar essa adaptação. No homem a opsina dos bastonetes (rodopsina) tem resposta máxima em estímulo luminoso de comprimento de onda ao redor de 500 nanômetros. Os cones em humanos possuem três diferentes fotopigmentos, com absorção máxima de comprimentos de onda em 420, 535 e 565 nanômetros. acomodação – Visão Para Perto e Para longe No olho de visão normal, a imagem se forma sempre na retina. Para que isto aconteça, é necessário que o olho mude o seu poder dióptrico, conforme a distância do objeto, e esse mecanismo denominam-se acomodação. Nos humanos, esse mecanismo de acomodação se faz por mudanças da espessura do cristalino. Na visão para longe, o músculo ciliar tem sua fibras radiais contraídas, e as circulares relaxadas, diminuindo a convergência da lente do olho. Na visão para perto, o fenômeno principal é o relaxamento das fibras radiais do músculo ciliar, e como causa coadjuvante, uma contração das fibras circulares, provocando um espaçamento do cristalino. Depois dessa acomodação para que imagem fique em cima da retina, essa imagem invertida é captada pelas células fotossensíveis e irá ser transmitida por impulsos nervosos até o nosso cérebro e ali será será decodificada e colocada na ordem certa. A acomodação varia com a idade, sendo máxima na infância e mínima ou ausente, em idades mais avançadas. Uma criança de 10 anos pode ter seu ponto próximo de visão nítida a 7 cm (14 dioptrias). Entre 20 e 30 anos, o ponto próximo está a 25 cm (4 dioptrias). Dos 30 aos 40 anos, o ponto próximo vai se afastando, a ponto das pessoas terem que esticar o braço para poder ler. Essa condição é conhecida como presbiopia. O ponto próximo padrão é tomado, para um adulto normal, como 0,25 m. A acomodação (DA) medida em dioptrias, é igual ao ponto próximo padrão (DP), menos o ponto próximo capaz de ser focalizado pelo indivíduo (DL). DA = DP – DL Nos indivíduos de visão normal, DL = 0. Nos adultos, DP = 4 como valor padrão. 26 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Essa fórmula é útil para determinar correções necessárias em defeitos de refração. V i s ão e s t e r e o s có P i c a e de P r o f u n d i da d e Uma das características importantes da visão é a avaliação da distância dos objetos. Essa percepção se faz por três mecanismos: 1º Determinação da distância pelo tamanho relativo dos objetos – É possível dizer se um indivíduo está longe ou perto, pela simples avaliação do tamanho aparente. Isto ocorre porque temos noção prévia da altura dos seres humanos. O mesmo ocorre com objetos mais comuns, como veículos, edifícios, etc. 2º Determinação das distâncias pela paralaxe móvel – O deslocamento de paralaxe de visão de um objeto, quando este, ou o observador se move, permite um julgamento das distâncias desses objetos. Esse efeito é perceptível quando giramos a cabeça lentamente, olhando objetos próximos e distantes: os próximos parecem se deslocar rapidamente. Contemplar o vôo de um avião dá uma ideia nítida desse efeito. 3º Estereopsia ou Visão Estereoscópica – Como os olhos são separados de 50 a 70 mm, as imagens que se formam em cada olho são diferentes. O cérebro decodifica essas mensagens, da mesma forma que um estereoscópico. Esse mecanismo é apenas auxiliar na visão de profundidade, e devido à pequena distância de separação dos globos oculares, não é eficaz em distâncias superiores a 50 ou 60 metros. a nomalias da V isão – c or r eç ão d ióP tr ic a As anomalias da visão podem ser classificadas em anomalias da refração, da geometria óptica, e da visão de cones. A curvatura e o índice de refração de uma lente definem sua potência que é expressa em dioptrias (D). Entende-se por refração a deflexão da luz quando esta passa de um meio para o outro de diferente densidade óptica. Índice de refração é a razão entre a velocidade da luz no vácuo e essa velocidade no meio considerado. Nos aparelhos ópticos a imagem é mantida em foco movimentando-se a lente em relação ao objeto, enquanto no olho o cristalino modifica sua potência ou D, alterando sua forma a fim de manter a imagem em foco sobre a retina. Essa mudança de forma é chamada acomodação visual. Em outras palavras. Toda lente de vidro apresenta distância focal constante, enquanto o cristalino consegue modificá-la. O olho é denominado emétrope quando em repouso consegue focar sobre a retina a luz dos raios paralelos, isto é, quando a imagem de um objeto distante se foca na retina. Se não se forma no foco, o olho é dito amétrope. A ametropia ocorre em consequência de erros na refração (por ex., cristalino com potência muito baixa ou muito UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 27 alta ou, ainda, globo ocular muito achatado ou muito alongado). Se feixes paralelos que incidem sobre o olho em repouso fizerem foco na frente da retina, o olho amétrope é então denominado míope; se aqueles raios formarem foco atrás da retina, o olho é hipermétrope (estado de hiperopia). • emetroPia É o estado refrativo normal do olho, e se define assim: 1. Sem acomodação, o ponto distante de visão nítida está no infinito. 2. Com acomodação, o ponto próximo de visão nítida está a 0,25 m. 3. A imagem não é deformada. Isto significa que, com o olho não acomodado, os raios paralelos que incidem na córnea, ou raios divergentes que penetram no mecanismo refrativo do olho, são focalizados na retina, sem deformação. • ametroPia • • mioPia São os desvios do estado emétrope, e se classificam em quatro grandes categorias: A imagem é focalizada antes da retina. Isto quer dizer que o ponto distante não está no infinito, e se aproximou do ponto próximo. A correção da miopia se faz através de lentes divergentes, que devolvem a imagem do objeto para o infinito. A miopia ocorre por defeito da refração, que se torna excessiva, ou por defeitos de curvatura da córnea, ou do globo ocular. A correção com lentes divergentes é simples. Na visão emétrope, os raios devem vir do infinito. Colocando-se uma lente divergente de grau adequado, pode-se obter uma imagem virtual do objeto, que venha do infinito. • HiPeroPia ou HiPermetroPia Nesse caso, imagem de raios paralelos se focaliza depois da retina, e imagens de objetos menos distantes podem ser focalizadas corretamente, apenas se houver alguma acomodação restante. É causada por uma deficiência nos meios refrativos, ou alterações nos meios refrativos, ou alterações na curvatura do globo ocular. O efeito é de afastamento do ponto próximo, e a correção se faz com o uso de lentes convergentes, que fornecem uma imagem virtual do objeto, no ponto próximo normal. As pessoas com hiperopia não conseguem obter imagens nítidas de objetos próximos e, para ler, cada vez mais afastam o texto dos olhos. Trabalhos manuais tornam-se extremamente difíceis. A correção com lentes convergentes é, entretanto, bastante simples. 28 | Ciências Naturais e Matemática | UAB • P r e s B i o P i a É a perda da acomodação com a idade. Como já vimos a acomodação varia de 14 a 4 dioptrias (7 a 25 cm), e sua correção é feita de modo semelhante à hiperopia. A presbiopia, da mesma forma que a hiperopia, dificulta o trabalho manual e a leitura, porque é necessária uma distância maior para uma visão de detalhe, e nessa distância maior, a imagem formada é muito pequena. A perda da acomodação exige a correção para a visão de perto, tanto de pessoas hiperopias, como de míopes. Nesses casos, as lentes bifocais são um recurso melhor, porque apresentam uma parte superior com menos dioptrias (visão para longe), E uma parte inferior com mais dioptrias (visão para perto). As lentes multifocais são ainda mais aperfeiçoadas, porque apresentam foco para distâncias intermediárias entre a visão de perto e do infinito. • a s t i g m at i s m o É a formação de imagem com efeito de lente cilíndrica. O astigma (a = não; stigmos = ponto), é a condição de imagem não pontual. A causa mais comum é a deformação de um dos raios de curvatura da córnea. O estigmatismo pode ocorrer dentro de vários ângulos do campo de visão. O estigmata vê como difuso e pouco focado o diâmetro no qual tem efeito cilíndrico. O uso de lentes cilíndricas opostas ao efeito astigma é o processo de correção usado. A lente deve ter a mesma dioptria, com ângulo perpendicular ao efeito da visão. a Vi são dos animais Ainda não se sabe com segurança o que um animal consegue perceber por meio da visão. Todavia estudos comportamentais, bioquímicos, eletrofisiológicos e anatômicos permitiram ter-se uma ideia de como a visão dos animais se compara à do homem. Acredita-se que primatas, aves, répteis, anfíbios e peixes distinguem as cores de maneira mais ampla do que os mamíferos domésticos. Por exemplo. Os cones nos felinos são extraordinariamente sensíveis ao verde: assim os gatos diferenciam o azul do cinza ou verde na maior parte das vezes, desde que os estímulos atinjam amplo ângulo visual. As aves de rapina que possuem mais de uma fóvea apresentam excelente resolução, em virtude de estarem os cones estrategicamente localizados. Assim, algumas espécies de aves apresentam a fóvea estriada, situada na porção dorsal do fundus, que lhes permite visualizar bem a topografia do solo ou da água em busca de presas. Chama-se fóvea uma área que, submetida a uma luminosidade adequada, apresenta alta acuidade visual. A fóvea de primatas e aves encerra somente cones, e nela a relação entre cones e células bipolares são de 1:1 (ausência de convergência). Os mamíferos domésticos carecem de fóveas, porém possuem zonas centrais mais sensitivas e ricas em cones ou áreas estriadas com formato de pupila. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 29 A posição anatômica dos olhos na cabeça certamente exerce grande influencia na amplitude da visão. A área total que pode ser vista pelo olho é chamada de campo de visão. Os campos de visão dos dois olhos se sobrepõem na região central. Os olhos afastados dos herbívoros que servem de presa permitem-lhes uma visão panorâmica. Em algumas espécies de mamíferos (coelhos e equinos),as áreas localizadas imediatamente adiante do focinho e as que se encontram atrás dos membros posteriores ficam fora de seus campos de visão. Nos coelhos, o campo de visão binocular torna-se ainda menor na sua retaguarda, quando levantam a cabeça. Os equinos conseguem um campo de visão de 360 graus quando levantam a cabeça ou quando pastam. Campo de visão do equino. Quando os olhos são dirigidos para frente (não apontado), forma-se uma área cega diante das narinas. Quando são voltados para trás, porém no mesmo nível do corpo (não apontado), a área cega forma-se atrás do corpo do animal. Nosso conhecimento da visão de cores dos mamíferos está ainda limitado, e é ainda menor sobre mamíferos não-placentários. A maioria das espécies estudadas tem alguma forma de dicromacia baseada nos mecanismos de dois cones. A diferenciação da tricromacia em macacos e no homem é relativamente recente na escala evolutiva, e alguns primatas ainda têm apenas um tipo de cone. Esta simplicidade do estímulo visual de cones em algumas espécies contrasta com a complexidade em outros vertebrados, como pássaros e répteis, de retinas com grande dominância de cones. Ainda hoje, a transição evolutiva até as retinas modernas de mamíferos não está completamente elucidada. Todos os tipos de cones de mamíferos foram considerados isomórficos, até que se demonstrou em marsupiais a presença de uma variedade de cones, incluindo cones duplos e fotorreceptores com gotas de óleo. Estudos em gambás, incluindo testes comportamentais de discriminação cromática e registros eletrorretinográficos indicam alguma capacidade de visão de cores. O gambá sul-americano (Didelphis aurita) tem se mostrado interessante como animal experimental no estudo comparativo da fisiologia visual em mamíferos. O gênero Didelphis parece não ter se modificado muito ao longo do tempo, e fósseis do período Pleoceno já mostravam características atuais. Acredita-se que os marsupiais, assim como os monotremos e mamíferos insetívoros, tenham tido um ancestral comum. Por essa razão, o estudo do sistema visual de um marsupial resgata características dos primórdios da evolução dos mamíferos. Além disso, a retina do gambá compartilha características presentes na retina de répteis e aves, e seu conhecimento sugere possíveis transições sofridas pelo sistema visual ao longo da evolução das espécies, até o aparecimento de padrões retinianos dos mamíferos placentários modernos. A diversidade de fotorreceptores, fotopigmentos e gotículas de óleo presentes em répteis e aves podem refletir uma sequência evolutiva 30 | Ciências Naturais e Matemática | UAB relacionada ao hábito de vida diurno e à visão fotópica. A perda de gotículas de óleo em fotorreceptores de mamíferos placentários parece estar relacionada ao processo de seleção para a visão fotópica e cromática. Os mamíferos primitivos ocuparam nichos com hábitos de vida noturnos, induzindo uma diferenciação e otimização do sistema visual escotópico refletidas principalmente no aumento do número de bastonetes da retina. Comparando-se os sistemas fotópico e escotópico, o gambá apresenta um modelo retiniano que se superpõe aos dois grupos. Na maioria dos mamíferos, entretanto, estão presentes apenas dois sistemas fotópicos espectrais, que são as bases da visão dicromática um de cones sensíveis a comprimentos de onda curtos, e outro de cones sensíveis a comprimentos de onda médios a longos. Análise com microespectrofotometria determinou a sensibilidade espectral dos fotorreceptores de duas espécies marsupiais australianas, Tarsipes rostratus e Sminthopsis crassicaudata, representativas das duas maiores divisões taxonômicas dos marsupiais. Foram descritos três tipos de fotopigmentos de cone e um de bastonete em cada espécie, sendo a primeira evidência de visão tricromática em outro mamífero além de primatas. Os comprimentos de onda com absorbância máxima das opsinas de cones foram 557, 505 e aproximadamente 350 nm na primeira espécie; e 535, 509 e aproximadamente 350 nm na segunda. Os comprimentos de onda com absorbância máxima dos fotopigmentos de bastonete foram 502 e 512 nm em cada espécie, respectivamente. Foram descritas na retina do gambá sul-americano (Didelphis aurita) opsinas com diferentes sensibilidades espectrais, determinadas por método imuno-histoquímico, sugerindo a tricromacia neste animal. Este fundamento morfológico não tinha demonstração fisiológica registrada por eletrorreti(A) (B) nografia, até este estudo. co nsi der açõ es finais Um dos mais importantes meios de interação do homem com o mundo se faz através do espectro da radiação luminosa, ou seja, uma faixa compreendida entre a cor vermelha e a cor violeta. Esta interação só é possível devido a dois instrumentos altamente especializados, dispostos de forma mais ou menos simétrica ao plano sagital, plano que divide o corpo humano em lado direito e lado esquerdo, e modo que se consiga ter uma visão binocular, o que permite uma percepção tridimensional do mundo. Além disso, estes instrumentos têm sensores especializados na detecção das cores e na detecção da luminosidade, e consegue distinguir imagens se a sequência estiver abaixo de 10 imagens por segundo. Figura 3 – método do exame eletroFisiológico no gamba. (a) animal sob sedação com os eletrodos posicionados e (b) eletrorretinógraFo preparado para exame no setor de neuro–oFtalmologia do serViço de oFtalmologia, hospital uniVersitário clementino Fraga Filho. uFrJ. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 31 32 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Biofísica da aud iç ão 3 intro duç ão A Acústica é um ramo da Física definida como a ciência que estuda o som, esse estudo se divide em produção, transmissão e detecção e pode ser desenvolvido segundo dois aspectos: quando trata das vibrações e ondas mecânicas é chamada de Física Acústica e é denominada Acústica Fisiológica quando relacionada à sensação que o som produz nos indivíduos e às impressões que eles emitem ao receberem uma estimulação sonora em seus ouvidos. Para o físico, o som é uma forma de energia vibratória que se propaga em meios elásticos, já para um fisiologista interessa a maneira pela qual o som caminha pelas vias auditivas até atingir o cérebro. No entanto, para Garcia (1998) o som é definido como sendo a sensação percebida pelo cérebro que se relaciona com a chegada ao ouvido de ondas de vibrações mecânicas. Nesse trabalho vamos caracterizar a natureza da onda sonora, as propriedades do meio de propagação e abordar as grandezas físicas fundamentais como: o conceito de som, onda sonora e os mecanismos da audição dos seres vivos. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 33 Biofísica da aud i ç ão Grande parte das informações que o ser humano recebe é transmitida por ondas sonoras. Elas, normalmente, provêm do ambiente que nos cerca e são originadas em diversas fontes sonoras. O sistema auditivo dos animais permite a captação dessas ondas e o reconhecimento do conteúdo de informação que possuem. Além de participar da audição, o aparelho auditivo humano também está relacionado como equilíbrio do corpo. Os seres vivos captam e emitem sons. Desde insetos até os humanos, o som é um precioso agente de informação e comunicação. O ouvido humano é especialmente diferenciado para receber sons. Além da capacidade mediadora, a Audição permite ainda, sem uso do sentido semântico das palavras, a transmissão de mensagens emocionais NOBRE, (2007). História da acústica O termo “Acústica” segundo Dimarogonas (1996) foi usado pela primeira vez no inicio do século XVIII por Joseph Sauveur, um deficiente auditivo, mas foi a partir de Euler que os estudos da Acústica como ciência foram desenvolvidos. Em seu trabalho, desenvolveu a teoria de propagação sonora e aprofundou suas bases na Física e na Matemática. Durante a época, o campo teórico começou a receber uma estrutura física definida, onde as equações de onda abrangem um grande número de explicações, inclusive o da propagação do som no ar. Laplace, modificando as equações de onda descritas por Newton, conseguiu obter o valor de 320 m/s para a velocidade do som no ar, porém foi com Lord Rayleigh, estudando a sensibilidade dos sistemas auditivos, é que foram consolidadas as bases cientificas da acústica. Em um desses estudos observou um deficiente visual que, depois de treinado, era capaz de avaliar não somente o tamanho de um quarto como também andar em lugares acidentados sem dificuldades através dos ecos da sua própria voz ou do som dos seus passos. Outro célebre pesquisador que também desenvolveu estudos na área da acústica foi Fourier. Seu trabalho sobre calor resultou no teorema que leva seu nome e foi usado por Ohm para desenvolver problemas de acústica. Posteriormente, Helmoltz fisiologista, anatomista e Físico resolveu um dos problemas descritos por Ohm sobre a analise harmônica que defendia a sensibilidade dos sistemas auditivos somente como as vibrações senoídais1 e publicou a teoria de ressonância do ouvido, relacionando com a discriminação dos sons na cóclea. Para Nepomuceno (1994) e Wever (2002) as teorias sobre som proposta nos séculos XVIII e XIX eram incompletas, contudo a maior parte dos problemas já foram 1. Senoidais: Denomina-se onda senoidal que resulta de um movimento harmônico simples, proveniente de uma relação que contem uma função de seno. 34 | Ciências Naturais e Matemática | UAB corrigidos por teóricos modernos como Fletcher e Munson, que publicaram trabalhos sobre as curvas isoaudíveis e que descrevem a sensibilidade do sistema auditivo às diferentes frequências sonoras, BèKèsy estudou os mecanismos internos de estimulação física da cóclea e Stevem e Gloring garantiram a continuidade dos estudos validos até nos dias de hoje. Hoje temos inúmeros aparelhos que emitem sinais sonoros que estão no nosso dia a dia para o nosso conforto, como o ultra-som, usado na medicina, que estabelece técnicas importantes para diagnósticos e para o prognóstico (Nepomuceno, 1968). A detecção de catarata e cálculos renais são também é feita através de ultrassom. Até o estudo do coração e de algumas patologias pode ser feito através de vibrações de altas frequências. As ultra-sonografias, a Audiometria 2, a Analise das emissões otoacústica3 a observação dos potencias auditivos evocados e os testes de processamento auditivo central, são algumas das recém aplicações da Acústica na área médica. f e n ô m e n o s o n d u l at ó r i o s Para começar nosso estudo sobre a biofísica da audição vamos rever alguns conhecimentos da Física. Na natureza existe uma variedade de fenômenos ondulatórios que são captados por nosso órgão sensorial: O ouvido. As ondas apresentam uma característica comum ao fato de transportar energia pelo espaço sem transportar matéria. Podem ser entendida como uma perturbação, abalo ou distúrbio transmitido através no vácuo ou de um meio material, há uma variedades de ondas, como por exemplo: onda do mar, onda em corda, ondas eletromagnéticas e sonoras etc. Estas ondas possuem uma mesma característica a de transmitir energia e não matéria e essas ondas possuir oscilações variáveis que propagam através do espaço (Figura 4). A A x Figura 4 – representação da propagação da onda . Fonte: russo,i.c.p., acústica e psicoacústica aplicada à Fonoaudiologia. As ondas mecânicas são aquelas que se propagam em meios deformáveis ou elásticos como o ar. Essas ondas resultam de uma perturbação em uma região do meio e 2. Audiometria: Mede a acuidade auditiva do individuo e determinam a área de sensibilidade do ouvido humano. 3. Otoacústica: São os procedimentos importantes nos diagnósticos das patologias que afetam as vias auditivas. É o mais novo método para a detecção de alterações auditivas de origem coclear. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 35 são transmitidas sucessivamente de um ponto a outro (as partículas do meio vibram somente em volta de sua posição de equilíbrio e se deslocam uniformemente). Já as ondas eletromagnéticas ou ondas não- mecânicas não precisam do meio para se propagar e são formadas pelas variações do campo elétrico e magnético. Na verdade os campos magnéticos geram campos elétricos, produzindo as vibrações, como a luz, as radiações ultravioletas e os infravermelhos, as características dessas ondas é que elas se propagam no vácuo. A onda sonora é o resultado de vibrações ou são produzidas por fontes sonoras capazes de produzir perturbações ou variações na densidade do meio ao seu redor e, como consequuência, diminuindo a pressão sonora. Pelo fato de as onda sonoras oscilarem na mesma direção de sua propagação, elas são longitudinais (além disso também são tridimensionais, pois sua propagação é feita em todas as direções), OKUMO e col., (1982). A figura 5 mostra as variações dos comprimentos de ondas sonoras de frequências diferentes, propagando-se no ar e na água em velocidades de propagação constantes. ar = 0,3 metro água = 1,2 metros f = 1,100 = 0,6 metro = 2,4 metros f = 550 0 0,45 0,90 1,35 1,80 0 0,45 0,90 1,35 1,80 Figura 5 – Variação do comprimento de onda em diFerentes meios. Fonte: russo,i.c.p., acústica e psicoacústica aplicada à Fonoaudiologia. O movimento ondulatório revela a existência de pontos imóveis em suas posições - denominados nós ou nodos de vibração, onde a amplitude é nula. Entre os nós e com crescente afastamento dos mesmos, encontram-se os ventres de vibrações - onde a amplitude é máxima. Quando o ventre está voltado para cima é chamado de crista e quando pra baixo de vale. A distância entre duas cristas ou dois vales consecutivos é denominada compri36 | Ciências Naturais e Matemática | UAB mento de onda (Figura 4). Muitos corpos podem funcionar como fonte sonora, porém são precisas duas propriedades físicas: a massa e a elasticidade. Devido ao fato das estruturas moleculares terem essas propriedades, são capazes de funcionar tanto como fonte de um som quanto como meio para sua transmissão (SPEAKS, 1992). Massa é a quantidade de matéria que está presente ou o elemento de um sistema mecânico que representa a matéria que o corpo possui, não confundir com peso, pois este refere-se à força gravitacional de atração exercida pela Terra sobre os corpos. Peso é uma força e massa é a quantidade de matéria presente. Devido à força de gravidade, as moléculas da atmosfera acumulam-se próximas à superfície da Terra; há, portanto, uma pressão exercida para baixo de modo que as moléculas são comprimidas em um menor volume - o que aumenta a densidade (o conceito de densidade é entendido como a quantidade de massa por unidade de volume). Elasticidade é a propriedade que permite a recuperação da distorção, tanto de forma quando do volume, ou seja, a possibilidade que os corpos tem de voltarem à forma e tamanho originais, uma vez retirada a força que os levou à deformação. O conceito de elasticidade é interessante para compreensão dos conceitos envolvidos na acústica. Uma fonte produz ondas sonoras que irradia por todos os lados em forma de esfera, que aumenta à medida que afasta dessa fonte. Então, com o aumento da distância das esferas em relação ao centro da fonte sonora a potência do som4 irá diminuir. Dessa forma, a intensidade do som ira ser maior próximo à fonte e menor à medida que o ouvinte se afasta da mesma. dimensões • f r e q u ê n c i a e da onda sonora Período Denomina-se frequência o número de ciclos que as partículas materiais realizam em 1 segundo. A expressão ciclo por segundo foi substituída por hertz (Hz) em homenagem ao físico alemão Heinrich Hertz, sendo esta a unidade de frequência usada no sistema internacional de medidas SI. Já o período é definido como a quantidade de tempo em segundos para as partículas materiais completarem 1 ciclo. Frequência e período são reciprocamente relacionados. f= 1 "T= 1 T f Podemos dizer que a frequência (f) é o inverso do período (T). Se a frequência é expressa em hertz, o período é medido em segundos. 4. Potência do Som: A Taxa na qual a energia sonora é transferida através do meio é denominado de potência acústica, ou seja, é taxa na qual o trabalho é realizado ou a taxa na qual a energia é transformada ou transferida. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 37 • fa i X a de aud i ç ão Teoricamente existem ondas sonoras de qualquer frequência, porém o ouvido humano é sensível aos sons na faixa de 20 Hz a 20000 Hz denominada de faixa audível. Ondas sonoras situadas abaixo de 20 Hz são chamadas de infra-som e acima de 20000 Hz de ultra-som. Abaixo uma tabela com as faixas de audição para alguns animais. ta B e l a 5 – f a i X a a nim ais de audiç ão F r e Q u ê n c i a ( h z) Gatos Cães Golfinhos Morcegos 10 Hz a 60.000 Hz 15 Hz a 50.000 Hz 10.000 Hz a 240.000 Hz 10.000 Hz a 120.000 Hz Como podemos notar na tabela 5, os golfinhos e morcegos são animais que possuem uma faixa de audição ampla. Estes animais conseguem ouvir sons na faixa do ultrassom que eles próprios emitem. Através da observação desses animais teve-se a idéiaideia do desenvolvimento do sonar durante a segunda Guerra Mundial, visando a detecção de objetos subaquáticos localizados a grandes profundidades. Como o ultrassom está na faixa acima da faixa do audível do ser humano, pode ser usado com intensidades pequenas ou altas. Em intensidades baixas o ultra-ssom visa a transmissão de energia ao meio; em intensidades elevadas, visa a produção de alterações no meio (OKUMO e col., 1982). • q ualidade da o nda sonor a As dimensões da onda sonora estão relacionadas às qualidades dessa onda: altura, intensidade e timbre. (embora o timbre seja uma qualidade não do som, mas da fonte que produz o som). Altura é a qualidade relacionada à frequência da onda sonora que , por sua vez, permite classificá-la em uma escala que varia do grave ao agudo. Quanto maior a frequência mais agudo é o som. Quanto menor for a frequência mais grave ele será. É importante notar que os termos alto e baixo referem-se a ondas sonoras de alta e baixa frequência sendo equivalente aos termos agudo e grave e não à intensidade sonora como é empregado erroneamente. Intensidade é outra qualidade relacionada à amplitude da onda sonora. Quanto à pressão efetiva e sua energia transportada permite–nos classificá-la dentro de uma escala que varia do fraco ao forte. Dessa forma, quanto maior for à amplitude, a pressão efetiva e a energia transportada pela onda sonora mais forte é o som; quando menor for a amplitude mais fraco será o som. Timbre não é uma qualidade do som, mas sim da fonte sonora. Com base nele, 38 | Ciências Naturais e Matemática | UAB podemos diferenciar notas musicais emitidas por instrumentos musicais diferentes. Essa característica contribue contribuei para as diversas frequências harmônicas de que se compõe um som chamado de complexo (RUSSO. Col., 1984). • V e l o c i d a d e d e P r o Pa g a ç ã o d o s o m As ondas sonoras propagam-se com velocidades diferentes dependendo das características do meio de propagação: enquanto a frequência depende da fonte, a velocidade depende do meio. Dessa forma, a rapidez ou a lentidão da onda sonora depende fundamentalmente da elasticidade e da densidade do meio. Por que quando está chovendo vemos primeiro o raio e só depois ouvimos o trovão? Essa diferença está na velocidade de propagação:, enquanto a luz viaja a aproximadamente 300.000 km/s, a velocidade do som ao nível do mar (à temperatura de 0 °C) é de 331,2 m/s. Por isso, vemos primeiro o raio e só depois de um tempo ouvimos o trovão. Algo importante é observar que a temperatura influencia na velocidade de propagação do som. Mudança na temperatura do ar afeta essa velocidade de propagação do som, ou seja,, à medida que a temperatura aumenta, a pressão do meio permanece constante, mas os gazes expandem-se e diminui a densidade do meio. Dessa forma, a velocidade de propagação da onda sonora aumenta em aproximadamente 0,61 m/s à medida que a temperatura aumenta. A velocidade de propagação do som no ar usualmente empregada é aquela obtida a 20°C que equivale a 343,2 m/s ou 340 m/s. ta B e l a 6 – P r o Pa g a ç ã o Vapor de água Hidrogênio Água destilada Água do mar Cobre Aço Alumínio m eio do som em meios diferentes 405 1.261 1.405 1.461 3.560 4.704 5.105 Ve l o c i d a d e ( m /s) Temos que analisar não só a densidade do meio, mas também a elasticidade, ou seja, a habilidade de resistir à deformação. O aço certamente oferece maior resistência á à deformação do que a água. De fato, o aço é menos elástico do que o ar e a água, resultando a em uma velocidade de propagação muito maior do que ambos os meios (RUSSO e col., 1984). • P r e s s ã o s o n o r a No processo de propagação das ondas sonoras dá se o efeito da variação da pressão do ar produzida por uma sonora. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 39 Superfície vibrante Acúmulo +p Zero relativo -p Compressão Rarefação Depressão Espaço Figura 6 – diagrama esQuemático da situação Física das partículas do som, mostrando a pressão em cada ponto. (Fonte: russo, 1999. acústica e psicoacústica aplicada a Fonoaudiologia) A figura 6 ilustra a situação física das partículas de ar durante o processo de propagação do som, mostrando o gráfico indicativo do processo em cada ponto. Quando uma corda (de violão, por exemplo) está em repouso as partículas de ar próximas encontram-se em repouso, apresentando apenas o movimento desordenado aleatório gerado pela pressão atmosférica. No momento em que a corda é tocada ela inicia um movimento ordenado de vibração acompanhado pelas partículas de ar que a circundam. Esse movimento ordenado se sobrepõe ao anterior (desordenado) e como consequência, a pressão atmosférica5 se altera. Assim o movimento vibratório gera regiões de depressão (rarefação) e regiões de compressão, criando ondas de pressão, cujo valor é superior ou inferior ao da pressão atmosférica. f i lt r o s acústicos n at u r a i s Na natureza temos vários exemplos de filtros acústicos naturais: as arvores podem filtrar passivamente algumas frequências de um som produzido por um avião que as sobrevoa; semelhantemente, estruturas do corpo humano como os ombros e a cabeça, a orelha externa e a membrana timpânica, são também filtros acústicos naturais, os quais participam da fisiologia da audição, alterando as características físicas dos sons percebidos pelo homem, como afirma Zerlim (2000). Para Pereira & Schochat (1997) a existência de tais estruturas auxilia na proteção auditiva e na compreensão de sons complexos (qualquer onda sonora composta de uma serie de senoides simples que podem diferir em amplitude, frequência ou fase). A voz humana e o som produzido por 5. Pressão Atmosférica: A atmosfera é uma camada de gases e partículas em suspensão presa à Terra pela força da gravidade. Por ter peso ela exerce uma pressão sobre a superfície terrestre. Esta pressão é chamada pressão atmosférica e sua unidade de medida é o hectopascal. 40 | Ciências Naturais e Matemática | UAB instrumentos musicais são bons exemplos de sons complexos, ou seja, constituídos por mais de uma frequência. Nepomuceno (1968) argumenta que a recepção dos sons pela orelhas é caracterizada pelas diferenças binaurais, ou seja, está relacionado às duas orelhas. A audição binaural, juntamente com a filtragem de frequências, permite aos seres humanos e aos animais determinar a direção da origem dos sons. Quando sons gerados por uma fonte sonora que se encontra na extrema direita ou na extrema esquerda com frequências altas, acima de 3.000 Hz, atingem uma das orelhas, a cabeça funciona como filtro, modificando o sinal que chega na outra orelha – isso é conhecido como efeito de sombra. Para Zerlim (2000), a cabeça, os ombros e os pavilhões auditivos podem alterar as propriedades sonoras, podendo ocorrer fenômenos ondulatórios como reflexão6, refração7 e difração8, o que auxilia na detecção da distância e da direção do som. Além destas estruturas, o tronco, os cabelos, o meato acústico externo, as membranas timpânicas e diversas outras estruturas anatômicas também atuam como filtros acústicos naturais. Ba s e s fí s i c a s da audiç ão Podemos dizer que o ouvido humano possui três diferentes funções, as quais podemos identificar como sendo: transmissora – permite através dos mecanismos certos, transmitir energia acústica que é captada; protetora – possui em seus mecanismos elementos que protegem a orelha interna contra intensidades sonoras excessivas e transdutora – porque transforma a energia mecânica recebida em energia elétrica e nervosa. No passado, chamávamos de ouvido a parte interna e a parte externa de orelha, mas agora chamamos apenas de orelha e temos essas três divisões: a orelha externa, orelha média e orelha interna. A figura 7 Orelha Externa Orelha Média a seguir deixa claro como se dá a divisão da orelha humana. É interessante notar que a orelha externa e média constitui o aparelho de condução ou transmissão dos sons, já a orelha Ossículos interna é responsável pela percepção de tais sons. Orelha Interna Canais Semicirculares Otólitos Nervo Auditivo • o r e l H a eXterna Pavilhão Auditivo Nossa orelha externa vai desde o pavilhão auricular até a membrana timpânica. Uma das suas principais funções é proteger o tímpano, tanto por esquentar o ar como por impedir a entrada de pó e de insetos através da presença de pelos e de cerúmen. A orelha externa é responsável também por coletar e C ond u d it iv to Au Tímpano o Cóclea Trompa de Eustáquio 6. Reflexão: Propriedade que a onda retorna a fonte sem a mudança na velocidade de propagação. Essas ondas permanecem no mesmo meio de origem. 7. Refração: Quando uma onda sonora penetra em outro meio ou encontra mudança nas condições de um meio que causem alteração na velocidade de propagação, incluindo o raio de incidência. 8. Difração: Mudança na direção de propagação da onda sonora, desviando ou contornando um obstáculo. Figura 7 – representação da diVisão da orelha em: orelha externa; orelha média e orelha interna. Fonte: Wikipédia. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 41 Martelo Bigorna Canais Semicirculares Nervo Acústico Caracol localizar os sons do ambiente, enviando-os para o conduto auditivo. Dentro do conduto auditivo os sons viajam até encontrarem a membrana timpânica, Pavilhão Tímpano vibrando-a. Tr om pa Segundo Heneine (2000) a captação e a condução do som é feita prinde ivo Eu Aud it nduto st Co áq cipalmente pelo pavilhão auricular, embora grande parte dos sons audíveis ui o não possa ser refletida por esta estrutura, pois ela é menor que a maioria dos Figura 8 – orelha externa. comprimentos de onda destes sons. Então, a onda é refratada e difratada em direção ao conduto auditivo externo. Como as ondas sonoras podem provocar variações de pressão, estas, ao se chocarem com o tímpano, fazem com que ele vibre, reproduzindo assim as ondas sonoras. Quando essas ondas param, a membrana timpânica também para de vibrar, funcionando como um amortecedor para sons muito fortes. Entretanto, Zemlin (2000) alerta para o fato de o conduto auditivo externo ser fechado pela membrana timpânica que, sendo complacente, não só reflete o som, mas também o transmite. Tal complacência ainda aumenta a faixa de frequências que podem ser amplificadas. Sabe-se, pela Física, que a energia percorre o ar até atingir um meio de maior resistência acústica, que no caso é a membrana timpânica. Como todas as ondas que passam de um meio de menos elasticidade e densidade diferente para outro, a maior parte de sua energia vai ser refletida, ou seja, apenas uma pequena parte do som vai atravessar a membrana timpânica. Assim, Garcia (1998) considera a transmissão sonora do ar para o líquido da orelha interna um dos problemas fundamentais do aparelho auditivo, pois a diferença entre a densidade e a elasticidade destes dois meios provoca uma considerável perda na propagação do som. Entretanto, as estruturas da orelha média não permitem que ocorra esta perda de transmissão. Martelo Bigorna Canais Semicirculares Nervo Acústico Caracol • orelHa média A orelha média é uma cavidade cheia de ar que vai desde a membrana timpânica até as janelas redonda e oval, entre as quais há uma saliência chamada promontório. Os movimentos vibratórios da membrana timpânica Pavilhão Tímpano Tr om provocam o deslocamento dos ossículos presentes na orelha média (martelo, pa de d it ivo Eu to Au u st bigorna e estribo). Tais ossículos transmitem a vibração sonora para a orelha C ond áq ui o interna. Na orelha média também está a tuba auditiva, que equaliza a pressão Figura 9 – orelha média. do ar entre as orelhas externa e média. A orelha média é composta pelas partes: membrana timpânica, ossículos, músculos e tuba auditiva. Ela tem como função transmitir os sons que chegam até ela para a orelha interna com uma intensidade aumentada. Por isso cada parte da orelha média desempenha um papel importante. A membrana timpânica embora rígida, geralmente se move, como um todo, em movimentos de vai e vem. Isso, porque as ondas sonoras provocam variações de pressão e estas, ao se chocarem com o tímpano fazem com que este vibre reproduzindo a forma 42 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Martelo Bigorna das ondas. Apesar da sua importância como amortecedor de sons muito fortes, podemos ouvir sem a membrana timpânica. Seu rompimento, por exemplo, não altera significativamente a audição. Os ossículos são compostos dos três menores ossos do nosso corpo humano: martelo, estribo e bigorna. Estão localizados após a membrana timpânica - que mantém contato com o martelo, que está ligado à bigorna, que por sua vez também se liga ao estribo, que se conecta, por fim na janela Estribo Figura 10 – representação da ligação oval. Esses ossículos se movimentam conforme a intensidade do som que entre os três menores ossos do nosso chega até eles, transmitindo o som para a janela oval. Esse movimento se dá corpo: martelo, estribo e bigorna. como se eles fossem um só bloco. Ao lado, na figura 10, podemos ver mais detalhadamente como se dá a junção desses três ossículos. É interessante notar que o centro de gravidade de nosso sistema condutor de som corresponde a uma linha traçada entre a extremidade do processo longo do martelo e o processo curto da bigorna. O músculo estapédio tende a tirar a base do estribo da janela oval e o músculo timpânico tende a empurrá-la mais para dentro, ao mesmo tempo em que distende o tímpano. O efeito das contrações simultâneas é o de restringir a movimentação da cadeia ossicular pelo aumento de rigidez do sistema. Esse efeito é chamado de reflexo acústico e uma das suas funções é de também proteger a orelha média. A tuba auditiva tem como função igualar à pressão do ar em ambas as faces do tímpano (esse equilíbrio ocorre através de bocejos ou da deglutição). Ela é o conduto que comunica a orelha à nasofaringe. Quando a tuba auditiva não exerce bem o seu papel, isso pode provocar deformação no tímpano e diminuição da audição. Isso pode ocorrer por diversas causas. Uma delas, por exemplo, é quando estamos gripados ou durante a decolagem e aterrissagem de um avião. Uma diferença muito grande de pressão de dentro ou de fora do ar pode fazer com que o tímpano se rompa. • o r e l H a interna A orelha interna está localizada numa escavação ou labirinto do osso Caracol temporal. Ela é composta de três partes, o vestíbulo, canais semicirculares e a cóclea. Onde o vestíbulo e os canais semicirculares são responsáveis pelo Pavilhão Tímpano nosso equilíbrio e a cóclea é responsável pela audição. Tr om pa de As cavidades por si só constituem o chamado labirinto ósseo, cuja forit ivo d Eu to Au u st C ond áq ma é acompanhada pelas estruturas membranosas tubulares que abrangem ui o o labirinto membranoso. O labirinto ósseo é preenchido por um líquido Figura 11 – orelha interna. semelhante a um licor, denominado perilinfa. O labirinto membranoso como que flutua dentro desse liquido, mas também é preenchido por outro liquido, a endolinfa. Esta “regra” vale para todas as partes da orelha interna. Na orelha interna, a energia transportada pelo estimulo sonoro será convertida em um sinal elétrico, ou seja, deixa de ser onda. Este sinal elétrico será levado ao córtex auditivo. A cóclea também atua como um microfone, reproduzindo a forma da onda Martelo Bigorna Canais Semicirculares Nervo Acústico UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 43 Rampa vestibular Membrana tectoria Cúpula sonora original transduzida em sua correspondente eletronervosa e Rampa esse é o chamado microfonismo coclear. timpânica A cóclea tem a forma de um tubo fechado numa das suas extreMembrana midades. Todas as estruturas anatômicas da cóclea seguem o formato Rampa timpânica basilar (perilinfa) espiral. Se a imaginarmos desenrolada, os três tubos cocleares têm disposição paralela. A parte superior da cóclea, ou rampa vestibular, comuniFigura 12 – a cóclea e suas partes. ca-se com a orelha média através da janela oval. A parte média da cóclea, ou canal coclear, se comunica com a orelha média através da janela redonda. Já na parte inferior da cóclea, ou rampa timpânica, se comunica com a orelha média através da janela redonda. O vestíbulo é uma cavidade oval situada imediatamente atrás da cóclea, com o qual se comunica amplamente. Já os canais semicirculares são em número de três de cada lado: um horizontal e dois verticais. Cada canal se curva sobre si mesmo, formando um semicírculo que tem duas extremidades, sendo uma delas mais alargada (a extremidade ampular ou ampola do canal semicircular). Estas extremidades se abrem no vestíbulo. Canal coclear • caminHo Pa r a o c é r e B r o Para que o som chegue até o nosso cérebro, é preciso que cada parte de nossa orelha esteja funcionando perfeitamente. Isso se dá desde a orelha externa e média, que transmite as ondas sonoras, até que elas sejam transformadas em eletro nervosas em nossa orelha interna. Para isso as ondas que chegam à nossa orelha externa e média têm que ter a amplitude correta para que na hora em que ocorra a sua transformação, esta seja da forma mais eficiente possível. O cérebro, por sua vez, avalia os vários aspectos quantitativos e qualitativos da informação sonora que lhe chegam, interpretando, discriminando, memorizando, ... enfim, processando aquela que será a resposta auditiva manifestada por todos aqueles que, como nós, podem apreciar a maravilha de ouvir e ser ouvido. • audiç ão animal Os animais desenvolveram do ponto de vista evolutivo, uma variedade de órgãos sensitivos capazes de perceber estímulos mecânicos. Estes receptores variam desde simples terminais táteis na pele, até estruturas complexas e altamente especializadas. Segundo Tristão (1997), a habilidade em orientar-se pelo som está presente em todos os animais vertebrados de sangue quente, além de várias espécies de peixes, anfíbios, répteis e insetos. • audiç ão dos inVerteBrados Na maior parte dos grupos taxonômicos são encontrados sistemas de percepção das vibrações sonoras com diversos graus de desenvolvimento. Nos invertebrados, há 44 | Ciências Naturais e Matemática | UAB algumas espécies que apresentam sistemas auditivos constituídos por vesículas destinadas à audição, denominadas estatocistos ou otocistos, vinculadas também à manutenção do equilíbrio e ao deslocamento do organismo. Wever (2002) afirma que alguns insetos têm a capacidade de ouvir. Órgãos auditivos têm sido encontrados nos insetos, localizados em diferentes posições anatômicas como tórax, abdome, patas e cabeças (mosquitos). Em insetos como grilos e gafanhotos, os ouvidos estão presentes e a habilidade em perceber os sons é comprovada. Nos gafanhotos e também nas cigarras, o ouvido é encontrado no primeiro segmento do abdome. Já em algumas espécies de mariposas ele localiza-se na segunda parte do tórax. Por fim, os mosquitos são os únicos insetos voadores conhecidos que possuem órgãos auditivos que são encontrados na cabeça, especificamente nas antenas. Existem evidências ainda de que os mosquitos, especialmente os machos, possuem estruturas na base das antenas que provavelmente servem como mecanorreceptores, e que a movimentação independente de cada uma delas funciona como detectores de deslocamento das vibrações mecânicas individuais. Assim, a localização da origem do som dá-se através de um processo de análise vetorial destas ondas, caracterizando um tipo primitivo de audição binaural. O autor cita também que pesquisas realizadas com audição de insetos, através de métodos eletrofisiológicos em algumas espécies de grilos, mostram os impulsos até um gânglio no tórax. Foram obtidas respostas elétricas máximas para as baixas frequências, entre 3 kHz e 5kHz e para altas frequências, em 30 kHz. Tais respostas sugerem que a audição destes insetos provavelmente tem seus limites entre 3 kHz e 30 kHz. Este método também mostrou que as aranhas, sem dúvida, são sensíveis a vibrações mecânicas para uma faixa de frequência que varia entre 20 Hz e 45 kHz. Além disso, os estudos comportamentais já mostravam que alguns tipos de aranhas abandonavam a teia quando expostas a sons superiores a 1 kHz ou muito intensos, evidenciando hao bilidades para a diferenciação da tonalidade e da sonoridade. Figura 13 – gaFanhoto • a u d i ç ã o dos Ve r t e B r a d o s Wever (1974) sugere que todos os vertebrados possuem basicamente dois mecanorreceptores, um de cada lado da cabeça. Esse mecanoreceptor é o labirinto, formado por inúmeros terminais sensitivos que regulam o tônus muscular e determinam a posição e os movimentos do corpo e da cabeça. Fay & Feng (1987) observaram, estudando vertebrados não- mamíferos, que algumas espécies eram capazes de localizar sons no espaço. Os peixes, por exemplo, localizam as fontes sonoras filtrando o sinal – ruído, baseado nas características direcionais diferentes para cada um dos órgãos receptores (dentro de uma faixa de frequência entre 50 Hz e 1 kHz, para a maioria destes animais). Além da linha que acusa vibrações da água e alguns sons emitidos por outros UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 45 Figura 14 – anFíbio animais, os peixes apresentam o ouvido interno, o qual está mais relacionado ao equilíbrio do que a audição. Quanto aos anfíbios, segundo Wever (2002), sabe-se, por exemplo, que as salamandras, e algumas espécies de sapos, possuem respostas comportamentais a estímulos sonoros, que sugerem audição para baixas frequências - sendo a faixa de frequência audível para as salamandras abaixo de 224 Hz e para os sapos entre 50 Hz e 3 kHz. O ouvido interno dos anfíbios é semelhante ao dos peixes. Os anfíbios, porém, também possuem ouvido médio – um tubo cheio de ar que comunica a parede do sáculo com a superfície do corpo. A abertura exterior do ouvido médio é guarnecida pela membrana timpânica. No interior do ouvido médio dos anfíbios existe um pequeno osso cujas extremidades ficam presas à membrana timpânica e à pa rede do sáculo. Os sons fazem a membrana timpânica vibrar e, com isso, o ossículo do ouvido médio também vibra, transmitindo a vibração à parede do sáculo e ao líquido presente em seu interior. Isso estimula as células sensoriais ciliadas a gerar impulsos nervosos que, atingindo o centro auditivo do encéfalo, produzem a sensação de sons. Os répteis, (do latim reptare, ‘rastejar’) abrangem cerca de 7 mil espécies conhecidas. Eles surgiram há cerca de 300 milhões de anos, tendo provavelmente evoluído de certos anfíbios. Foram os primeiros vertebrados efetivamente adaptados à vida em lugares secos, embora alguns animais deste grupo, como as tartarugas, sejam aquáticos. A Terra já abrigou formas gigantescas de répteis, como os dinossauros. Hoje esse grupo é representado por animais de porte relativamente menor, como os jacarés, tartarugas, cobras e lagartos. Embora os répteis não tenham orelha externa, alguns deles apresentam conduto auditivo externo e curo que fica abaixo de uma dobra da pele, de cada lado da cabeça. Na extremidade de cada conduto auditivo situa-se o tímpano, que se comunica com a orelha média e a interna. Vários experimentos comprovam que a maioria dos répteis é capaz de ouvir diversos sons. Os répteis como as cobras, os lagartos, as tartarugas, e os crocodilos, apresentam diferentes tipos de aparelhos auditivos. Entre os lagartos, que têm sistema auditivo similar ao humano, o número de células ciliadas é de aproximadamente 1600. A resposta auditiva destes animais varia entre 69 Hz e 8,2 kHz. A sensibilidade das cobras varia de acordo com a espécie, sendo maior para baixas frequências, entre 100 Hz e 700 Hz. Existem ainda boas evidências de que as tartarugas são sensíveis às baixas frequências e que em algumas espécies a acuidade é excelente na faixa que vai de 100 Hz a 1,2 kHz. Já os crocodilos possuem membrana timpânica, uma em cada lado da cabeça, sendo esta protegida por um mecanismo que fecha sua entrada quando o animal mergulha. A cóclea possui aproximadamente 11.000 células ciliadas e eles podem detectar frequências entre 20 Hz e 15 kHz. Nos pássaros sentido da audição é altamente desenvolvido. Elas conseguem uma amplitude de frequência de 40 a 9.000 Hz, chegando a distinguir as diferentes notas sonoras melhor do que o homem. Tal fato deve-se à presença de uma quantidade dez 46 | Ciências Naturais e Matemática | UAB vezes superior de células ciliadas por unidade de comprimento coclear do que a encontrada nos mamíferos (a cóclea do ouvido interno é um tubo curto que termina em fundo cego). A anatomia do aparelho auditivo externo leva ao tímpano (ou membrana timpânica); desse, um osso, a columela auris, transmite as ondas sonoras através da cavidade do ouvido médio até a janela oval do ouvido interno (da mesma forma que acontece com os anfíbios e répteis). De cada ouvido médio, uma trompa de Eustáquio dirige-se até a faringe, sendo que os dois possuem uma abertura comum no palato. Estudando as corujas, Beitel (1991) observou que estas eram capazes de localizar muito bem os sons situados no hemicampo espacial anterior, com erros em média de 7 graus, porém tinham maior dificuldade no hemicampo posterior, com média de erro de 41,1 graus. Esta rica capacidade em localizar sons, permite que estes animais capturem um rato sem nenhum apoio visual. Nos mamíferos, bem como nos répteis e aves, as estruturas responsáveis pela a audição são o ouvido externo, o ouvido médio e a cóclea. Os canais semicirculares, o sáculo e o utrículo, como já vimos, são responsáveis pelo equilíbrio. Gourevitch (1983) encontrou, ao comparar os mamíferos terrestres, que a acuidade em localizar sons, não necessariamente, era proporcional a diferenças no tamanho da cabeça e que tal localização, nos primatas inferiores, possivelmente é um fator importante para a comunicação. Figura 15 – pássaros • P e r c e P ç ã o s o n o r a dos animais Entre os mamíferos marinhos, uma atenção especial é dada às baleias. As baleias contam com a audição para se comunicar, para nadar e para se alimentar. Nas espécies Odontocetes, grupos de sons nasais de alta frequência são produzidos e as respostas captadas pelo sistema auditivo. Esta grande sensibilidade para altas frequências (ultrassônicas) permite que esta espécie de baleia desenvolva uma acurada percepção subaquática. Já as espécies Mysticetes não possuem localização ultrassônica, mas podem ouvir sons de baixíssimas frequências, o que permite uma comunicação à distância. Os golfinhos, por sua vez, possuem um córtex auditivo altamente desenvolvido Figura 16 – mamíFero: orca e o nervo acústico pode chegar a ter 67.900 fibras cocleares ou mais, o que permite a estes mamíferos responderem a tons entre 1 kHz e 150 kHz. Junto com baleias e tartaruga marinhas, os golfinhos são os animais aquáticos que mais despertam a simpatia dos homens. Mamíferos como nós, os golfinhos possuem inteligência espantosa. São capazes de se reconhecer em espelhos e têm até uma cultura: pesquisadores descobriram que os filhotes aprendem com as mães técnicas de caça que outros indivíduos da mesma espécie não conhecem. Os golfinhos são dotados de uma espécie de fala. Emitem sons pelo orifício respiratório, situado no Figura 17 – golFinho UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 47 Figura 18 – morcegos alto da cabeça, que servem para identificar cardumes de peixes e para comunicação com outros golfinhos. Um humano pode ser extremamente inteligente, mas se despender todo o seu tempo a tentar sobreviver, então não restará tempo para o pensamento. Tempo livre é então um grande fator, e os golfinhos têm-no em abundância. Em primeiro lugar, os golfinhos não dormem como nós, eles são capazes de «desligar» uma parte do cérebro por minutos numa determinada altura ao longo do dia. Muito raramente «desligam» o cérebro completamente. Isto é necessário porque os golfinhos necessitam de respirar ar pelo menos uma vez em cada 8 minutos. As únicas coisas que um golfinho faz é comer grandes quantidades de peixe e brincar. A comunicação entre espécies é também necessária. Os golfinhos usam uma linguagem por assobios que é 10 vezes mais rápida que a nossa fala e 10 vezes mais alta em frequência. Para que um golfinho falasse com a nossa velocidade, seria como se um humano tentasse falar com um trombone muito lento. Para um golfinho, tentando falar com a nossa frequência e velocidade, o resultado seria o seguinte: nós...fa...la...mos...mu...i... to...de...va...gar...!!! Wever (2002) descreve que a utilização da localização através de ecos foi estudada em alguns mamíferos marinhos, mas um maior número de pesquisas foi realizado com os morcegos. Os sons produzidos pela laringe dos morcegos são comumente intensos e com altíssimas frequências. Os sons emitidos são refletidos e modificam o espectro original permitindo a estes animais identificar a posição do objeto no espaço. A audição dos morcegos é muito variável e, dependendo da espécie, os limites audíveis estão entre 2,5 kHz, mais sensível em 10 kHz, e 70 kHz, com uma rápida perda de sensibilidade após os 40 kHz. Os morcegos são os campeões da navegação através do som. Este processo de orientação é chamado de ecolocação. A partir do eco de seus gritos, eles podem construir um quadro detalhado de seus obstáculos. Alguns morcegos têm uma audição tão sensível que conseguem detectar o som do bater das asas de um inseto. Com a emissão de guinchos agudos e em intervalos regulares, eles escutam os ecos que ricocheteiam no corpo dos insetos e podem, com precisão, localizar a posição da presa e a distância em que se encontra. Heffner & Heffner (1983) descobriram ao estudar cavalos, mamíferos de grande porte, que estes animais apesar de possuírem limites auditivos que variam de 35 Hz a 35 kHz, localizam melhor fontes sonoras abaixo de 1 kHz. Para os autores, a localização de altas frequências por estes animais está intimamente relacionada com os acidentes do pavilhão auditivo externo. Para o cavalo, a audição é tão importante como a visão, assim, as orelhas aten- 48 | Ciências Naturais e Matemática | UAB tas e de movimentos rápidos indicam um cavalo esperto e com saúde. A audição de um cavalo é bastante apurada. Tanto que ele consegue ouvir simples ruídos por menores que sejam ou vozes de pessoas familiares a grandes distâncias – isto lhe permite estar sempre apto a fugir de um caçador ou ir ao encontro de um grupo. Os gatos são capazes de localizar melhor o som no espaço em frequências médias e têm sua a audição entre Figura 19 – eQuino: caValo 45 Hz e 64 kHz. A audição é um dos mais importantes sentidos do gato, depois da visão. Capazes de escutar sons no âmbito ultrassônico, os gatos têm uma audição excelente, principalmente quando jovens. Seu ouvido possui formato irregular e assimétrico, com 30 músculos. As orelhas têm o poder de virar-se rapidamente e com precisão, em busca de sons. Em geral, os bichanos reconhecem palavras, como seu próprio nome. A partir dos cinco anos, o ouvido da maioria das raças perde sua percepção pronunciada. Há variedades brancas surdas de nascença. Através dos sons, os cães fazem o reconhecimento à distância, quando ainda não conseguem ver ou sentir cheiro. Estes animais têm uma capacidade incrível de memorização de sons como à abertura de pacotes e sacolas, diversos tipos de passos, vozes e outros ruídos. A faixa de frequência auditiva dos cães é mais ampla que a dos humanos. Isso quer dizer que o cão escuta sons mais graves e também mais agudos do que os seres humanos podem escutar. Com isso, é possível usar apitos ultrassônicos para comunicar-se com o cão, sem que a pessoa escute. A excelente audição dos cães os torna mais sensíveis, pois podem perceber sons que para os humanos são inaudíveis, por isso podem ficar mais abalados, sensíveis e nervosos com os fortes decibéis. Os cães são capazes de ouvir vibrações sonoras aproximadamente nos limites de 10 a 40.000 hertz. Os cães podem ainda localizar a origem de um som em apenas 6 centésimos de segundo. Embora todas as raças possuam o mesmo potencial genético para ativar seus sentidos, a seleção feita pelos homens ao longo dos anos, fez com que determinadas raças tenham o sentido mais apurado do que outras. Assim, os Terriers apresentam uma audição muito favorecida. Os elefantes possuem uma boa capacidade de localização para sons de baixa frequência, tendo maior sensibilidade em 1 kHz. A acuidade e a comunicação entre os elefantes utilizando os infra-sons foram relatados por Payne (1998). Os elefantes têm uma audição extremamente aguçada. Para se ter uma ideia da capacidade auditiva desses bichos, é possível afirmar que eles conseguem ouvir na frequência infra-sônica que é considerada inaudível para os humanos. Acredita-se que eles possam ouvir os passos de um pequeno ratinho mesmo estando a metros de distância. Com isso, os elefantes também podem comunicar-se a distâncias de mais de 4 quilômetros. Por fim, o processo evolutivo é comumente enfocado sob duas teorias que são Figura 20 – mamíFero: eleFante UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 49 mencionadas por Fay & Popper (2000), para tentar explicar a sensação auditiva entre os vertebrados. A primeira, mais familiar, tem um enfoque biológico e defende que o sistema auditivo é parte de um sistema de comunicação. A segunda surge de um recente interesse nos fenômenos envolvendo a análise do panorama auditivo. Esta consiste na tarefa de discriminação das características das fontes sonoras, em um meio ambiente contendo múltiplas frequências e ruídos. Ela ocasiona uma pressão evolutiva natural, formando e mantendo o desenvolvimento auditivo destes vertebrados ao longo de sua escala filogenética. • l o c a l i z a ç ã o s o n o r a e s Pa c i a l H u m a n a Para a localização do som, cujos comprimentos de onda possuem uma magnitude seis vezes maior que o das ondas luminosas, um mecanismo análogo ao óptico não seria viável. Assim a presença dos dois ouvidos, a audição binaural, somada às difrações e reflexões na cabeça, nos ombros e nas orelhas externas, por uma fonte sonora, resultam em mudança de fase e intensidade nas características do estímulo acústico. Isso que permite ao homem localizar a posição do som em relação à sua cabeça. • moVimento da caBeça 90o Thurlow, Mangels & Runge(1967) afirmaram que três classes de movimento de cabeça ajudam na identificação da origem do som. O primeiro, um movimento rotacional, onde a cabeça gira no plano vertical, como se estivesse expressando um ``não´´. O segundo, uma rotação no plano sagital, para cima e para baixo, expressando um ``sim´´ . E o terceiro, por fim uma rotação no plano transverso, girando para a esquerda ou para a direita, similar a execução de um ``talvez´´. Outro aspecto a ser observado seria o movimento da fonte sonora em relação à cabeça do indivíduo. Esta relação foi estudada por Carlile & Best (2002). Os autores, ao estudarem o movimento de fontes sonoras, partindo de diferentes ângulos azimutais, sugerem que o sistema auditivo é sensível à velocidade. Contudo, as comparações com a velocidade são imensamente beneficiadas se algumas características de deslocamento estiverem presentes, como o efeito Doppler. 80o 70o o 60 Latitude 50o 40o 30o 20o 10o 0o • l o c a l i z a ç ã o e s Pa c i a l Co 90o 75o 60o 45o Azimute 30o 15o Figura 21: localização espacial A percepção espacial de um som, ou seja, a sua localização consiste em descobrir o azimute (ou duração), a latitude (ou elevação) e a profundidade (ou distância), tendo como referência o ouvinte, como mostra a figura 20. Quando uma fonte sonora se encontra mais à Pro fun esquerda ou mais à direita do ouvinte isso implica did ade que o som chega a um dos ouvidos mais depressa do que ao outro. 50 | Ciências Naturais e Matemática | UAB vo • a u d i ç ã o B i n a u r a l A audição binaural, juntamente com a filtragem de frequências, permite aos animais determinar a direção da origem dos sons. Uma técnica de gravação bastante interessante é baseada nesse princípio com apenas dois microfones, é possível criar o efeito de som ambiente. Para a gravação são colocados dois microfones acoplados à cabeça de um manequim. Os microfones devem ser colocados na posição das orelhas. • P r o c e s s a m e n t o do som Quando se fala em processamento, fala-se de cálculos. Para se fazerem cálculos, é necessário quantificar grandezas. Quando se processa o som, a grandeza essencial a medir é a variação da intensidade do som, ao longo do tempo. A unidade de medida da intensidade do som (nível de pressão acústica) mais utilizada é o decibel (dB). Para se ter uma ideia de quais os valores das intensidades sonoras, em decibéis, de certas situações familiares a que estamos expostos no nosso dia-a-dia, atente-se para a seguinte tabela: ta B e l a 7 – i n t e n s i d a d e s o n o r a Intensidade Cenário típico 10-20 dB (SPL) Espaço aberto sossegado 40-45 dB (SPL) Conversa em espaço aberto 60-65 dB (SPL) Ruído de tráfego em cidades em cenár ios tí Picos 100-120 dB 120-130 dB (SPL) (SPL) Concerto de rock ao vivo Disparo de uma arma de fogo ou dinamite 140-...dB (SPL) 85-90 dB (SPL) Ruído de maquinária Escavadoras de pressão pesada Podemos notar que estes dados são meramente indicativos, para que tenhamos ideia dos níveis de intensidade a que expomos os nossos ouvidos em certas situações, de uma forma aproximada. • a i m P o r tâ n c i a d a a u d i ç ã o A audição é um dos principais sentidos humanos. Somos capazes de ouvir sons de intensidades diferentes e frequências diferentes, podemos diferenciá-los de acordo com o local que é produzido e a sua duração. A audição é fonte de proteção que nunca cessa, nem mesmo quando estamos dormindo. O nosso sistema auditivo é sempre alerta e é capaz de perceber sons de fontes nocivas. A partir daí podemos tomar atitudes de defesa, nos afastando do perigo. Esse sentido também tem um grande papel na comunicação humana, é por meio da audição que ouvimos e entendemos o outro. É pela audição que conhecemos o mundo. Quando bebês desenvolvemos uma das mais importantes habilidades auditivas, a atenção ao som. É por meio da atenção que percebemos o que está acontecendo à nossa volta, associamos os acontecimentos e memorizamos as situações. Esse processo de aprendizado nos abre a oportunidade de compreensão das circunstâncias, favorece UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 51 a compreensão do mundo que habitamos. É ouvindo nossos pais e demais membros de nossa família que aprendemos a língua materna (língua falada em nosso país). E por meio da fala podemos expressar nossos pensamentos. Pela audição conseguimos compreender o pensamento e a vontade do outro. Podemos dialogar e trocar experiências. A ausência ou defasagem desse sentido pode acarretar em alteração na aquisição e desenvolvimento da linguagem e, consequentemente alteração na percepção do mundo. Isso leva muitas vezes a atitudes anti-sociais, uma vez que o indivíduo não aprendeu as regras sociais de forma natural. As pessoas que possuem tal defasagem precisam de um ensinamento diferenciado, onde elas terão a oportunidade de adquirir todas as habilidades de compreensão do mundo da forma mais natural possível. Isso quer dizer que na maioria dos casos é indicado o uso de uma língua viso-espacial que supra as necessidades de comunicação. A audição é muito importante, sua ausência dificulta a vida, mas não impede o desenvolvimento da pessoa desde que seja dada a devida atenção necessária à mesma. Precisamos cuidar da audição, pois algumas atitudes podem prejudicar o sistema auditivo. • fu n ç ão i n t e g r at i Va d o s o m O meio ambiente, a biosfera, é uma área repleta de sons audíveis e inaudíveis pelos ouvidos humanos. Estas vibrações sonoras se propagam pelo ar, por líquidos e sólidos onde vivemos e todos os seres do planeta estão sujeitos às suas influencias. Os sons da natureza cobrem toda a faixa de frequência que os homens podem ouvir e outras que apenas outros seres vivos ouvem. Estes não são sons puros, ou seja, são compostos por mais de uma frequência. Eles avisam, divertem e, sobretudo alegram e fazem a comunicação dos seres vivos mais desenvolvidos; nos menos desenvolvidos as vibrações sonoras são percebidas pela somestesia, pois até as amebas e outros protozoários são sensíveis a estas vibrações. Sendo assim, o relacionamento entre os seres e entre estes e a natureza também depende dos sons para efetuar-se. 52 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Biofísic a da ci rcul aç ão sanguí n e a 4 intro duç ão O sistema circulatório tem como função comunicar a matéria e a energia entre as diversas funções biológicas. O conjunto que realiza essas funções é composto por: • Coração: uma bomba pouco aspirante e muito premente9. • Vasos sanguíneos: formam uma rede contínua através do organismo, unida pelo coração. • Sangue: fluido composto por células (33%) e líquidos denominados plasma10 (66%). • Sistema de controle: sistema autônomo ligado ao sistema nervoso central. O sistema circulatório funciona em uma sequência de 4 eventos. O primeiro (1) é o metabolismo molecular das células do nodo senoidal11, que dispara um potencial e ação (PA) que se propaga por ondas eletromagnéticas (2) através de feixes nervosos do coração. Essa despolarização do PA é seguida de contração muscular (3), que ejeta o sangue no sistema de vasos (4), sendo que este ciclo sempre se repete, espontaneamente, de (1) a (4). Os estágios 1 e 2 se dão no campo eletromagnético e os estágios 3 e 4 no campo mecânico. O PA do músculo miocárdio12 possui um componente rápido e um componente lento, cuja somatória de pulsos elétricos gera um registro mais complexo. As fases do PA são a despolarização, polarização invertida e repolarização da massa muscular do miocárdio. 9. Aquele que preme ou comprime, do latim premente. 10. 93% da composição do plasma é água, os demais 7% são de oxigênio, glicose, proteínas, hormônios, vitaminas, gás carbônico, sais minerais, etc. 11. É o marcapasso natural do coração. Responsável pela função de marcar o passo natural do coração, ou seja, produz seu potencial de ação, que é o estímulo eletromagnético. Localiza-se na parede ântero-superior do átrio direito, lateralmente à abertura da veia cava superior 12. Parte muscular média do coração. Tem com função ejetar o sangue do coração. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 53 O PA cardíaco pode ser registrado de varias formas e em varias partes do corpo. Antes mesmo do inicio da era eletrônica, vários processos foram desenvolvidos para registrar esse processo. O registro da atividade cardíaca é conhecido com eletrocardiograma (ECG). O ECG fornece informações clinicas e científicas de valor inestimável e o aparelho responsável por essas medições se chama eletrocardiógrafo. Em todo dipolo (possui pólo positivo (+) e pólo negativo (-)), a energia se distribui em linhas isopotenciais. Nessas linhas, em qualquer ponto, o potencial é o mesmo. Um voltímetro, colocado com o eletródio de referência (ER) em uma linha -1 e o eletródio ativo (ER) em uma linha +2, irá ler o potencial +3mV. Se o estiver em -3 e o em +1, a diferenca de potencial (dp) será de -2mV. dp = EA - ER =+ 2 - (- 1) =+ 3 O potencial lido será sempre uma soma algébrica entre os eletródios: Esse é o principio básico para se medir o potencial cardíaco, de um animal ou dp = EA - ER homem, na superfície do corpo. o Artéria pulmonar Veia cava superior Carótidas (2) Pulmão camPo g r aV i ta c i o n a l e a circul aç ão Variáveis que envolvem a energia potencial, energia cinética, energia gravitacional, força de atrito, pressão, viscosidade, entre outros, são muito importantes na mecânica da circulação. A explicação desses fenômenos facilita e simplifica o conhecimento de importantes fatos fisiológicos. Veia pulmonar AE AD VD AD Fígado Veia pulmonar Aorta 1 – d escr iç ão sumár ia do s i s t e m a c i r c u l at ó r i o Veia cava inferior o stin Inte Rim Rim “A circulação sanguínea é um sistema fechado, com volume circulatório em regime estacionário”. Podemos resumir a estrutura e a função do sistema circulatório, em mamíferos, pela simples frase acima. Ela quer dizer que o sangue está contido em um sistema de bomba hidráulica e vasos condutores, fechado (o que entra de um lado sai pelo outro). 1.1 – a n at o m i c a m e n t e • Grande circulação ou circulação sistêmica. Indicados na figura 22 com as setas vermelhas. • Pequena circulação ou circulação pulmonar. Indicado na figura 22 com as setas azuis. Figura 22 – esQuematização do aparelho circulatório dos mamíFeros. Fonte: http://ViaJandopelomundodaciencia.blogspot.com/2010/07/sistema-circulatorio.html 54 | Ciências Naturais e Matemática | UAB 1. 2 - f u n c i o n a l m e n t e • Propriedades de um fluxo em regime estacionário (RE) Abaixo temos uma representação do fluxo de regime estacionário, formado por: um frasco (A), pelo qual o líquido corre para o frasco seguinte (B), passando pelo setor de tubos (RE) concêntricos e de diâmetros variados. Por meio da situação descrita acima, podemos definir três propriedades do sistema: 1. Estado ou regime estacionário: o fluiRE do que entra em (A) é igual ao que sai em (B) e o mesmo que passa em (RE). A 2. Fluxo: o fluxo total que entra no sistema é igual ao que sai em cada um dos segmentos. 3. Energética: a velocidade de circulação do fluxo depende do diâmetro de cada tubo. B Quanto menor o diâmetro do tubo, maior a veFigura 23 – sistema Formado por dois Frascos (a) e (b) e pelo setor locidade do fluido, então temos que: v1>v2>v3. de tubos (re). Como a energia cinética Ec depende da velocidade, dizemos que a energia cinética diminui do 1 ao 3 (Figura 24). E sabendo que a soma das energias é sempre constante, dizemos que: EP+EC é aproximadamente constante, então quando a energia cinética dimiPressão nui, a energia potencial aumenta e vice-versa. Não exatamente na mesma proporção porque P2 parte da energia cinética é consumida pelo A2 P1 A1 atrito (veremos mais adiante), entretanto poEp Ep demos concluir que: EP1<EP2<EP3. P3 A3 Ep Ec 2–a equaç ão do fluXo de r adiaç ão Para calcularmos todo e qualquer tipo de fluxo, sua equação é a mesma: f=vxA Onde f = fluxo; v = velocidade de circulação; A = área do tubo. Considerando uma análise dimensional, vem: 100ml f1 Ec V1 Ec f2 C V2 f3 V3 100ml O que entra Ao que sai Figura 24 – regime estacionário no interior do tubo (re). f=vxA Que se refere ao volume em função do f = L x L2 T tempo. Tendo que ainda estamos falando L3 f= de um regime estacionário, no qual: T F = F1 + F2 + F3 F = v1 x A1 + v2 x A2 + v3 x A3 = ... = vn x An UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 55 3 – fluXo e s ta c i o n á r i o e m B i o l o g i a Que relação existe entre o fluxo estacionário e a circulação sanguínea? É o que vamos descobrir agora! 3.1 – q u e B r a d o r e g i m e e s ta c i o n á r i o : Como o próprio nome já diz o regime estacionário foi interrompido (quebrado). Um exemplo é o edema pulmonar (situação em que o sangue se acumula nos pulmões ocasionando a falta de ar). Neste caso, a quantidade de sangue que entra na circulação pulmonar (ou pequena circulação) é maior do que o fluxo que sai, porque parte deste sangue ficou nos pulmões. As causas podem ser o aumento da resistência à circulação, uma falha no coração, entre outras. Com esta acumulação de sangue chamada de estase, as trocas gasosas são impedidas e tendem a sair pelos alvéolos, fazendo com que o paciente se afogue no próprio plasma. A estase pode ocorrer em outros órgãos como no fígado ou baço, gerando o inchaço dos mesmos. Outro exemplo de grande gravidade é a hemorragia. Nas hemorragias com perda de sangue muito rápida, o estado estacionário é perdido pelo sistema, portanto é necessário corrigir a deficiência e repor o volume de sangue o mais rápido possível. Curiosidade: Na hemorragia arterial, a perda de sangue é maior que na hemorragia venosa, pois a energia potencial, que é transformada em energia cinética, é maior na artéria que na veia. 3. 2 – r e l a ç ã o e n t r e a V e l o c i d a d e d e c i r c u l a ç ã o e o d i â m e t r o d o s Va s o s . c o n s ta n c i a d o f l u X o : As áreas dos segmentos vasculares do sistema circulatório variam, entretanto o fluxo sanguíneo é constante em todo o corpo. Sendo assim, a velocidade de circulação varia de acordo a lei geral do regime estacionário. Esta variação de velocidade é bem aparente em três partes do sistema circulatório: a artéria aorta, os capilares e a veia cava. Abaixo temos a tabela 8 com os parâmetros circulatórios. taBela 8 – Par âmetros c irculatórios da a orta , c aPilares e c aVa (Valores aProXimados) pa r â m e t r o aorta ca pil a r es c aVa Diâmetro Número Área 2,0 cm 3,0 cm2 1 8 x 10-6 m 2200 cm2 2 bilhões 2,4 cm 4,5 cm2 1 Velocidade Fluxo 28 x 3,0 = 84 ml.s-1 0,04 x 2200 = 88 ml.s-1 28 cm.s-1 0,04 cm.s-1 19 x 4,5 = 86 ml.s-1 19 cm.s-1 3. 3 – f í s t u l a a r t e r i o V e n o s a Pode existir em alguns casos, uma anomalia entre os compartimentos circulató56 | Ciências Naturais e Matemática | UAB rios, como mostra a figura 25. Neste caso temos uma sobrecarga extra de alguns mililitros de sangue no processo de cada circulação. Este caso se difere da quebra de regime estacionário porque a quantidade de sangue que entra é igual a que sai mesmo havendo essa sobrecarga em cada circulação. Isso também acontece com a colocação de pontes de safena (uma cirurgia realizada no coração, quando existe um bloqueio da passagem de sangue devido o acumulo de gordura ao longo de anos. A cirurgia consiste em costurar uma ponte de safena sobre o entupimento). A ligação entre os pontos de circulação é feita de maneira que o estado estacionário permaneça, ou seja, não pode haver estase. x x x x x x+y x+y y x A B Figura 25 – Fístula interatrial. 4 – energia d e f l u X o s e m r e g i m e e s ta c i o n á r i o Quando estudamos um sistema líquido que se movimenta no interior de tubos por meio de uma bomba hidráulica, podemos calcular a energia pela Equação de Bernouilli: ET = EP + EC + ED + EG Onde EP é a energia potencial, EC é a energia cinética, ED é a energia dissipada (pelo atrito) e EG é a energia posicional causada pela ação da gravidade. Toda esta energia pode ser representada no interior de tubo, como ilustra a figura abaixo. ED ED EG EC Figura 26: energética da circulação em um Vaso horizontal. 4 .1- r e l a ç ã o e n t r e e n e r g é t i c a d o f l u X o e P r e s s ã o l at e r a l A energia total é constante, então a soma de todas as energias são constantes. Se desconsiderarmos EG (o que não altera o cálculo), temos então: ET = EP + EC + ED / const. A energia cinética, que remete à velocidade, não pode alterar o regime estacionário, então a velocidade deve ser a mesma ao longo de um vaso sanguíneo. Acontece que temos a energia dissipada ou atrito, como normalmente a chamamos, que é contrário a EP. Portanto para que a EC não varie, ela se repõe à custa da energia potencial EP. arteriola A energia potencial por sua vez é causadora da pressão lateral, mas para manter a velocidade do fluxo sanguíneo, ela diminui e a pressão cai ao longo do vaso sanguíneo. Para contrabalancear, em parte, este efeito, existe a divisão das artérias em seguimentos bem menores. Desta forma, as áreas totais dos segmentos vão aumentanartéria do, sua velocidade diminui e a pressão lateral aumenta novamente. Vénul a caPilares Ve na Figura 26 – Fluxo e pressão lateral ao longo dos Vasos sanguíneos. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 57 4 . 2- a n o m a l i a s d o f l u X o A estenose acontece quando temos um estreitamento do vaso sanguíneo, já o aneurisma é uma dilatação; ambas são conhecidas como anomalias do fluxo de sangue. Quando a EC está sendo gasta e a EP diminui para repor a Ec, temos um segmento normal do fluxo. Porém na estenose, onde o diâmetro do vaso é bem menor e a velocidade do fluxo é bem maior, e a EP cai além do esperado. Para o caso do aneurisma, a região para o fluxo é maior, a velocidade menor, proporcionando assim um aumento da EP. Em regiões assim, temos grande frequência de infarto. A aterosclerose é um exemplo típico, na qual o acumulo de gordura e outras substâncias nas artérias provocam a estenose (ou até mesmo a obstrução total do local), que por sua vez diminui a pressão lateral. Com esta diminuição da pressão lateral, os tecidos ficam com deficiência de sangue, sem nutrição, e sem oxigênio, podendo causar até o infarto (necrose dos tecidos). 4. 3 - r el aç ão entr e ondas de Pulso e Velocidade de circul aç ão A tomada de pulso fornece informações sobre o funcionamento do aparelho circulatório (frequência e intensidade), sendo que em um adulto, os batimentos variam de 60 a 90 vezes por minuto. A onda de pulso é uma onda de pressão, em que a energia da contração cardíaca é propagada pelo sangue. Diferente da corrente sanguínea, que é matéria, a corrente sanguínea é o deslocamento da massa de sangue. A onda de pulso se propaga com uma velocidade de 4 a 6 vezes Figura 27 – medida da batida cardíaca. maior que a corrente sanguínea é contrária à mesma, e perceptível ao tato. 4.4 - e nergética da sístole e diástole A contração cardíaca passa por duas fases bem características: • Sístole: contração e esvaziamento do coração. • Diástole: relaxamento e entrada de sangue nas cavidades cardíacas. Na sístole o sangue na artéria é acelerado pela massa de sangue que é liberada dos ventrículos. Nessa situação a pressão e a velocidade estão em um nível máximo. Já na diástole em um nível mínimo. Como a sístole é seguida da diástole, então a Ec acelera o sangue e dilata a artéria; então a EP se armazena na artéria. Em seguida, parte da EP se transforma em Ec e o restante é responsável em manter a corrente sanguínea e a pressão. A partir disso temos duas conclusões: • o fluxo não se interrompe • a pressão não se anula. 58 | Ciências Naturais e Matemática | UAB 4 . 5 - H i P e r t e n s ã o d e o r i g e m Va s c u l a r e s u a e n e r g é t i c a Na hipertensão, como o nome já diz (hiper, significa: acima), a pressão esta acima da média. Um dos tipos de hipertensão acontece nos casos de arteriosclerose (processo degenerativo que resulta no endurecimento das paredes das artérias). Um vaso normal precisa de 120mmHg de pressão para um fluxo, já para um vaso esclerosado, é necessária uma pressão maior para o mesmo diâmetro (em média 180mmHg). 4 . 6 - P r e s s ã o n o s c a P i l a r e s – f o r ç a s e n V o lV i d a s Os capilares têm em média de 0,8 a 1,2 nm de comprimento, e o diâmetro de 8 a 8,5 μm. A velocidade do sangue nos capilares é de 0,4mm/s, o que gera um tempo de circulação de 2 à 2,5 s. Em um adulto temos mais de 2 bilhões de capilares. A velocidade do leito capilar (rede de capilares que alimentam um órgão) é lenta para permitir trocas metabólicas. Em média, 5% do sangue esta no leito capilar, mas como o leito é grande, passa muito sangue a cada minuto e, em média, a cada 10 minutos todo o plasma é trocado. Essa entrada e saída de sangue no capilar obedece ao estado estacionário, em caso contrário teríamos um edema (ver quebra de regime). Existem várias causas para o edema, a seguir veremos três delas: 4 . 6 .1- a lt e r a ç õ e s n a P r e s s ã o o s m ó t i c a a) Com a diminuição da pressão osmótica intracapilar (causada pela baixa concentração de proteínas no plasma), a entrada no capilar diminui e escapa fluido para o compartimento extracelular. b) Aumento de sais no compartimento extracelular, devido à uma insuficiência renal ou cardíaca, faz com que a pressão osmótica aumente e retenha ainda mais líquidos. 4 . 6 . 2- a lt e r a ç õ e s n a P r e s s ã o H i d r o s tát i c a a) Dilatação da artéria ou constrição da veia proporcional ao aumento da pressão hidrostática: aumento da saída e diminuição da entrada de fluido. b) Aumento da pressão venosa e consequentemente aumento da pressão hidrostática, a saída de fluidos aumenta e diminui a entrada também. 4 . 6 . 3 - a lt e r a ç ã o n a P e r m e a B i l i d a d e d a c a P i l a r Este é o edema com estados inflamatórios. Alguns tipos de cinina (peptídeos ativos, formados no plasma sanguíneo) aumentam a permeabilidade dos capilares e permitem o vazamento de macromoléculas para o compartimento extracelular. Se a pressão osmótica diminui dentro dos capilares, então o fluido se acumula. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 59 5. t i P o s de fluXo: fluXo l aminar , fluXo tur BilHonar e seu r e- l acionamento com a circul aç ão sanguí ne a A reologia (reos significa, corrente), ciência que estuda os fluxos e suas deformações, distingue dois regimes de escoamento; como mostra a experiência da figura 28. Energia Cinética v V a) Vc b) Figura 28 – regimes de escoamento. (a) laminar; (b) turbilhonar (reFerência: http://WWW.Feiradeciencias.com.br/sala07/07_t02_01.asp); (c) gráFico de energia cinética Versus Fluxo. Fluxo Consideremos um vaso V ao qual está ligado um tubo T. Dentro do tubo façamos desembocar um fino tubo  t  ligado a um vaso v contendo solução aquosa de permanganato de potássio (de cor vermelha arroxeada). Tendo enchido o vaso V com água ate certo nível, deixemos que ela se escoe pelo tubo T, alimentando o vaso V simultaneamente, de modo que o nível d’água no mesmo não mude; ao mesmo tempo, deixemos que se escoe lentamente a solução de água colorida. Podem apresentar-se dois casos nitidamente distintos, a saber: a) O nível d’água no vaso V é relativamente baixo. A água colorida descreve uma trajetória estável, cuja forma acompanha a do tubo de escoamento da água (seja ele reto ou curvo); é o escoamento laminar. b) O nível d’água no vaso V é relativamente alto. A água colorida descreve trajetórias que variam rapidamente de forma, espalhando-se por toda a água que escoa; é o escoamento turbilhonar. O regime laminar é sereno; as partículas do fluido descrevem trajetórias invariáveis, o fluido, neste caso, pode ser entendido como composto de lâminas de formas definidas deslizando umas sobre as outras; este regime se estabelece em velocidades relativamente baixas. O regime turbilhonar é, como diz o nome, turbulento; as partículas do fluido descrevem trajetórias que variam de instante a instante; este regime se estabelece em velocidades relativamente altas. Nota: Para um certo intervalo de variação do nível da água no vaso V, o regime de escoamento pode ser laminar ou turbilhonar, mudando de um para outro espontaneamente, sem causa aparente. Nestas condições observa-se que a velocidade de escoamento é maior no regime laminar do que no turbilhonar; portanto a resistência ao 60 | Ciências Naturais e Matemática | UAB escoamento é maior no regime turbilhonar do que no laminar. Pode-se passar de um regime ao outro, simplesmente variando a velocidade de escoamento. Abaixo dessa velocidade, o fluxo é laminar, acima é turbilhonar. Essas relações estão mostradas no gráfico da figura 28. A velocidade limite é chamada de velocidade crítica. Essa velocidade é muito importante em biologia. A termodinâmica dos fluxos laminar e turbilhonar esclarece os achados. No fluxo laminar, a entropia é adequada ao processo, não havendo desperdício da energia cinética (Ec), sendo o fluxo é proporcional à velocidade linear do sangue. No fluxo turbilhonar, a entropia é exagerada, porque parte da Ec é gasta em vencer um atrito interno maior (causado pelo choque de fluidos em movimento turbilhonar) e a velocidade linear do fluido é menor. O fluxo, portanto, não cresce proporcionalmente, com o aumento da Ec. Do ponto de vista macroscópico há outra diferença fundamental entre o escoamento laminar e o turbilhonar. Laminar – é silencioso Turbilhonar – é ruidoso Essa propriedade, usada para a medida indireta da pressão arterial, é uns dos métodos mais empregados em clínica e investigação, como veremos mais adiante. 5.1 – n ú m e r o d e r e y n o l d s e V e l o c i d a d e c r í t i c a O número de Reynolds é um valor adimensional que indica o limite entre o fluxo laminar e o turbilhonar. Esse número, em condutores retilíneos, é cerca de 2000 no SI (aproximadamente 1000 no CGS), para vários fluidos, inclusive o sangue. O número de Reynolds (Re) é dado pela expressão: Re = Vc .d.r h Onde é a velocidade crítica, é a densidade do fluido, o raio do condutor e ɲ é a viscosidade do meio. Essa relação permite calcular a velocidade crítica, abaixo da qual o fluxo é laminar e acima é turbilhonar. Medidas rigorosas indicam que a velocidade do sangue na aorta, em caso normais, em repouso, está entre 25 a 37 cm.s-1. É, portanto, um fluxo laminar. Essas condições podem variar. 5. 2 – d i s t r i B u i ç ã o d a s c a m a d a s d e f l u i d o Um fato notável no escoamento laminar é observado na experiência simples da Figura 28 (a). É que a velocidade das camadas é maior no centro do tubo, diminuindo gradualmente para a periferia. Escoamento Laminar matemático e engenheiro ciVil. em 1883, introduziu o mais importante número adimensional da mecânica dos Fluidos, hoJe conhecido como número de reynolds. Figura 29 – osborne reynolds (1842 – 1912), Figura 30 – camadas lamilares lamilares e Velocidade Velocidade de circulação. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 61 Esse fato é importante na colheita de amostras de sangue em vasos mais calibrosos. A amostra colhida pode não ser representativa da composição média do sangue: é que nas partes próximas às paredes dos vasos, onde a velocidade é mais lenta, há maior acúmulo de elementos figurados do sangue (hemácias, leucócitos e plaquetas). 5. 3 – m e d i d a d a P r e s s ã o a r t e r i a l A medida indireta da pressão arterial é um método simples e valioso (Figura 31 – a). Consiste em comprimir uma artéria através de um manguito de ar, que é ligado a um manômetro (medidor de pressão). (a) (b) (c) (d) Figura 31 – (a) aFerindo a pressão arterial, (b) artéria Fechada, (c) ruído audíVel no estetoscópio e (d) silêncio. Quando a pressão externa aplicada aperta as paredes da artéria (uma contra a outra) o fluxo cessa completamente (Fig. 31– b) e nada se escuta no estetoscópio (também chamado de fonendoscópio, é um instrumento utilizado por diversos profissionais, como médicos e enfermeiros, para amplificar sons corporais). Em seguida, o manguito é descomprimido gradualmente. Quando a pressão sanguínea é suficiente para forçar um jato de sangue através da parte estreitada da artéria, esse jato passa com alta velocidade, produzindo um fluxo turbilhonar, que se ouve como um ruído rascante, a cada pulsar do coração. A pressão indicada pelo manômetro, nesse instante, é a pressão sistólica ou máxima (Fig. 31 – c). Continua-se a descompressão gradual. O estrangulamento arterial diminui, e o fluxo turbilhonar também, o que se reconhece como uma mudança no tom do ruído (fica mais grave). Quando se atinge uma pressão subcrítica, o escoamento volta ao laminar, e o ruído desaparece. A pressão indicada pelo manômetro, nesse instante, é a pressão diastólica ou mínima. (Fig. 31 – d). Alguns autores consideram a mudança de tom (de mais agudo para mais grave), como indicativo da pressão diastólica. 5. 4 – s o P r o s c i r c u l at ó r i o s De um modo geral, a circulação sanguínea é silenciosa, com fluxo laminar em todos os setores. O aparecimento de ruído, pela presença de fluxo turbilhonar é conhecido como sopro circulatório, e pode ser normal ou patológico. Como vimos no cálculo da velocidade crítica (item 5.1), se a velocidade do sangue na aorta passar de 37 cm.s-1, aparecerá fluxo turbilhonar e, consequentemente, o ruído. Em crianças sadias esse fenômeno pode ocorrer, assim como em adultos após algum 62 | Ciências Naturais e Matemática | UAB exercício, quando aumenta a velocidade do sangue. Esse casos são normais. Estreitamento das válvulas cardíacas, por lesões inflamatórias ou degenerativas, que deixam cicatrizes estenosando-se, pode ser responsável por fluxos de velocidade acima da Vc, originando sopros. Esses sopros podem ser sistólicos ou diastólicos, conforme o instante em que são ouvidos. O abaixamento da viscosidade sanguínea acarreta concomitante diminuição da Vc, com aparecimento de sopros que podem ser ouvidos em todo o tórax e, às vezes, em outras regiões. O jato de sangue que é lançado em um aneurisma, ou que sai dele, pode provocar turbulência, com ruído associado. Essa turbulência é localizada (Fig. 32) na entrada e saída do aneurisma, pois na região dilatada, a velocidade é menor. Figura 32 –Fluxo turbilhonar em aneurisma Nas fístulas arteriovenosas, que são uma comunicação entre a artéria e a veia, o sangue da artéria esguicha com alta pressão dentro da veia, provocando fluxo turbilhonar localizado, e sopro associado. Situação semelhante existe na comunicação interventricular, onde sempre aparece sopro. Na fistula ou comunicação interatrial, o ruído nem sempre aparece, porque a pressão nos átrios é bem menor que nos ventrículos. 6 – f ato r e s fí s i co s q u e co n d i c i o n a m o flu Xo – lei de Po i seu i lle A equação do fluxo de um fluido em condutores foi estabelecida por Poiseuille, médico francês, que a deduziu empiricamente. Sua comprovação teórica é rigorosa, e essa equação se aplica não apenas ao sangue, em vasos da circulação, como em outros fluidos e condutores. rDP r4 A equação é a seguinte: F = 8DL h Onde F é fluxo (volume escoado pelo tempo), ΔP é a diferença de pressão, r é o raio do tubo, elevado a 4a potência, ΔL é o comprimento do tubo e η é a viscosidade, (π e 8 são constantes de integração). Fígura 33 – Jean-louis-marie poiseuille (22 de abril de 1797, paris - 26 de dezembro de 1869, paris) Foi um médico e Físico Francês. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 63 η1 (a) F Δ P= P2 - P1 P1 r P2 F L2 Δ L= L 2 - L1 (b) a b c P (c) F1 L1 a = 1,2 cm b = 1,0 cm c = 0,8 cm (d) η2 η1 > η2 F1 > F2 F2 Fig. 34 – representação da lei de poiseuille. (a) segmento de Vaso sanguíneo. (b) artéria de 1 cm (tamanho natural), aumentando para 1,2 cm e diminuindo para 0,8 cm. (c) Fluido com alta Viscosidade. (d) Fluido com baixa Viscosidade. a) Pressão A diferença de pressão entre P1 e P2 (Fig. 34 A) condiciona o fluxo. Se o sistema necessita mais fluxo, esse aumento pode ser obtido por elevação da pressão. Esse fator explica também as falhas circulatórias decorrentes de pressão insuficiente: quando P1 abaixa, o fluxo diminui. Essa situação ocorre em vários casos fisiopatológicos, como choque circulatório, hipotensão ortostática (baixa da pressão na posição em pé), deficiência da contração cardíaca, como no enfarte, ou na falta de condução do impulso contrátil pelos feixes atrioventriculares. b) Raio Esse é uns dos fatores mecânicos mais importantes para o controle de fluxo na circulação. Como o raio está elevado a 4ª potência, uma diminuta variação do raio corresponde a uma grande variação no fluxo. A figura 34 – b, mostra um vaso de 1 cm de raio, variando entre 1,2 a 0,8 cm. Qual a variação de fluxo nesses casos? • Aumento: passar de 1,0 para 1,2 é aumento de 20%, mas a elevação do fluxo será: F = (1,2)4 - (1,0)4 = 2,1 - 1,0 = 1,1 ou 110%! • Diminuição: passar de 1,0 para 0,8 é diminuição de 20%, mas o decréscimo do fluxo será: F = (0,8)4 - (1,0)4 = 0,4 - 1,0 = -0,60 ou -60%! Cálculos semelhantes mostram que para um aumento de 16% no raio, o fluxo dobra (acréscimo de 100%). O fluxo total de sangue pode aumentar até 600% (cerca de 6 x 85 = 510 ml.s-1), por uma combinação de aumento da frequência cardíaca, pressão de ejeção e vasodilatação. Esse ultimo fator é essencial, porque somente a vasodilatação diminui a resistência periférica do fluxo. O mecanismo de controle do fluxo através da vasodilatação (aumento do fluxo), ou vasoconstricção (diminuição do fluxo), é eficiente, porque o raio do vaso contribui decisivamente. 64 | Ciências Naturais e Matemática | UAB c) Comprimento do Tubo Em sistemas com circulação aberta, como mostrado na figura 35, e submetidas às mesmas condições, o fluxo é inversamente proporcional ao comprimento, como diz a lei de Poiseuille. Entretanto, isso não pode acontecer no sistema circulatório, que é fechado e em regime estacionário. No sistema circulatório, , na equação de Poiseuille. O que verifica-se é que, com a distância L percorrida pelo sangue, há apenas um desgaste maior na Ec, que se repõe às custas da Ep. L1 L2 0 01 05 L1 = 2L2 0 01 05 Figura 35 – Fluxo e comprimento do tubo. l1 = 2l2 d) Viscosidade As variações da viscosidade sanguínea podem acarretar modificações graves no fluxo: • Diminuição da viscosidade – Nas anemias profundas, a diminuição da viscosidade é tal, que a velocidade crítica é excedida, e aparece um sopro circulatório audível em várias partes do tórax. • Aumento da viscosidade – Doenças que aumentam a viscosidade do sangue como a policitemia vera (aumento do número de eritrócitos), ou certas macroglobulinemias, (aumento de macroglobulinas) podem induzir consideráveis diminuições do fluxo, que necessitam rápida intervenção para diminuir a viscosidade do sangue, através de retirada de hemácias, ou administração intravenosa de fluidos. A lei de Poiseuille é valida somente para fluxo laminar. Quando o fluxo se torna turbilhonar, outras variáveis intervêm, sendo necessário aplicar correções adequadas. • Resistência Periférica – Um outro parâmetro físico de importância na circulação sanguínea é a resistência periférica. Por analogia com a lei de Ohm, define-se como resistência periférica: Pressão = Resistência x Fluxo → P = R x F O valor de R é dado em unidades incoerentes de (mmHg/ml.s-1) chamada “unidade R”. Assim, para um fluxo de 85 ml.s-1 causado por uma diferença de pressão de 85 mmHg, temos: R = 85/85 = 1 unidade R. Essa é aproximadamente a resistência entre a aorta e os capilares. A queda da pressão é 100 – 15 mm Hg e o fluxo 85 ml.s-1. R = 100 - 15 = 85 = 1 unidade R 85 85 Na hipertensão, valores de P podem chegar a 220 mm Hg. Então: R = 220 - 15 = 2, 4 unidades R 85 Ou seja, é necessário um trabalho de 2,4 vezes maior para circular o mesmo volume de sangue. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 65 Em atletas bem treinados, durante o exercício físico, a pressão se eleva a 145 mmHg, mas o fluxo pode chegar a 6 vezes o fluxo basal. Nesse caso: R = 145 - 5 = 140 = 0, 27 unidades R 6 x 85 510 O que corresponde a uma diminuição de 4 vezes de R. A resistência periférica aumentada é um fator importante na gênese da hipertensão vascular e de outros distúrbios da circulação. 7 – r el açõ es entr e Pr essão e tensão – lei de l aPl ace (a) P (b) R Ar T É comum a confusão entre essas duas grandezas físicas. Pressão é a força/área e tensão é força/raio. Quanto maior é a área, menor é a pressão, quanto maior é o raio, menor é a tensão. A Figura 36 mostra essas relações em dois modelos conhecidos, o balão de borracha para festas, e o diploma enrolado como canudo. Quando se enche o balão de borracha, nota-se uma diferença marcante entre o início de enchimento (tem-se que fazer uma força maior), e o fim, onde um sopro leve é suficiente para aumentar o volume do balão. Quanto maior a superfície do balão, menor é a pressão exercida sobre o soprador. Um diploma, quanto mais apertado e enrolado, mais tensão exerce sobre a gominha de borracha que o segura. O balão pode ser considerado como formado de milhares de gominhas constituindo sua parede, e exercendo tensão sobre o conteúdo do balão. A lei de Laplace tem equações que dependem da forma do continente, e se aplicam aproximadamente às estruturas abaixo: P = 2T R esFeras (coração) anel de borracha P= T R cilindros (Vasos) P = (T 1 + 1 ) R1 R2 elipsóides (aneurismas) Fig. 36 – modelos de pressão e tensão. (a) – balão de borracha; b – diploma enrolado. Onde P é a pressão exercida na cavidade eT é a tensão exercida pelas paredes da cavidade. A tensão é mantida por fibras musculares (coração), ou elásticas (vasos em geral). A comparação entre as fórmulas para esferas e cilindros mostra que, para um ventrículo de 3 cm e uma aorta de 1 cm de raio, a tensão no ventrículo tem que ser 6 vezes maior que na aorta, para manter a mesma pressão. Outra conclusão importante da lei de Laplace é em relação ao coração dilatado: A lei mostra que, se R aumenta, T deve aumentar na mesma proporção para manter P invariável. Assim, o coração dilatado tem que produzir uma tensão maior que um coração de tamanho normal, para sustentar a pressão necessária. Como o coração tem quatro cavidades, o trabalho cardíaco é cerca de 4 vezes maior nos corações dilatados. O trabalho cardíaco é do tipo , e pode aumentar, tanto através de P, como de . Na hipertensão arterial prolongada, a dilatação cardíaca é um achado frequente, e reflete o aumento de para o trabalho extra necessário. Nos aneurismas, a Lei de Laplace prevê que, teoricamente, o rompimento deve se dar na região onde o raio de curvatura é maior. A tensão é medida em N.m-1, e tem sido determinada em várias partes do orga- 66 | Ciências Naturais e Matemática | UAB nismo. Alguns valores são: • Ventrículo esquedo – 8 x 102 N.m-1 • Aorta – 2 x 102 N.m-1 • Cava – 20 N.m-1 • Capilares – 2 x 102 N.m-1 Na aorta, considerando um raio de 1 cm, a tensão corresponde à força exercida por um peso de 0,2 kg (200 gramas), É uma tensão considerável. 8 – o camPo g r aV i ta c i o n a l e a circul aç ão 8 .1. o t e r m o e g d a e q u a ç ã o d e B e r n o u l l i O campo G é uns dos termos da equação de Bernoulli. Em um individuo na posição em pé, os vetores G são contra a subida do sangue, e a favor da descida. Pode-se notar que, acima do coração, o campo G é contra a circulação arterial, e a favor da venosa. Abaixo do coração, inverte-se a relação, e o campo G é a favor da circulação arterial, e contra a venosa. Qual é a contribuição quantitativa do campo G? Usando unidades de mmHg, a conversão de uma coluna de sangue para coluna de mercúrio, é a seguinte, pelas densidades desses líquidos: 3 3 2 Pressão sangue: 1, 06 . 10 Kg.m- x 10 m.s- x 1 mmHg 0, 78mmHg = 13, 6 . 103 Kg.m-3 Ou seja, a cada 1 cm de altura no campo G, a coluna de sangue pesa 0,78 mmHg. Quando a pressão for negativa indica que tem grande importância em sangramentos na parte superior do corpo, acima do nível cardíaco. É que, quando uma veia se rompe há tendência de aspiração de ar pelo coto inferior (pelo coto superior, há o sangramento). Esse perigoso evento não acontece, porque as paredes do vaso colabam, fechando o orifício. Porem, nos seios venosos peridurais, que são rígidos devido à caixa óssea do crânio, a abertura desses seios venosos é acompanhada de sucção de ar, provocando embolias gasosas que podem ser mortais. Esse fato deve ser levado em consideração nos casos de acidentes com ferimentos cranianos, e na neurocirurgia, quando há abertura da caixa craniana. Esse grande acréscimo de pressão lateral tende a estagnar o sangue nas veias, e mostra ser necessário, além das válvulas de não retorno, uma força contrária para levar o sangue até o coração. Esta é justamente a “vis a tergo” (força que vem de trás), e que existe em todo território venoso. É o sangue que vem dos capilares e empurra o que está adiante, até o coração. A pressão contribuída pelo campo G dificulta o retorno venoso, e é uma causa coadjuvante na formação de varizes, que são dilatações das veias, com consequente estagnação do sangue. As varizes ocorrem em vários territórios nervosos, como no esôfago e plexo hemorroidário, sempre que há dificuldade de retorno venoso. Esses fatos mostram que a postura de indivíduos no Campo G, é importante do ponto de visto circulatório. Deitar um paciente inconsciente ou chocado, com a cabeça ao nível do coração, é, salvo contradições outras, uma medida conveniente. Em casos UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 67 de choque vasogênico, é indispensável. A colocação desses pacientes em posição sentada, comprimindo a cabeça entre os joelhos, é prejudicial, além de dificultar ventilação pulmonar. 8 . 2 . tu B o s r í g i d o s e e l á s t i c o s n o c a m P o g O comportamento de fluxos em tubos rígidos e elásticos, sob a ação do campo G, explica alguns fatos observados na hemodinâmica. A Figura 37 mostra dois tubos semelhantes, um rígido e o outro elástico. (c) Aberto Aberto (a) Tubo Rígido Fechado (b) Campo G Tubo Elástico Figura 37 – tubos rígidos e elásticos no campo graVitacional g (Ver texto). Deslocamento Em (a), os tubos recebem água sob mesma pressão, e os fluxos estão em equilíbrio. Se a torneira for subitamente fechada (Fig. 37 – b), o fluxo cessa, logo em seguida, no tubo rígido, mas continua, ainda que por instantes, no tubo elástico. É que este, como já vimos, acumula Ep nas paredes, e a devolve como Ec, sob forma de fluxo. É exatamente a situação de sístole e diástole. Esse comportamento diferente de tubos rígidos e elásticos, explica o que ocorre quando há uma falha súbita na bomba que fornece o sangue: Em indivíduos com artérias flexíveis, o suprimento de sangue continua, mas em pacientes com artérias esclerosadas, rígidas, há baixa ou interrupção do fluxo. Frequentemente, essa é a causa das “tonteiras” que essas pessoas declaram sentir. Essa também é a razão da isquemia (a falta de suprimento sanguíneo para um tecido orgânico) ser mais acentuada em territórios irrigados por artérias esclerosadas, quando há uma deficiência no fluxo sanguíneo. Na Figura 37 – c, o sistema de tubos é bruscamente elevado no campo G, no tubo rígido cessa o fluxo, que ainda continua, embora diminuído, por certo tempo, no tubo elástico. Essa variação de G sobre o fluxo é notado em pessoas que se levantam bruscamente, estão em elevadores ou aviões que sobem rapidamente no Campo G; o fluxo diminui, e diminui mais ainda em artérias esclerosadas. Esse efeito do campo G exige que os cosmonautas sejam lançados ao espaço em posição semideitada, com a cabeça ao nível do coração. Roupas “anti-G”, que pressionam o sangue na massa corporal, são também adjuntas na subida e descida de cosmonaves. 68 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Biofísica da r esPi r aç ão 5 intro duç ão Quando falamos em respiração dos seres vivos, podemos dividi-los em duas classes: • Aeróbios – aqueles que utilizam oxigênio; • Anaeróbios – aqueles que não utilizam o oxigênio, ou o utilizam em circunstâncias especiais. Alguns indivíduos fazem a troca de O2 e CO2 por simples difusão, mas a partir de certo volume, ou massa do biossistema, a difusão torna-se insuficiente para atender a demanda biológica do organismo. Faz-se, então, necessário um sistema capaz de conduzir O2 à intimidade dos tecidos, e carrear o CO2 para o ambiente. Com a ampla oferta de O2 na atmosfera, os seres vivos evoluíram um mecanismo que providencia uma rápida troca de gases entre o ambiente e os seres vivos. Esse mecanismo é o aparelho respiratório, que funciona em conjunto com o sistema circulatório. O seu funcionamento é simples e respeita o seguinte ciclo: 1º Hemiciclo – Inspiração. O ar atmosférico é aspirado para uma estrutura permeável onde entra em contato com o sangue. O O2 é absorvido. 2º Hemiciclo – Expiração. O ar pulmonar é expelido para o ambiente, carregando o CO2. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 69 lei d o s g a s e s e sua s a Pli c açõ e s B i o ló g i c a s de 1. c o n d i ç õ e s P a d r ã o ntP (n o r m a l t e m P e r at u r a e P r e s s ão) O NTP é um parâmetro de referência indispensável. As variáveis: volume, pressão e temperatura são tomadas em condições específicas: • Temperatura: 0 °C ou 273 K • Pressão: 1 atm ou 760 mmHg • Volume: 1 mol ou 22,4 litros = 22,4 dm³. a) Lei de Boyle – Mariotte: Relaciona a variação do volume e pressão de um gás quando a temperatura é constante. Diz: “O volume de um gás é inversamente proporcional à pressão, mantida constante a temperatura.” V V P P Figura 38: relação entre a Variação do Volume em Função da pressão. A lei de Boyle – Mariotte explica as mudanças de pressão do ar ao sair e entrar nos pulmões. Além de outras aplicações técnicas. b) Lei de Gay – Lussaac – Charles: Relaciona o volume e a temperatura de um gás quando se tem pressão constante, diz que: “O volume de um gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta, mantida a pressão constante.” V V1 T1 = V2 T2 Essa lei permite calcular a variação de um gás sobre um volume ao entrar e sair do pulmão, quando a temperatura externa é maior ou menor que a temperatura dentro do pulmão (aproximadamente 37°C). T Figura 39: relação entre a Variação do Volume em Função da temperatura. 70 | Ciências Naturais e Matemática | UAB c) Lei Geral dos Gases: É a combinação das duas leis anteriores, obtida através da lei cinética da matéria: PV = nRT Onde n é o número de moles, e R é a constante universal dos gases (8,314472 J/K mol). d) Lei de Dalton: Refere-se a pressão total e parcial de uma mistura de gases. Diz que: “A pressão total de uma mistura de gases é igual à soma da pressão de cada componente.” PT = P1 + P2 + P3 + g + PN No caso do ar atmosférico: PAR = PN + PO + PH O + PCO + Pg 2 2 2 2 Onde Pg representa os gases raros e a poluição. Essa relação permite calcular a pressão parcial, conhecendo-se o percentual de cada componente, ou calcular o percentual conhecendo a pressão parcial de cada componente. e) Lei de Henry: Define o volume de um gás dissolvido em um líquido. Diz que: “O volume de um gás dissolvido em um líquido é proporcional à pressão do gás sobre o líquido, a um fator de solubilidade e ao volume do líquido.” Pd = P . f . V1 Vd é o volume dissolvido, f o fator de solubilidade e V1 o volume do líquido, em litros. f) Lei de Graham: Refere-se à difusão de um gás. Diz que: “A difusão de um gás é inversamente proporcional à raiz quadrada de sua massa molecular.” v= 1 M Para o uso biológico, várias constantes têm sido acrescentadas, o que sujeita os valores obtidos a muitos fatores, aumentando o erro do nosso resultado. v = CS .T.A.DP M.L.n Onde Cs é o coeficiente de solubilidade, T a temperatura absoluta, A é a área de difusão, ΔP o coeficiente de pressão, M a massa molecular, L a distância, e n a viscoância, ncia, sidade do meio. Essa é a equação que se aplica em estudos de difusão de gases em biossistemas. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 71 estrutura em função do aParelHo resPiratório O aparelho respiratório é responsável pelas trocas gasosas do organismo. Este processo envolve: a traquéia que leva o ar ao pulmão e que faz com que o ar entre em contato com o sangue (os pulmões ficam localizados dentro de uma caixa óssea muscular). O nosso tórax se dilata e contraí devido aos os músculos do diafragma e aos músculos intercostais. Não se esquecendo de que temos também a pleura visceral e a pleura parietal, entre as quais existe o espaço interpleural, onde temos uma pressão menor que a pressão atmosférica; chamamos essa pressão de pressão interpleural. A traquéia por sua vez se subdivide em brônquios, que se dividem em bronquíolos, e em seguida vem os alvéolos, cuja entrada é chamada de bronquíolos respiratórios; o local onde o ar circula é o ducto alveolar. Quando o ar está no alvéolo, ele encontra-se separado do sangue por uma membrana de aproximadamente 0,4 μm. (a) fa r inge fossas nasa is cav idade buca l la r inge t raquéia pu l mão d i reito d ia f rag ma (b) Traquéia Brônqu io Brônqu íolo brônqu ios pu l mão esquerdo A lvéolo Figura 40 – (a) representação do sistema respiratório. (b) estrutura dos brônQuios. Caixa torácica expande assim como o diafragma se contraí. Caixa torácica Ar inalado dimínue quando o diafragma relaxa. 1. o Ar exalado at o d e r e s P i r a r r e s P i r at ó r i o : – o ciclo Pela segunda lei da Termodinâmica, que nos diz que um gás em uma região com maior pressão vai para a região onde tem menor pressão, (tentando obter a Pulmão entropia máxima do sistema); por isso o ar entra nos Diafragma pulmões. Quando o nosso tórax dilata por causa do Inalação Exalação Diafragma se contrái Diafragma relaxa diafragma e da caixa óssea, o pulmão acompanha esse (para baixo) (para cima) movimento devido à diferença de pressão. Como a Figura 41 – processo de expiração e inspiração. pressão interpleural é muito pequena, o ar atmosférico penetra nos pulmões - é o que chamamos de inspiração. Para a expiração, o tórax e o diafragma diminuem seu volume e a pressão nos alvéolos se torna positiva, fazendo com que o ar seja expulso dos pulmões. Todo este processo é passivo e realizamos sem perceber. Porém não temos tra- 72 | Ciências Naturais e Matemática | UAB pulmão ar balho muscular na expiração quando estamos em estado de repouso, somente quando nossa respiração é forçada. 1.1. a lt e r a ç ã o n a P r e s s ã o i n t e r P l e u r a l – P n e u m o t ó r a X : Quando a pressão interpleural, que é menor que a atmosférica, se torna igual à atmosférica, o tórax dilata; porém o nosso pulmão não. Por isso existem situações em que a pleura visceral, a pleura parietal ou ambas são perfuradas; temos então um acumulo anormal de ar no espaço pleural, o que chamamos de pneumotórax. As causas podem ser traumas ou infecções e as consequências são dores no tórax, tosse, falta de ar, entre outros. Figura 42 - pneumotórax 2 . Vo l u m e s e c a Pa c i d a d e s P u l m o n a r e s : Os pneumologistas descrevem o processo respiratório em 4 volumes e 4 capacidades pulmonares. A figura 43 descreve os processos. 5.000 Volume de ar nos pulmões Inspiração Expiração 2.900 2.400 1.200 0 Capacidade vital VRI (Volume de reserva inspiratória) VC (Volume corrente) Espaço morto VR VRE VC VRI VRE (Volume de reserva expiratória) VR (Volume residual) Tempo Figura 43 – Volumes e capacidades pulmonares. Figura do site anatomia e Fisiologia humana. 2 .1. d e t e r m i n a ç ã o Pulmonares: dos V o l u m e s e c a Pa c i d a d e s O espirógrafo é um aparelho que registra o volume expirado e inspirado. Ele tem uma inércia mínima para não interferir com os movimentos. O princípio utilizado para descrever o traçado do espirógrafo é o da concentração das soluções ou diluição. O cálculo utilizado é: C1 .V1 = C2 .V2 Pinça nasal Cumografo AR H 2O V = V (C - C ) C 2 1 1 2 Onde: VS = V1 + V2 Figura 44 – representação do espirógraFo simples. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 73 2 2 . 2 . r e l a ç ã o e n t r e o s Pa r â m e t r o s P u l m o n a r e s e a f i s i o Pat o l o g i a r e s P i r at ó r i a : 2.2.1. Volume corrente (VC) A cada ciclo respiratório que realizamos, certo volume de ar entra e sai das nossas vias respiratórias; isso está relacionado à quantidade de O2 presente no organismo. Em repouso são 0,5 L, destes, 0,35 L vão até o alvéolo e 0,15 L ficam nas vias aéreas até os bronquíolos. Se praticarmos um exercício de maneira moderada, utilizamos o volume corrente (VC), agora se o exercício é mais exigente usamos o volume de reserva expiratória (VRE) também. 2.2.2. Volume de reserva inspiratória (VRI) Quando inspiramos em uma inspiração norma um volume de ar além do corrente, temos o volume de reserva inspiratória (VRI). O VRI diminui quando o VC aumenta e está ligado ao equilíbrio entre a elasticidade pulmonar e o desempenho muscular do tórax. 2.2.3. Volume de reserva expiratória (VRE) Da mesma maneira que inspiramos, quando expiramos uma quantidade de ar maior do que normalmente expiramos, como numa expiração forçada,, este volume “extra” é o que chamamos de volume de reserva expiratório (VRE). O VRE diminui à medida que o VC aumenta. Está relacionado com a força de compressão dos músculos e do diafragma. 2.2.4. Volume residual (VR) Mesmo após uma expiração profunda, quando um volume considerável de ar ainda permanece em nossas vias respiratórias e nos alvéolos, este volume corresponde ao volume residual (VR). Depende da capacidade espacial do tórax e do seu conteúdo, como por exemplo, o coração, a traquéia e os vasos sanguíneos. 2.2.5. Capacidade Inspiratória (CI) A capacidade inspiratória (CI) é o volume de ar medido com mais precisão que o VRI. Pode ser definido como o volume de reserva inspiratório somado ao volume corrente. Equivale a aproximadamente 3500 mL. 2.2.6. A capacidade residual funcional (CRF) É a soma do volume de reserva expiratório e o volume residual. Uma CRF faz trocas gasosas entre os intervalos entre os dois hemiciclos. Neste processo temos a eliminação de CO2. Quando a CRF é pequena, a troca de gases não é completa. 2.2.7. A capacidade vital (CV) É a soma dos volumes, com exceção do volume residual. É o limite físico, mas o VC não chega a atingir a CV. 2.2.8. A capacidade total (CT) É o volume de reserva inspiratório, somado ao volume corrente e ao volume reserva. Está relacionada com a massa corporal do indivíduo - quando CT esta normal, ela 74 | Ciências Naturais e Matemática | UAB conserva uma proporção ideal com a massa corporal. Abaixo temos uma tabela com os dados referentes ao volume e capacidades pulmonares de diversos animais: taBela 9 – m edidas animal V. r e s i d . de a lguns Volumes V. r . i . e c aPacidades 2,0 --- em l itros 3,7 30 --- V. r e s p i r . V. r . e . c . p.to t a l c . p V i t a l Homem Equino Bovino Cão 10 a 12 0,25 a 0,75 8a9 1,25 4a6 0,1 a 0,3 3,5 0,5 10 a 12 --- 2,0 10 a 12 40 a 42 --- 5a6 3. V e n t i l a ç ã o a lV e o l a r : É o volume de ar que entra e sai dos alvéolos em um dado período de tempo. Entre a entrada e saída desse volume, parte do ar retorna ao alvéolo. Um terço desse volume é trocado e dois terços são ar novo. Como o ar já está em equilíbrio com as trocas gasosas, esse volume de ar não tem serventia. 4. comPl acência Pulmonar: É a relação entre a pressão aplicada e a deformação obtida. Pode ser calculado por: compl = DV DP Onde o volume é descrito em litros e a variação de pressão em cmH 2O. A fibrose esta relacionada à diminuição dessa complacência pulmonar, já o enfiseenfisema está associado ao aumento dessa complacência. 5. t e n s ã o s u P e r f i c i a l A tensão superficial é uma força que une compactamente a camada monomolecular da superfície de um líquido. É essa camada na superfície do líquido que faz com que sua superfície se comporte como uma membrana elástica que não deixa certos objetos adentrá-lo, ou seja, afundar (figura 45 –a)., Tem dois efeitos no pulmão: (a) (b) Tensão Superficial Figura 45 – (a) inseto sobre a água. (b) as moléculas da água (h2o) interagem entre si dentro do liQuido em todas as direções, mas as moléculas Que estão na superFície só interagem com as Que estão abaixo porQue não há nada outras em cima. dessa Forma cria-se a tensão superFicial. Líquido UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 75 5.1. B a r r e i r a à d i f u s ã o Quanto maior é a tensão superficial da fina camada líquida que recobre o alvéolo, mais difícil se torna a penetração de O2, porque a camada monomolecular de líquido é uma barreira. A tensão superficial da água é 71 x 10-3 N.m-3, no SI, e cerca de 71 dine. cm-1 no CGS. No pulmão, biomoléculas tensoativas diminuem esse valor para 4 a 15 dine cm-1 (4 a 15 x 10-3 N.m-1). O tensoativo (surfactante) mais conhecido no pulmão, é um fosfolípide, a dipalmitoil lecitina, que atua em conjunto com outros fosfolípides. A baixa do surfactante é um estado patológico que necessita atenção imediata, como na doença da membrana hialina do recém-nascido. É necessário administrar surfactante exógeno através de aerossol. Compostos tiolados (contendo grupos SH), como a N-acetilcisteína e a B-mercaptoetilamina são efetivos. Existem muitas outras condições onde há baixa do surfactante: edema pulmonar, acidose, circulação extracorpórea, afogamento e atelectasia. Essas síndromes podem ser tratadas com a administração de surfactante em aerossol. 5. 2 . f e c H a m e n t o d e a lV é o l o s A força exercida pela tensão superficial pode ser comparada a um barbante que, puxado, fecha o alvéolo. Sabe-se que a tensão superficial alta é a causa do fechamento dos alvéolos, especialmente nos casos de atelectasia pulmonar. Também, sempre que a elasticidade pulmonar esta diminuída, o aumento da tensão superficial agrava os sintomas. 6. a lei de l aPl ace – r e l a ç ã o e n t r e t e n s ã o e P r e s s ã o a lV e o l a r No caso do pulmão, os efeitos podem ser sumarizados na Figura 46 – b. Em um sistema de tubos com as torneiras A, B e C, dois balões de borracha (ou bolhas de sabão!) são cheios diferentemente: um mais do que o outro. Quando a torneira A é fechada, e B e C abertas, o balão menor se esvazia no maior. Isso porque, sendo seu raio menor, e a tensão maior, a pressão interna deste é maior que a pressão interna do balão C. (a) (b) A B P1 Figura 46 – (a) bolha de sabão e (b) lei de laplace em alVéolos. C T1 P2 R2 T2 R1 P1 = 2T1 & P2 = 2T2 R1 R2 76 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Esse mecanismo ocorre nos alvéolos que se comunicam quando há obstrução nas vias aéreas superiores. Qualquer obstrução no fluxo externo pode provocar esse colabamento de alvéolos menores, em alvéolos maiores. Em certas patologias, como no enfisema, os alvéolos maiores dilatados, são justamente os que funcionam pior que os alvéolos de tamanho normal. Quando há obstrução, os normais, menores, se fecham ao se esvaziarem nos alvéolos doentes. Esse é um fator de agravamento do enfisema. Baixa de surfactante pode complicar ainda mais esses quadros. 7. t r o c a s g a s o s a s e de V a P o r d ’á g u a Esse importante aspecto fisiológico fica mais fácil de ser apreendidos através da biofísica quando se considera, em separado, os gradientes de concentração dos gases. As pressões serão em torr, para se conformar ao uso generalizado. Vamos supor um individuo respirando em uma atmosfera natural, úmida, sob pressão de 760 torr (100.000 Pa ou 100 kPa), como na Fig. 47. Essa atmosfera possui, de acordo com a lei de Dalton, as seguintes pressões de O2 e N2. O2 = 760 . 20 = 150torr 100 760 . 79 = 600torr N2 = 100 Possui ainda uma concentração mínima de CO2, menos de 1 Torr, e uma concentração variável de vapor d’água, entre 2 a 25 Torr. Com esses dados, vamos acompanhar na Figura 47, o gradiente de cada gás. EXP 110 INS 110 EXP 545 INS 600 EXP 32 35 INS 0,3 EXP 47 47 INS 2 a 25 105 105 100 100 95 (40 + 50) CD 40 50 O2 CE 90 VAS 545 580 A CP 545 545 48 40 40 47 47 CS T 545 545 N2 (8 + 40) 48 CO2 47 47 H 2O Figura 47 – trocas gasosas no pulmão e tecidos Vas - Vias aéreas superiores; a - alVéolo; cp - capilar pulmonar; cs - capilar sistêmico; t - tecitos; cd coração direito; ce - coração esQuerdo; exp - expiração; ins - inspiração. pressão em torr. torr x 133 = pa. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 77 • Oxigênio – A concentração inicial de O2 se dilui com o ar das vias aéreas superiores (VAS) e cai de 150 a 95 torr, do exterior do alvéolo (A). Daí passa 50 torr para o capilar pulmonar (CP), que se juntam aos 40 torr já existentes; e circulam 90 torr pelo coração esquerdo (CE), ligados à hemoglobina do sangue arterial, até os capilares sistêmicos (CS). Nos tecidos (T), há um consumo de 50 torr de O2, e restam 40 torr que passam pelo coração direito (CD) e chegam ao capilar pulmonar; sendo “reciclados” com a nova metade de O2. Deve-se notar que não são exatamente as mesmas moléculas de O2 que voltam, e sim a mesma concentração. As moléculas de O2 podem, e são renovadas. Do alvéolo ao ambiente, é o mesmo gradiente, porém inverso. Notar que o alvéolo permanece em regime estacionário em relação ao fluxo de O2, embora o O2 tenha “ida e volta” pela traqueia, e apenas “ida” pelo alvéolo. O mesmo acontece nos tecidos. • Nitrogênio – Na atmosfera são 600 torr, que caem em gradiente até 545 torr no alvéolo. Como o N2 não é metabolizado, ele circula nessa concentração em todo o organismo e é devolvido à atmosfera na mesma concentração. Nota: Uma pergunta natural, sugerida pela termodinâmica, é a seguinte: Como, a partir de concentrações menores no pulmão, tanto o O2 como N2, vão para a atmosfera? A resposta é simples: transporte passivo, mecânico, pelo ar expirado. O gradiente de pressão expulsa o ar do pulmão. • Gás Carbônico – Com o CO2, o círculo é diferente. A quantidade de CO2 atmosférico é desprezível (0,3 torr), e não há entrada de CO2 no pulmão. No alvéolo (A), a quantidade em equilíbrio com o capilar pulmonar (CP) é 40 torr. Essa pressão passa pelo coração esquerdo (CE), e no capilar tissular recebe 8 torr de CO2 produzidos pelo metabolismo dos tecidos (T) e, com concentração de 48 torr, chega ao capilar pulmonar, de onde 8 torr são eliminados via alvéolo. Apesar dessa descarga de CO2 no alvéolo, este permanece em estado estacionário, com concentração média de 40 Torr. • Vapor D’Água – O ciclo de vapor d’água é interessante. Como a 37 °C a pressão de saturação de H2O(V) é 47 torr. Do alvéolo para fora, essa é também a pressão de H2O(v) expulso mecanicamente, carreado pelo volume expirado. Isso acontece mesmo que a pressão de vapor externo, ambiental, seja 47 torr, ou mais. Em qualquer circunstância, o ar exalado é saturado de vapor d’água, a 37 °C. • Estado Estacionário Alveolar – Em todos esses gases, o alvéolo permanece em estado estacionário. O que entra é igual ao que sai, com a entropia aumentada. O alvéolo é tipicamente uma estação de troca, e pode ser comparado ao um aeroporto, onde os passageiros chegam e saem, mas o número de passageiros em trânsito dentro do aeroporto, é aproximadamente constante. 78 | Ciências Naturais e Matemática | UAB 8. Pressões de Va P o r e r esPir aç ão – e lim inaç ão de calor Na terra, a água existe sob três formas, sólida, líquida e gasosa. A fase gasosa é geralmente chamada de vapor, e a sólida de gelo. As quantidades de cada estado dependem da oferta, da temperatura e da posição geográfica. Nos polos, há gelo e vapor (também água), na atmosfera, geralmente apenas vapor. A quantidade de vapor d’água atmosférica depende da temperatura (fisicamente) e da oferta (ecologicamente). Em locais onde a oferta de água é generosa, a pressão de vapor depende da temperatura, como mostrado na tabela 10. taBela 10 –P ressão te m p e r a t u r a ( ° c ) de s atur ação de H 2 o(V) em f unção da temPer atur a p r e s s ão (t or r) 0 5 10 15 20 25 30 4,6 6,5 9,2 12,8 17,5 23,8 31,8 te m p e r a t u r a (°c) p r e s s ão (t or r) 35 37 40 45 50 100 121 42,2 47,1 55,3 71,9 92,6 760 1,520 Essas condições existem em um vidro fechado com água, ou com uma solução, admitindo-se que os solutos tenham um efeito desprezível sobre a pressão de vapor. Outro aspecto importante a ser entendido é o efeito da pressão externa sobre a pressão de vapor. Se a pressão externa aplicada é maior que a pressão de vapor para determinada temperatura, o vapor se condensa sob forma líquida. Enquanto o valor da pressão externa não é atingida pela pressão de vapor d’água, a pressão de vapor será determinada apenas pela temperatura. Assim, a pressão de H 2O(v) sob 1 atmosfera, vai até 760 mmHg, quando T = 100 °C; mas se a pressão atmosférica é menor, como em altitudes mais elevadas, a água ferverá em temperaturas menores. A 1.000 m acima do nível do mar, a água ferve a aproximadamente a 93 °C. Se a temperatura descer a 25 °C, haverá condensação de vapor d’água para líqui, haver� d��gua líqui� do; se subir a 45 °C haver� vaporização de �gua líquida, e o novo equilíbrio de pressão, será: A 25°C, H2O(v) = 23,8 torr A 45°C, H2O(v) = 71,4 torr A tabela 6 tem duas aplicações práticas importantes, especialmente para o conhecimento da atmosfera em ambientes hospitalares e na pesquisa biológica. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 79 a sPec tos Biofísicos de tr ansPorte de gases É um ponto importante para o entendimento da Bioquímica e Fisiologia do Transporte dos Gases. Os gases existem nos líquidos sob duas formas: 1. Combinados com solutos. 2. Dissolvidos fisicamente. O oxigênio, por exemplo, existe no sangue combinado com a hemoglobina, como HbO2(aq) e dissolvido fisicamente, como O2(aq). O subscrito aq (aquoso), indica que o sistema é uma solução, tendo água como solvente. O nitrogênio existe simplesmente como N2(aq), já que é um gás inerte. 1. o X i g ê n i o A situação de O2 no sistema alveolar-capilar pulmonar está na Figura 48. a lV é o l o 95 Torr de O2 (aq) A quantidade combinada, como HbO2(aq), será vista mais adiante. E a quantidade dissolvida? Pela Lei de Henry, temos: Vd = 95 x 0,029 x 1 = 2,75 ml de O2(aq) por litro de plasma, a 37°C (em condições NTP). Esses 2,75 ml de O2(aq) exercem uma pressão parcial igual à do gás que esta acima, isto é, no alvéolo, e, portanto, de 95 torr. Quantos moles de O2 esse volume representa? Há dois modos de calcular: 1. Pelo volume de 1 mol a 37 °C: -3 HbO2 (aq) Capilar O2(aq) 25, 51 2, 75 . 10 l Figura 48 – o2 dissolVido (Ver texto). & X = 1, 1 . 10-4 moles de O2 = 1 mol X hbo2(aQ) – o2 combinado. 2. Pela equação geral dos gases: o2(aQ) – o2 dissolVido. ^760 . 1, 33 . 102h . 2, 75 . 10-6 m3 n = PV = & n = 1, 1 . 10-4 moles de O2 por litro de plasma RT 8, 3 . 310 Já a quantidade de transportada pela hemoglobina como HbO2(aq), pode ser calculada: A molaridade da solução de Hb de um sangue com 160 g.L-1 de H, é: MHb = 160 g.L-1 1 . 10-2 mol.L-1 -1 = 16 . 100 g.mol Se essa hemoglobina estiver 100% saturada com O2, essa será a quantidade de oxigênio transportada. Essa quantidade é cerca de 70 vezes mais que o O2 ligado à Hb é cerca de 200 mL por litro de sangue: V= 1 . 10-2 . 8, 3 . 310 = 2, 3 . 10-4 m3 ou 230 mL 1, 01 . 10-4 80 | Ciências Naturais e Matemática | UAB 2 . gás c ar Bô nico O carbonato total compreende o NaHCO2 e o H.HCO3, este ultimo é equivalente ao CO2(aq), que pode ser calculado: Vd = 40 . 0,70 . 1 = 28,0 mL.L-1 (NTP) A molaridade será: -3 22, 4 = 28 . 10 & X = 1, 25 . 10-3 moles de CO2 X 1 mol Por litro de sangue, a 37°C, e que circulam como H.HCO3, sendo o doador de prótons da equação de Henderson-Hasselbach no tampão bicarbonato-ácido bicarbônico do plasma. Esse ácido bicarbônico em um litro de sangue (600 mL de plasma + 400 mL de hemácias), se divide, com cerca de 0,85 x 10-3 mol no plasma, e 0,40 x 10-3 mol nas hemácias. A distribuição assimétrica, com menor quantidade de hemácias, é devido ao fato de que essas células possuem mais sólidos ocupando espaço. Uma fração de CO2 globular está sob a forma de carbônio-Hb. O CO2 total inclui o HCO3, íon bicarbonato, e é cerca de 25 x 10-3 moles por litro de plasma. Esse é o aceptor da equação de Henderson-Hasselbach, e está cerca de 18 x 10-3 mol no plasma, e 6 x 10-3 mol nas hemácias. A distribuição assimétrica é devida ao menor espaço hemático, e também a uma troca iônica com íons cloreto (CL-). efeito BoHr e e feito Haldane São dois efeitos de grande importância fisiológica, no transporte de hidrogênio (H ), e cabornato como CO2. • Efeito Bohr – Quando a hemoglobina se liga ao oxigênio, ela libera prótons (H+) (Figura 49 – a), e quando se desliga do O2, ela incorpora H+ (Figura 49 – b). + O2 Hb a Hb H+ O2 H+ Esse efeito é simétrico, isto é, se a Hb é colocada em meio contendo excesso de prótons (em pH mais baixo), ela diminui sua afinidade pelo O2, e cede O2 com mais facilidade. Se colocada em meio de pH mais elevado, ela aumenta sua afinidade pelo O2. • Efeito Haldane – Quando a hemoglobina se liga ao O2, sua afinidade pelo CO2 b é diminuída e quando se desoxigena, sua afinidade pelo CO2 aumenta. Esse efeito Figura 49 – eFeito bohr também é simétrico. Em meio com maior pressão de CO2, a afinidade de O2 diminui, em meio com menor pressão de CO2, a afinidade pelo O2 aumenta. Esses efeitos são adjuvantes no transporte de H+ e CO2, da seguinte forma: no pulmão, a Hb se liga ao oxigênio, e desprende H+ e CO2 que formam H.HCO3 e são UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 81 exalados. Nos tecidos, a Hb libera o O2 e se combina com maior afinidade ao H+ e CO2. A ação simétrica se acentua nesses órgãos - o pulmão tem mais oxigênio e menos H+ e CO2. Nos tecidos, o pH é mais baixo e tem mais CO2. O efeito Bohr facilita 6% do transporte de O2 (12 mL.L-1) e o efeito Haldane facilita cerca de 4% do transporte de CO2 (1,2 mL.L-1 de sangue). 82 | Ciências Naturais e Matemática | UAB r ad iaçõ es , r a d i o at i V i d a d e e r adioBiologia 6 introduç ão Comumente chamamos de radiação a energia transmitida por ondas eletromagnéticas ou por partículas ejetadas por núcleos radioativos, tais como os núcleos do urânio, do rádio, do polônio etc. A radiação pode ser definida de maneira mais geral como uma forma de energia transportada. Cuidado! Uma forma de energia transportada não é necessariamente uma onda. Onda é energia transportada sem transporte de matéria. Com a segunda definição, as ondas mecânicas podem ser consideradas radiações. Então, uma pergunta que pode surgir a respeito da palavra radiação seria – “Como defini-la?” – ou, talvez – “Por que a primeira definição não engloba as ondas mecânicas como faz a segunda?”. No contexto da Biologia e da Medicina, as ondas eletromagnéticas de alta energia e as partículas ejetadas por núcleos radioativos possuem mais semelhanças entre si do que com as ondas mecânicas, por isso a primeira definição geralmente é utilizada. Por exemplo, as ondas eletromagnéticas e as partículas emitidas por núcleos atômicos são produzidas no micromundo atômico e nuclear, respectivamente, enquanto uma onda mecânica geralmente é produzida no mundo macroscópico, que enxergamos a olho nu. As diferentes radiações, no sentido mais amplo, produzem efeitos biológicos diversos que dependem do tipo13, da energia14 e da intensidade da radiação15, bem como do material irradiado16. Por exemplo, se a energia liberada por uma radiação ionizante em um sistema biológico fosse igual à quantidade de energia calorífica contida em uma xícara de café, ela seria mortal!. O ultrassom, que é uma onda mecânica, pode, 13. Tipo de radiação: raios X, raios gama, partículas alfa, feixe de nêutrons, partículas beta etc. 14. Frequência dos fótons no caso dos raios X e raios gama. Energia cinética das partículas no caso de partículas alfa, beta, nêutrons etc. 15. Quantidade de energia por unidade de tempo e de área. 16. O material que recebe radiação. Por exemplo, o tecido muscular, o tecido hematopoiético, o ar, uma placa de chumbo etc. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 83 22 21 20 19 18 8 7 raios gama raios X Espectro Ionizante Espectro Óptico ultravioleta Espectro Visível 6 5 4 3 2 1 0 -1 infravermelho -2 -3 Ondas de Rádio microondas televisão banda FM -4 -5 -6 -7 banda AM -8 -9 -10 Logarítmo da frequência 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 por exemplo, causar um efeito de micromassagem local, aumentando o fluxo sanguíneo, o metabolismo celular, o suprimento de oxigênio e até mesmo a temperatura. Os efeitos das radiações nos organismos vivos são o objeto de estudo da Radiobiologia. A partir daqui, por motivos didáticos, daremos enfoque às radiações ionizantes. Radiações ionizantes são aquelas que arrancam elétrons da matéria e produzem íons. Outros tipos de radiação são estudados em tópicos como o de bioacústica, biotermologia, etc. São radiações ionizantes: raios X, raios gama, raios alfa, raios beta, feixe de prótons, feixe de nêutrons, etc. Entre as radiações ionizantes, apenas os raios X são produzidos por transições eletrônicas na eletrosfera dos átomos. Os outros tipos de radiação são de origem nuclear. Entre as radiações de origem nuclear, apenas os raios gama são ondas eletromagnéticas (Figura 50), os outros tipos são formados por partículas em alta velocidade. Logarítmo da energia do fóton (eV) raios X Quando um metal é aquecido no vácuo, muitos elétrons se desprendem dele, formando uma nuvem negativa e deixando-o carregado positivamente. Esse fenômeno é chamado de efeito termoiônico. A aplicação de uma diferença de potencial elevada entre o cátodo (metal aquecido no vácuo) e o ânodo (placa metálica positivamente carregada) acelera os elétrons da nuvem catódica em direção ao ânodo. Enquanto viajam, os elétrons ganham velocidade17 até que colidem com os átomos-alvo. Ao interagir com os átomos-alvo, os elétrons acelerados transferem energia aos elétrons orbitais, promovendo várias transições eletrônicas. Essas transi(b) Cátodo ções eletrônicas são excitações e relaxações de elétrons que e- Alvo produzem luz visível, calor e raios X. Raios X Ânodo Figura 50 – espectro das radiações eletromagnéticas (a) Figura 51 – (b) tubo de raios x. (a) um Feixe de elétrons salta do cátodo para o ânodo e colide com uma placa metálica, arrancando elétrons das camadas mais internas dos átomos-alVo. 17. Apesar da diferença de potencial ser a mesma, as velocidades dos elétrons são são diferentes por causa das diferentes energias dos elétrons no cátodo pelo efeito termoiônico. 84 | Ciências Naturais e Matemática | UAB É preciso que os elétrons nas camadas mais internas (as camadas K e L) dos átomos-alvo sejam deslocados para que se produzam raios X. Um elétron de uma camada mais afastada sofre uma transição para ocupar então o nível mais interno que ficou desocupado, liberando um fóton de raio X. Isso gera um efeito cascata, com elétrons mais externos ocupando as camadas mais internas que ficam livres. Tal processo é chamado de convecção eletrônica e é devido a ele que fótons de diferentes energias são liberados. A energia dos raios X que são produzidos pela convecção de elétrons depende da natureza do átomo-alvo, pois cada átomo tem quantidades definidas de energia entre seus orbitais. Isso implica que o espectro de emissão de raios X pela convecção eletrônica é um espectro discreto e característico. Mas, os raios X também são produzidos pela aceleração centrípeta de elétrons (conhecido como bremsstrahlung18) quando estes passam com grande energia cinética próximos dos núcleos atômicos. Os elétrons sofrem um encurvamento em sua trajetória e perdem parte de sua energia com a liberação de fótons. A Figura 52 ilustra as interações descritas acima. á t o m o a lV o Camadas Eletrônicas Núcleo Elétrons Incidentes 4 3 2 2 Interação próxima. 1 Interação distante. Baixa energia. Energia moderada. M Elétron ejetado da camada K L K 4 Espectro característico. Energia discreta. 1 3 Impácto com o núcleo. Máxima energia. Figura 52 – representação de algumas interações possíVeis entre os elétrons incidentes e um átomo-alVo. O espectro dos raios X produzidos por frenagem é contínuo. Em função disso, os raios X produzidos nas ampolas de elevado vácuo possuem várias frequências e intensidades. Apenas 1% da energia cinética dos raios catódicos é convertida em raios X, o 18. Conhecida como bremsstrahlung ou frenagem de elétrons. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 85 6 Intensidade do raio X (unidades relativas) restante é perdido sob a forma de calor. A Figura 53 ilustra o espec4 tro de raios X do molibdênio em 25 KV Radiação contínua função da voltagem entre cátodo 3 e ânodo. Kβ 20 A intensidade e a qualidade 2 dos raios X dependem da diferença de potencial entre o cáto15 do e o ânodo, do aquecimento do 1 10 cátodo-filamento, do material que 5 constitui a placa metálica alvo e de 0 2.0 3.0 filtros que retenham as radiações 1.0 Comprimento de onda (angstroms) de baixa energia formadas na amFigura 53 – espectro de raios x do molibdênio como Função da Voltagem pola e que deixem passar apenas aplicada. Figura adaptada. os raios X de alto poder de penetração. Os raios X são ondas eletromagnéticas cuja característica corpuscular obedece à relação de proporcionalidade direta entre a energia e a frequência. A energia do fóton (E) é igual a sua frequência (f ) vezes a constante de Planck (h): E = hf Ao tentar atravessar a matéria, os fótons interagem com os átomos através do espalhamento coerente, do efeito fotoelétrico, do efeito Compton, da produção de par ou da fotodesintegração. Cada uma dessas interações, com suas particularidades, possuem efeitos desejáveis, indesejáveis ou irrelevantes para a radiografia. O efeito fotoelétrico, por exemplo, permite a formação de imagens com elevado contraste entre os órgãos, mas, por outro lado, é responsável por forte ionização do meio-alvo. A redução da intensidade de um feixe de raios X à medida que ele atravessa a matéria é chamada de atenuação. Ela depende da quantidade de elétrons por grama do meio, da densidade do meio, do número atômico do elemento químico principal que constitui o meio e da energia dos fótons que formam o feixe de raios X. A atenuação é o principal fundamento do uso dos raios X para exames de sistemas biológicos, pois ela é diferente para os diferentes tecidos. Ossos e cartilagens, por exemplo, absorvem mais do que músculos, vasos sanguíneos e vísceras. Assim, os ossos e cartilagens fazem uma “sombra clara” na película radiográfica. Isso ocorre porque a parte fotossensível do filme radiográfico é uma fina camada de cristais de haleto de prata. Quando a luz que incide sobre os cristais é suficientemente intensa para desorganizar a maioria dos cristais de uma determinada área, o processo de revelação produzirá, nessa área, muita prata metálica, que é negra. Radiação característica 5 Kα radionuclídeos Um radionuclídeo ou radioisótopo é um isótopo que emite radiação. Isótopos 86 | Ciências Naturais e Matemática | UAB são átomos dotados de mesmo número atômico, porém com massas atômicas diferentes porque possuem quantidades diferentes de nêutrons. Exemplos de isótopos são C,11 C12 ,C14 ,I 125 ,I 126 ,I 130 ,I 131 ,Na 22 ,Na 24 . Um corpo irradiado com radiações gama ou raios X, cuja exposição é externa19, não se torna radioativo, exceto em situações especiais em que a radiação é de energia muito alta. Por outro lado, os radioisótopos podem contaminar a pele ou penetrar o corpo por inalação, ingestão, inserção, etc. Podem também contaminar plantas, solo, água etc. O ambiente ou os sistemas vivos contaminados com radionuclídeos continuam emitindo radiação e podem contaminar outros sistemas. Um dos acidentes mais graves da história por contaminação radioativa aconteceu em setembro de 1987 em Goiânia/GO. Uma bomba de césio 137, que estava abandonada nos escombros do antigo Instituto Goiano de Radioterapia, foi desviada por sucateiros, aberta e vendida num ferro-velho. Além do ambiente, mais de 200 pessoas foram contaminadas e, entre elas, quatro morreram, um teve um dos seus braços amputados e outro teve grave queimadura nas pernas. Essa bomba de césio 137 é o que chamamos de rejeito radioativo e a tragédia de Goiânia ensina que devemos isolar tal tipo de material em local que possa oferecer segurança ao ser humano e ao ambiente, por tempo longo o suficiente para que o material radioativo decaia a níveis aceitáveis. i n s ta B i l i d a d e a t ô m i c a Atualmente, a Física Contemporânea descreve os fenômenos naturais em termos de quatro interações fundamentais, que podem ser pensadas através de campos de forças. A força gravitacional e a eletromagnética são interações que se fazem sentir no mundo macroscópico e, por isso, são mais facilmente percebidas. A força gravitacional é responsável pelos movimentos planetários e pela organização da estrutura em larga escala de nosso universo, oriunda da presença de massa, enquanto a força eletromagnética, sendo manifestação das cargas elétricas, é responsável pela formação dos átomos, ligações moleculares e processos biológicos fundamentais. A força nuclear forte e força nuclear fraca aparecem somente em escalas subatômicas. A interação nuclear fraca é responsável pelos processos radioativos, nos quais núcleos atômicos instáveis decaem e emitem partículas, enquanto a interação nuclear forte responde pela coesão dos prótons e nêutrons no interior dos núcleos atômicos. Na escala subatômica a interação gravitacional entre as partículas é desprezada, uma vez que a massa das partículas é muito pequena. Os prótons possuem carga positiva e, por isso, sofrem forças de repulsão entre si. Isto é, a força eletrostática é responsável pelo afastamento entre os prótons. Caso não houvesse uma força responsável pela atração entre os elementos mais massivos do nú19. Isto é, radiações que são emitidas de fora para dentro do corpo. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 87 cleo (prótons e nêutrons), o núcleo atômico com mais de um próton não poderia existir. Mas, a força nuclear forte mantém os elementos do núcleo presos uns aos outros, proporcionando a estabilidade da matéria. A natureza desta força é mais complexa do que a das demais interações e tem caráter atrativo entre prótons e nêutrons, com uma escala de atuação da ordem de alguns femtômetros (10-15m). Para distâncias maiores do que esta, a repulsão eletrostática domina sobre a atração forte, desestabilizando os núcleos atômicos. No caso de núcleos pequenos, a força forte domina sobre a repulsão elétrica mantendo os núcleos coesos. Mas, no caso de núcleos extremamente massivos, a força nuclear forte pode ser pequena comparada à força elétrica repulsiva, fazendo com que um núcleo grande não seja tão estável quanto um núcleo pequeno. Os núcleos com número atômico maior do que 82 prótons são instáveis e sofrem decaimento (desintegração), emitindo partículas alfa, beta e os raios gama, tornando-se mais estáveis. d e c a i m e n t o a l fa Um dos processos de estabilização de um núcleo radioativo é a emissão de uma partícula constituída por dois prótons e dois nêutrons, ou seja, semelhante ao núcleo de um átomo de Hélio. A emissão dessa classe de partículas é oriunda de átomos com número atômico z, tais como o urânio-238 (U238), urânio-235 (U235), plutônio-239 (Pu 239) e o paládio-231 (Pa 231). A reação é usualmente representada por: A Z 4 X " A - 4 Y + 2a Z-2 Onde X é o elemento pai e Y, o elemento filho, decorrente de um processo de transmutação, ou seja, Y é outro átomo. Por exemplo, no decaimento alfa do Rádio-226 (Ra 226) (ele transforma-se no Radônio-222 (Rn 222) (, este ainda instável, tende a sofrer outros decaimentos até transformar-se no Chumbo-210. Este tipo de decaimento é um fenômeno que envolve a conservação dos números atômicos e de massa dos elementos envolvidos, conforme pode ser visto na reação descrita acima. À medida que se propagam, as partículas ejetadas do núcleo perdem energia cinética (de movimento) devido a sua interação com os átomos do meio. Estas interações podem ser mecânicas (devido às colisões das partículas com os átomos que constituem o meio) ou por meio do campo elétrico (o campo elétrico gerado pelas partículas alfa pode alterar algumas propriedades do meio que as envolve). Com essas colisões, ocorrem excitações e ionizações dos átomos do meio. Excitações ocorrem quando as radiações transferem parte de sua energia para mover elétrons para orbitais mais energéticos e ionizações ocorrem quando as radiações arrancam elétrons desses átomos, produzindo íons. Um núcleo perde grande quantidade de energia num decaimento alfa, mas todas as partículas emitidas por um mesmo tipo de radionuclídeo possuem as mesmas quantidades de energia. Elas possuem um pequeno alcance devido a sua alta massa e 88 | Ciências Naturais e Matemática | UAB tamanho, sendo facilmente absorvidas por poucos centímetros de ar, onde percorrem trajetórias aproximadamente retilíneas. Uma finíssima folha de alumino de 21 µm é suficiente para barrar completamente um feixe de partículas alfa com energia de 5 Mev (mega elétron-volts), ou até mesmo uma folha de papel. A probabilidade de atravessarem a pele do corpo humano é quase nula se o emissor estiver fora do corpo. Mas, se radionuclídeos como os do radônio, que é um gás nobre pesado emissor de partículas alfa, forem inalados, as partículas alfa emitidas por eles causarão ionizações dos átomos dos brônquios e alvéolos pulmonares, iniciando assim os danos. d e c a i m e n t o B e ta Em muitos decaimentos ocorre a emissão espontânea de um elétron ou de um pósitron, respectivamente simbolizadas por ß - e ß +. O pósitron, também chamado de elétron positivo, é idêntico aos elétrons das camadas eletrônicas, diferindo apenas quanto à sua origem. Trata-se de uma partícula que possui a mesma massa do elétron, mas carga contrária, correspondendo à antipartícula do elétron. O decaimento ocorre quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação ao de número de prótons, ou vice-versa. Existindo excesso de cargas positivas (prótons), é emitida uma partícula beta positiva, resultante da conversão de um próton em um nêutron; no caso do excesso de nêutrons há a emissão de partículas beta negativas, resultantes da conversão de nêutrons em prótons. Este decaimento nuclear é sempre acompanhado da emissão de outras partículas: o neutrino (n) e os antineutrinos (n), que não possuem carga e tem massa de repouso extremamente pequena, sendo partículas de difícil detecção. Estrôncio-90 (Sr90) , tecnécio-99 (Tc99) e cálcio-45 (Ca45) são exemplos de fontes emissoras de radiação beta. O decaimento ß - pode ser expresso pela equação: A X Z " Y ZA+ 1 + b - + n Onde X é o elemento-pai e Y o elemento-filho. A conversão nuclear que se supõe estar associada a este tipo de emissão é dada por: n " p+b+n Onde se verifica o desaparecimento do nêutron e, em seu lugar, o aparecimento do próton, sendo ejetados do núcleo a partícula beta negativa e o antineutrino. Equações análogas podem ser desenvolvidas para o decaimento ß + [4]. A trajetória das partículas não são retilíneas como no caso das partículas alfa, pois sua pequena massa as torna vulneráveis a mudanças quando interagem com o meio. Durante sua trajetória, elas podem interagir com elétrons, excitando átomos ou formando pares iônicos. Ao passar nas proximidades de um núcleo pesado, elas podem sofrer Bremsstrahlung, resultando na emissão de fótons. Logo após perder parte de sua energia cinética, a partícula beta negativa pode então ser atraída por cátions do meio. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 89 No decaimento as partículas ß + são ejetadas do núcleo com energia cinética muito maior do que as ß - devido à força de repulsão eletrostática. Ainda no meio produzem ionizações, mas durante um curto intervalo de tempo, pois logo interagem com um elétron do meio e sofrem aniquilação20, liberando fótons de energia. Elas são bem mais penetrantes que as partículas alfa, por isso conseguem atravessar a pele, mas não o corpo. Podem ser bloqueadas usando-se uma placa de madeira, plástico ou uma fina lamina metálica. Esta propriedade permite aplicações médicas em superfícies da pele, como a aceleração do processo de cicatrização em cirurgias plásticas. raios gama É a emissão de um fóton pelo núcleo que ainda permanece excitado após um decaimento alfa ou beta. O fóton emitido chama-se raio gama e sua energia corresponde à diferença entre dois níveis de energia nuclear. É fundamental salientar que neste caso o núcleo não sofre transmutação e, em geral, seu estado final é o fundamental, ou seja, um estado de mínima energia, deixando o átomo estável. A reação típica é dada por: A A XZ * " XZ + c Onde o primeiro termo indica um núcleo no estado excitado. Este tipo de radiação tem muito mais energia que as radiações citadas anteriormente, não possuindo massa nem carga elétrica. Compõem-se de ondas eletromagnéticas, semelhantes aos Raios-X, mas com comprimentos de onda na faixa de 1 angstrom, às vezes até menores. Com uma energia típica de cerca de 5 MeV nas substâncias radioativas naturais, e de cerca de 20 MeV nas reações nucleares artificiais, os raios gama não só ionizam facilmente diferentes substâncias, mas possuem grande poder de penetração. Atravessam milhares de metros de ar, até 25 cm de madeira ou 15 cm de espessura em aço, mas podem ser detidas por placas de chumbo com mais de 5 cm de espessura ou por grossas paredes de concreto. Podem atravessar completamente o corpo humano, causando danos irreparáveis. at e n u a ç ã o Ionização e excitação em um meio ocorrem durante um processo de deposição de energia, em um conjunto de interações21, e dependem das características da radiação e dos átomos irradiados. Quando comparadas com radiações particuladas, observa-se que as radiações eletromagnéticas atravessam meios materiais com maior facilidade. À medida que atravessa o meio, a intensidade da radiação é diminuída. Experimentalmente, sabe-se que a intensidade de um feixe que penetra na matéria diminui de acordo 20. Fenômeno que se caracteriza pela transformação da matéria e da antimatéria em energia eletromagnética. 21. Neste caso, interação significa a ação de uma força e o efeito causado por essa força. 90 | Ciências Naturais e Matemática | UAB com a expressão: I = I0 e Onde I0 é a intensidade da radiação incidente, x a espessura do material, I é a intensidade do feixe que emerge pelo lado oposto da barreira e µ é o coeficiente de absorção linear. É um termo que representa a capacidade do meio para reter a radiação incidente por unidade de percurso e seu valor depende do estado de agregação do meio, incluindo o número atômico dos átomos que o constituem. Com um aumento na espessura do meio, a quantidade de radiação que o atravessará será menor. Mas um fato interessante é que a radiação que emerge do lado oposto nunca é completamente eliminada, por maior que seja a espessura utilizada (a absorção obedece a uma lei exponencial, a intensidade diminui, porém nunca se anula completamente). Logo, a atenuação é resultado da interação da radiação com um meio qualquer, sendo que a capacidade de absorção é distinta para diferentes materiais, sendo definida pelo coeficiente de absorção. Isso explica, por exemplo, porque certa espessura de alumínio absorve menos que o chumbo. O chumbo tem número atômico aproximadamente seis vezes maior que o alumínio, implicando em um coeficiente de atenuação dez vezes mais elevado que o do alumínio. - nx dose de r adiaç ão O conceito de dose de radiação e seus conceitos subjacentes são fundamentais para a compreensão dos diferentes efeitos causados por radiações ionizantes em sistemas biológicos. A dose de radiação é definida como a quantidade de energia ionizante entregue para (ou absorvida por) um objeto. A quantidade de energia ionizante entregue para um objeto é chamada de dose de exposição ou simplesmente exposição. Ela depende de diversos fatores como: • Atividade e tipo de decaimento, no caso de radioisótopos; • Intensidade e qualidade22 do feixe de raios X; • Do quadrado da distância entre a fonte e o objeto; • Da área do objeto exposta à radiação; • Da natureza do meio absorvedor que há entre a fonte e o objeto (ar, água, chumbo, etc.); • Tempo de exposição. Ao atingir o objeto a radiação pode ser absorvida, transmitida ou espalhada. A radiação é transmitida quando os fótons e/ou partículas atravessam o objeto sem interagir com ele. A radiação transmitida não transfere energia ao objeto. Alguns fótons e/ ou partículas podem entrar no objeto e emergir com energia reduzida devido a efeitos de espalhamento. Essa energia de fótons e partículas que emergem do objeto também não é absorvida pelo objeto. A fração de energia absorvida pelo objeto (dose absorvida) 22. A qualidade do feixe se refere à distribuição de energia do feixe e está intimamente ligada com a ideiaideia do espectro do feixe. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 91 é o que realmente nos interessa, pois é ela que é responsável pelos efeitos biológicos no material irradiado. Dependendo do material irradiado, a dose absorvida pode ser diferente mesmo quando a dose de exposição e o tipo de radiação são os mesmos. Por exemplo, se submetermos 1 g de ar e 1 g de osso à mesma dose de exposição de radiação gama de 0,1 MeV, o osso absorverá 175 ergs23 enquanto o ar absorverá 86,9 ergs. É importante notar que no último exemplo informamos que, além de a dose de exposição ser a mesma, o tipo de radiação era o mesmo: 0,1 MeV de radiação gama. Isso é necessário porque a absorção de doses iguais de diferentes tipos de radiação pelo mesmo sistema biológico não produz um efeito do mesmo grau. Por exemplo, a frequência de aberrações cromossômicas produzidas em grãos de pólen da Tradescantia por certa dose absorvida de raios X de 250 kV é duas vezes maior do que a frequência de 60 aberrações produzidas por uma mesma dose absorvida de raios gama do Co . unidades usadas em r adioBiologia Existem diversas unidades usadas em radiobiologia que refletem a complexidade da interação entre radiação e matéria. As diferentes absorções que materiais distintos sofrem ao receberem um mesmo tipo de radiação é um exemplo da complexidade da interação entre radiação e matéria. Ainda, o grande potencial que as radiações ionizantes têm de provocar danos em seres vivos dificulta a realização de experimentos. A tabela 11 apresenta um resumo das principais unidades usadas em radiobiologia. taBela 11 – r esumo nome Bequerel Curie símbolo Bq (ou dps) Ci de u nidades usadas em r adioBiologia r el ações de igua l da de 1 Bq = 1 dps = 27pCi 1 Ci = 37GBq gr a ndez a atividade atividade signiFica do número de desintegrações por segundo número de desintegrações por segundo razão entre o número de cargas de mesmo sinal produzidas num volume de um material e a massa desse volume de material razão entre o número de cargas de mesmo sinal produzidas num volume de ar e a massa desse volume de ar energia absorvida por unidade de massa energia absorvida por unidade de massa Unidade X C/kg exposição -- Roentgen R exposição 1 R = 258 µC/ kg 1 rad = 100 ergs/g 1 Gy = 1 J/kg = 100 rad Radiation absorbed dose Gray 23. 1 J = 10.000.000 ergs Rad Gy dose absorvida dose absorvida 92 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Sievert Sv dose equivalente (H) dose absorvida modificada pelos fatores de ponderação (H = D.w). w* é o fator de ponderação. dose absorvida modificada pelos fatores de ponderação (H = D.w). w é o fator de ponderação. é a razão entre a dose absorvida de uma radiação de referência e a dose absorvida duma radiação qualquer que é necessária para obter-se o mesmo efeito biológico. 1 Sv = 1 J/kg Radiation equivalent man REM dose equivalente (H) 1 rem = 100 ergs/g = 1 cSv Relative biological effectiveness RBE -- -- * w = 1 para fótons, elétrons e múons de todas as energias; * w = uma função contínua da energia do nêutron; * w = 2 para prótons e píons; * w = 20 para partículas alfa, elementos de fissão e núcleos pesados. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 93 94 | Ciências Naturais e Matemática | UAB Proteç ão r adio lóg ic a 7 intro duç ão Considerando os possíveis danos causados a seres vivos pela exposição à radiação, tornou-se necessário estabelecer meios de proteção aos que trabalham com radiação. Sendo assim, foram criados organismos internacionais como a International Commissionon Radiological Protection (ICRP) para regulamentação e fiscalização em âmbito mundial ao que se refere à radiação. No Brasil o uso, o armazenamento e a aquisição de materiais são controlados pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), que é responsável pela legislação e pela fiscalização do uso radiação. As aplicações em radiodiagnóstico médico com aparelhos de raio X são supervisionadas pelas vigilâncias sanitárias nos âmbitos municipal e estadual, conforme as regras estipuladas pela Agência Nailâncias cional de Vigilância Sanitária (ANVISA). limites máXimos PermissíVeis A CNEN e a ICRP recomendam, então, limites de doses equivalentes diferentes para os trabalhadores com radiação e para o público em geral, tendo como base as outras ocupações reconhecidas como tendo alto grau de segurança. Levando em conta esses fatores e experiências anteriores, a ICRP fixou em 50 mSv o limite anual UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 95 de dose equivalente para os que trabalham com radiação, lembrando que nesta dose não está incluída a proveniente de exposição a radiação natural nem a de exposições médicas. Pr ec auçõ es Precauções devem ser tomadas pelos trabalhadores com radiação a fim de limitar os riscos e prevenir acidentes, que podem ser causados por exposição à radiação proveniente de fontes internas e externas ao organismo. sendo assim podemos tomar algumas medidas para evitar acidentes: • Usar máscaras, evitando inalação de gases radioativos; • Não pipetar com a boca, não colocar dedos na boca, e não fumar nos locais de trabalho. Lavar as mãos, sempre que necessário, com água e sabão; • Utilizar luvas e roupas especiais, pois alguns produtos como o trítio podem ser absorvidos pelo organismo através da pele, principalmente quando houver cortes ou arranhões. Além da utilização obrigatória dos EPIs24 é necessária a realização de procedimentos adequadamente planejados para a manipulação do material radioativo, com o máximo de atenção, para evitar a contaminações de objetos como telefone, torneiras, maçanetas, etc. Caso o procedimento de manipulação seja de alta complexidade é aconselhável a simulação, com material não radioativo antes da manipulação. A infraestrutura física, como dispositivo do aparelho, biombo25 e área de comando, deve ser planejada em função da ocupação nas vizinhanças. As paredes e portas devem ter espessuras calculadas para garantir a proteção dos técnicos, operadores e indivíduos do público. Tanto as paredes quanto o equipamento, devem ser verificados periodicamente por meio de levantamentos radiométricos, ou seja, o equipamento deve ser mantido em condições técnicas adequadas para a aprovação de um controle de qualidade. O técnico responsável pelos procedimentos deve ser treinado para usar técnicas adequadas, a fim de obter imagem de qualidade com baixa dose de radiação no paciente se for o caso. Ele deve também adotar procedimentos de trabalho seguros: como posicionar-se dentro da cabine de comando (biombo) e deixar apenas o paciente dentro da sala de exames. Sendo assim, definimos alguns exemplos de recomendações simples e de bom senso a serem cumpridas torna o trabalho com radiação ionizante extremamente seguro. 24. EPIs: Equipamentos de proteção individual. 25. Biombo: anteparo móvel dentro de um cômodo onde o técnico se mantém isolado de várias aplicações de radiação em terceiros, para caráter medicinal. 96 | Ciências Naturais e Matemática | UAB limitação de dose e otimização da radioProteção 1. Nenhum trabalhador deve estar exposto à radiação sem que: • Seja necessário; • Tenha conhecimento dos riscos radiológicos associados ao seu trabalho; • Esteja adequadamente treinado para o desempenho seguro das suas funções; 2. Compensações ou privilégios especiais para trabalhadores não devem, em nenhuma hipótese, substituir requisitos aplicáveis de norma específica; 3. Menores de 18 anos não devem ser trabalhadores; 4. Gestantes não devem trabalhar em áreas controladas; 5. Para mulheres com capacidade reprodutiva, a dose no abdômen não deve exceder a 10 mSv em qualquer período de 3 meses consecutivos; 6. A dose acumulada no feto durante o período de gestação não deve exceder 1 mSv; 7. Estudantes, aprendizes e estagiários menores de 16 anos, cujas atividades envolvam radiação, não devem receber, por ano, doses superiores aos limites primários para indivíduos do público, nem doses superiores a 1/10 daqueles limites em cada exposição independente; 8. Estudantes, aprendizes e estagiários entre 16 e 18 anos não devem receber doses superiores a 3/10 da dose do limite para trabalhadores; 9. Estudantes e estagiários com idade maior de 18 anos devem obedecer o limite para trabalhadores. Mas não poderíamos falar sobre proteção sem novamente abordarmos três fatores que devem ser considerados para diminuir o risco devido à essas exposições: tempo e distância de permanência relativos à fonte de radiação e blindagens apropriadas. • Tempo: Deve haver rigorosa limitação de tempo de exposição, a fim de que o indivíduo não receba doses acima dos limites de tolerância estabelecidos. Quando um material radioativo é completamente absorvido pelo organismo, pouco ou nada pode ser feito para eliminá-lo da região onde se depositou. No entanto podem ser controlados os riscos das radiações internas, ou seja, aquelas cuja fonte já se encontra depositada no interior do organismo, seja por ingestão, inalação ou absorção através da pele, impedindo-se a assimilação de fontes radioativas pelo corpo humano ou controlá-la a níveis mínimos, garantindo que os limites de tolerância não sejam ultrapassados. • Distância: Vamos entender como distância o espaço mantido entre o trabalhador e a fonte de radiação. Informações de limitações e radioproteção esIsto significa que o trabalhador pode realizar suas tão contidas de forma mais tarefas sem risco nenhum de ser atingido pelas raabrangente na Portaria N°453 do diações, porque se encontra numa distância segura. Ministério da Saúde. UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 97 • • • Esta medida é eficaz e muito simples de ser aplicada. Blindagens: Corresponde à utilização de barreiras feitas de materiais que sejam capazes de absorver radiações ionizantes. Essas barreiras devem ser feitas e orientadas por especialistas para que não se corra nenhum risco. É comum o uso de barreira de chumbo ou concreto, cuja espessura é dimensionada em função do tipo de radiação da qual se quer livrar. Área livre: área isenta de regras especiais de segurança onde as doses anuais não ultrapassem o limite para o público (1mSv). Área controlada: área restrita na qual as doses equivalentes efetivas anuais podem ser iguais ou superiores a 3/10 do limite para trabalhadores. grandezas radiológicas e unidades de medidas at i V i d a d e , a A atividade de um material radioativo é o número de transformações nucleares por unidade de tempo. Matematicamente expressa da seguinte forma: A = DN/dt (1 Bq = s-1) Onde N é o número de núcleos radioativos contidos na amostra ou material. A unidade, becquerel (Bq), corresponde a uma transformação por segundo. A unidade antiga, Curie (Ci) = 3,7 . 1010 Bq. flu ê n cia , ø A fluência de partículas é o consciente DN/da, onde DN é o número de partículas incidentes sobre uma esfera de secção de área da. Medida em m-2. Ø = DN/da ( m-2) O número de partículas N pode corresponder a partículas emitidas, transferidas ou recebidas. Esta grandeza é muito utilizada na medição de nêutrons. e XPosiç ão X É o consciente dQ por dM, onde dQ é o valor absoluto da carga de íons de um dado sinal (produzido no ar, quando todos elétrons (negativos e positivos ) liberados pelos fótons do ar, em uma massa Dm . (devido à interação dos fótons com o ar), são completamente freados no ar. D = dq/DM (2,58.10-4 C kg-1) 98 | Ciências Naturais e Matemática | UAB UAB| Ciências Naturais e Matemática | Biofísica | 99 100 | Ciências Naturais e Matemática | UAB referências BiBliográficas A L PH EN , E . L . R a d i at ion Biophy s ic s . A c a d em ic P r e s s , Ca l i for n i a , EUA , 19 9 8 . A N DR EUC I , R . 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