10 experimentos científicos que mudaram o mundo

ntrodução a Experimentos científicos que mudaram o mundo

Em 2007, os Estados Unidos gastaram US$ 368 bilhões em pesquisa e desenvolvimento, de acordo com a Fundação Nacional da Ciência. Cerca de 18% dessa enorme quantia foi para o financiamento de pesquisa básica - o tipo de pesquisa que é movido pela curiosidade do cientista ou pelo interesse em uma questão científica. Outros 22% foram aplicados em pesquisa - pesquisa destinada a resolver problemas práticos [fonte: Boroush].

LajosRepasi / iStockphoto Muitos experimentos cientificos são feitos sem que tomemos conhecimento dos resultados, mas vez ou outra, surgem alguns que mudam a maneira como pensamos o mundo

 

Com tantos cientistas conduzindo tantos experimentos todo ano dentro e fora de laboratórios, não é de surpreender que a maioria das pesquisas desfrute de pouco aplauso. De vez em quando, porém, um experimento chama a atenção de cientistas e leigos, ou porque ele altera nossa compreensão fundamental do mundo natural ou porque ele revela uma solução para um problema sério de saúde pública. Você pode pensar que tais experimentos reveladores são extraordinariamente complexos, e pode estar certo sobre alguns deles. Mas outros tantos são exemplos estelares de mérito e simplicidade.

Neste artigo, vamos considerar 10 dos mais sublimes experimentos, em nossa humilde opinião. Eles estão organizados de acordo com as maiores disciplinas da ciência - biologia, química, física e psicologia - e abarcam mais de 200 anos de pesquisa. Em poucos casos, nós correlacionamentos experimentos juntos em um único lugar, não para limitar nossas apostas, mas para provar que a ciência é um empreendimento colaborativo.

O primeiro dos nossos 10 experimentos científicos é Charles Darwin e suas orquídeas.

As flores de Darwin

A maioria das pessoas está familiarizada com as atividades de Charles Darwin a bordo do HMS Beagle e sua famosa jornada à América do Sul. Ele fez algumas de suas mais importantes observações em Galápagos, onde cada uma das vinte e tantas ilhas suportam uma única subespécie de tentilhão perfeitamente adaptada para alimentar-se em seu ambiente exclusivo. Mas poucas pessoas sabem alguma coisa sobre os experimentos de Darwin depois que ele retornou à Inglaterra. Alguns deles concentraram-se em orquídeas.

© iStochphoto / Solymosi Tamás A longa tromba da mariposa esfíngea ajudou a sustentar a teoria da seleção natural de Charles Darwin

 

Como Darwin cultivou e estudou várias espécies de orquídeas nativas, ele percebeu que as formas intrincadas das orquídeas eram adaptações que permitiam que as flores atraíssem insetos que levariam o pólen para as flores próximas. Cada inseto estava perfeitamente modelado e designado para polinizar um único tipo de orquídea, da mesma forma que os bicos dos tentilhões de Galápagos eram modelados para preencher um nicho específico. Tome como exemplo a orquídea Estrela de Belém (Angraecum sesquipedale), que armazena néctar no fundo de um tubo de cerca de 30 cm de comprimento. Darwin viu esse desenho e previu que existia um animal compatível. De fato, em 1903, cientistas descobriram que a mariposa esfingídea ostentava uma longa tromba, ou nariz, unicamente apropriado para alcançar o fundo o tubo de néctar da orquídea.

Darwin usou os dados que ele coletou sobre as orquídeas e seus insetos polinizadores para reforçar sua teoria de seleção natural das espécies. Ele argumentava que a polinização cruzada produzia orquídeas mais aptas a sobreviver queas orquídeas produzidas pela autopolinização, uma forma de endogamia que reduz a diversidade genética e, consequentemente, a sobrevivência de uma espécie. E assim, três anos depois de descrever pela primeira vez a seleção natural em "Na Origem das Espécies", Darwin sustentou o moderno modelo de evolução com uns poucos experimentos com flores.

Decodificando o DNA

© iStochphoto / David Marchal Aplicando técnicas de difração de raio-X, Rosalind Franklin descobriu a dupla espiral do DNA

James Watson e Francis Crick levaram o crédito por solucionar o mistério do DNA, mas sua descoberta dependeu decisivamente  do trabalho de outros, como Alfred Hershey e Martha Case, que, em 1952, coduziram um experimento não famoso que identificou o DNA como a molécula responsável pela hereditariedade. Hershey e Chase trabalharam com um tipo de vírusconhecido como bacteriófago (que parasita outras bactérias). Tal vírus, feito do revestimento protéico que cerca o filamento do DNA, infecta a célula da bactéria, programa-a para fazer mais vírus e então a mata para liberar os novos vírus feitos. Os dois cientistas sabiam disso, mas eles não sabiam que componente - proteína ou DNA - era o responsável, até seu engenhoso experimento misturá-los diretamente aos ácidos nucleicos do DNA.

Depois do experimento de Hershey e Chase, cientistas como Rosalind Franklin se concentraram no DNA e correram para decifrar sua estrutura molecular. Franklin usou uma técnica chamada difração de raio-X para estudar o DNA. Isso envolvia tirar raios-X de fibras alinhadas de DNA purificado. À medida que os raios-X interagem com a moléculas, elas são refratadas - ou desviadas - de seu curso original. Quando  atingem a placa fotográfica, os raios-X refratados formam um padrão que é único para a molécula que está senso analisada. A famosa foto do DNA feita por Franklin mostra um padrão em forma de X que Watson e Crick sabiam ser a assinatura de uma molécula helicoidal (espiralada). Eles também puderam determinar a largura da espiral a partir da imagem de Franklin. A largura sugeria que os dois filamentos faziam a molécula, levando à forma de dupla espiral que todos nós conhecemos hoje.

A primeira vacinação

© iStochphoto / Egor Mopanko A varíola levou o médico Edward Jenner a criar a primeira vacina de imunização

Até a impressionante erradicação global da varíolano final do século 20, a varíola foi um sério problema de saúde pública. No séulo 18, a doença causada pelo vírus varíola matou um décimo das crianças nascidas na Suécia e na França [fonte: Organização Mundial da Saúde]. Pegar varíola e sobreviver à infecção era a única "cura" conhecida. Isso levou muitas pessoas a se inocular com líquido e pus de feridas de varíola na esperança de pegar a doença mais leve. Infelizmente, muitas pessoas morreram dessas perigosas tentativas de autoinoculação.

O médico britânico Edward Jenner começou a estudar a varíola e a desenvolver um tratamento viável. A gênese de seus experimentos foi uma observação de que as leiteiras morando em sua cidade frequentemente ficavam infectadas comvaríola bovina, uma doença não letal parecida com a varíola. As leiteiras que pegavam varíola bovina pareciam estar protegidas da infecção de varíola humana, por isso, em 1796, Jenner decidiu ver se ele podia conferir imunidade à varíola ao infectar alguém com a varíola bovina propositalmente. Esse alguém foi um jovem chamado James Phipps. Jenner fez cortes nos braços de Phipps e inseriu líquido extraído das feriadas de varíola bovina de uma leiteira local chamada Sarah Nelmes. Phipps contraiu varíola bovina e se recuperou. Quarenta e oito dias depois, Jenner expôs o garoto à varíola humana, apenas para descobrir que ele era imune.

Hoje os cientistas sabem que os vírus da varíola bovina e da varíola humana são tão parecidos que o sistema imunológico do corpo humano não pode distingui-los. Em outras palavras, os anticorpos feitos para lutar contra os vírus da varíola bovina vão atacar e matar os vírus da varíola humana como se eles fossem os mesmos.

Prova positiva do núcleo atômico

© iStockphoto/ Peter Vercellino Usando uma folha de ouro, Ernest Rutherford comprovou a existência do núcleo atômico

O físico Ernest Rutherford já tinha ganho o Prêmio Nobel em 1908 por seu trabalho sobre radiotividade quando começou alguns experimentos que revelariam a estrutura do átomo. Eles se baseiam em sua pesquisa anterior mostrando que a radioatividade consistia de dois tipos de raios - alfa e beta. Rutherford e Hans Geiger determinaram que os raios alfa eram correntes de partículas carregadas positivamente. Quando eles atiraram as partículas alfa em uma tela,  criaram uma imagem nítida e viva. Mas se eles colocassem uma folha fina de mica entre a fonte de raio-alfa e a tela, o resultado era uma imagem difusa. Claramente, a mica estava dispersando algumas partículas alfa, mas como e por quê?

Em 1911, Rutherford posicionou uma fina folha de ouro, com apenas um ou dois átomos de espessura, entre a fonte de raios-alfa e a tela. Ele posicionou uma segunda tela atrás da fonte de raios-alfa para ver se algumas partículas estavam sendo refletidas para trás. Na tela atrás da folha de ouro, Rutherford observou um padrão difuso similar ao que ele vira com a mica. Mas Rutherford ficou impressionado ao ver que umas poucas partículas alfa haviam sido refletidas diretamente para trás na tela em frente à folha de ouro.

Rutherford concluiu que uma forte carga positiva no coração dos átomos do ouro estava desviando as partículas alfa direto para trás e através da fonte. Ele chamou essa fonte positiva forte de "núcleo", e disse que o núcleo devia ser pequeno comparado ao tamanho de todo o átomo; do contrário, mais partículas teriam ricocheteado para trás. Hoje, nós ainda visualizamos o átomo como Rutheford fez: um pequeno núcleo carregado positivamente cercado por uma vasta e quase vazia região com uns poucos elétrons.

Visão de raio-X

Cortesia de Women in Science O mapeamento 3D da estrutura da penicilina feito por Dorothy Hodgkin revolucionou a maneira como os médicos combatiam infecções

Nós falamos sobre os estudos de refração de raios-X de Rosalind Franklin antes, mas seu trabalho deve muito à inglesa Dorothy Crowfoot Hodgkin, uma das três únicas mulheres vencedoras do Nobel de química. Em 1945, Hodgkin foi considerada a principal praticante de técnicas de refração de raio-X do mundo, por isso não é de surpreender que ela tenha revelado a estrutura de um dos componentes químicos mais importantes da medicina - a penicilina. Alexander Fleming tinha descoberto a substância matadora de bactérias em 1928, mas os cientistas lutavam para purificar o composto químico com o objetivo de desenvolver um tratamento eficaz. Ao fazer o mapeamento 3D dos átomos da penicilina, Hodgkin abriu novas avenidas para a criação e o desenvolvimento de derivados semissintéticos da penicilina, revolucionando a forma como os médicos combatiam infecções.

O campo de estudo de Hodgkin era conhecido como cristalografia de raio-X. Os químicos tinham, primeiro, que cristalizar os compostos que eles queriam analisar, o que era um desafio. Depois que duas diferentes empresas enviaram-lhe cristais de penicilina, Hodgkin passou ondas de raio-X através dos cristais e permitiu que a radiação atingisse a placa fotográfica. À medida que os raios-X interagiam com os eléctrons na amostra, eles eram levemente refratados. Isso resultou em um padrão de manchas distinto no filme fotográfico. Ao analisar a posição e o brilho dessas manchas e realizar numerosos cálculos, Hodgkin determinou exatamente como os átomos da molécula da penicilina estavam arranjados.

Alguns anos mais tarde. Hodgkin usou a mesma técnica para solucionar a estrutura da vitamina B12. Ela ganhou o Prêmio Nobel de química sozinha em 1964 - uma honra que nenhuma outra mulher conseguiu.

Sopa primordial

Volte no tempo longe o bastante, e você eventualmente terá de explicar como as substâncias químicas da vida - especialmente proteínas e ácidos nucleicos - se formaram no ambiente da Terra primitiva. 

Em 1929, os bioquímicos John Haldane e Aleksander Oparin testaram a hipótese de que faltava oxigênio livre na atmosfera da Terra. Nesse ambiente inóspito, sugeriram eles, os compostos orgânicos poderiam se formar de simples moléculas se fossem estimulados por uma forte fonte de energia - ou radiação ultravioleta, ou relâmpagos. Haldane dizia ainda que os oceanos teriam sido uma "sopa primordial" desses compostos orgânicos.

Creative Commons O experimento de Urey e Miller comprovou que moléculas orgânicas poderiam surgir em atmosferas sem oxigênio, como ocorreu na Terra primitiva

 

Os químicos americanos Harold C.Urey e Stanley Miller decidiram testar a hipótese Oparin-Haldane em 1953. Eles reproduziram a atmosfera da Terra primitiva criando um sistema fechado cuidadosamente controlado. O oceano era uma caixa de água aquecida. À medida que o vapor d'água subia da água e era coletado em outra câmara, Urey e Miller introduziam hidrogênio, metano e amônia para simular a atmosfera sem oxigênio. Em seguida eles produziam dentro da mistura de gases fagulhas, representando os relâmpagos. Finalmente, um condensador resfriava os gases em um líquido que eles recolhiam para análise.

Depois de uma semana, Urey e Miller tinham resultados impressionantes: os compostos químicos orgânicos eram abundantes no líquido resfriado. Mais notavelmente, Miller descobriu vários aminoácidos, incluindo glicina, alanina e ácido glutâmico. Os aminoácidos são os blocos de construção das proteínas,que são os ingredientes chaves das estruturas celulares e das enzimas celulares responsáveis por importantes reações químicas. Urey e Miller concluíram que as moléculas orgânicas poderiam se formar em uma atmosfera livre de oxigênio e que as condições para o surgimento da forma de vida mais simples não estaria longe.

Fazendo luz

© iStockphoto.com / Sze Fei Wong A.A. Michelson descobriu quão rápido a luz viajava com dois espelhos e um pouco de engenhosidade

No começo do século 19, a luzcontinuava a ser um mistério que inspirou vários experimentos fascinantes, sendo o experimento da dupla fenda, que provou que a luz se comportava como onda e não como partícula. Mas ele ainda não sabia quão rápido a luz viajava. 

Em 1878, o instrutor de física A.A. Michelson desenvolveu umexperimento para calcular a velocidade da luz e provar que ela era finita e mensurável. Eis aqui o que ele fez:

1. Primeiro, ele colocou dois espelhos longe um do outro em dique construído perto do campus, alinhando-os de modo que a luz atingindo um espelho refletia de volta e atingia o segundo. Ele mediu a distância entre os dois espelhos e descobriu que eles estavam a 605,40 metros um do outro.
2. Em seguida, Michelson usou um ventilador movido a vapor para girar um dos espelhos um dos espelhos a 256 revoluções por segundo. O outro espelho permaneceu parado.
3. Usando uma lente, ele focou um feixe de luz no espelho parado. Quando a luz atingiu o espelho parado, ela ricocheteou em direção ao espelho que estava girando, onde Michelson tinha posicionado uma tela de observação. Como o segundo espelho estava se movimentando, o feixe de luz retornado tinha desviado levemente.
4. Quando Michelson mediu o desvio, ele descobriu que era de 133 mm.
5. Usando esse dado, Michelson calculou que a velocidade da luz era de 299.949,53 km/s.

O valor aceito para a velocidade da luz hoje é 299.792,46 km/s. A medição de Michelson estava surpreendentemente perfeita. Mais importante, os cientistas passaram a ter um quadro mais fiel da luz e a base sobre a qual construir as teorias da mecânica quântica e da relatividade.

Revelando a radiação

Creative Commons Marie Curie, cujos experimentos levaram à descoberta de elementos radioativos

O ano de 1897 foi significativo para Marie Curie. Seu primeiro filho com o marido Pierre tinha nascido e, poucas semanas depois, ela foi buscar um assunto para sua tese de doutorado. Ela decidiu estudar os "raios de urânio", descritos pela primeira vez por Henri Becquerel. Becquerel tinha descoberto esses raios acidentalmente quando deixou sais de urânio em uma sala escura e retornou para descobrir que eles tinham exposto uma placa fotográfica. Marie Curie escolheu estudar esses raios misteriosos e determinar se outros elementos desprendiam emissões similares.

Desde cedo, Curie aprendera que o tório emitia os mesmos raios do urânio. Ela começou por etiquetar esses elementos únicos como "radioativo" e rapidamente descobriu que a força da radiação emitida por vários compostos de urânio e tório não dependia do composto, mas da quantidade de urânio e tório presentes. Ela provaria que esses raios eram uma propriedade de átomos de um elemento radioativo. Por si só a descoberta era revolucionária, mas Curie não ainda não tinha terminado. 

Ela descobriu que a uranimita produzia mais radioatividade que o urânio, levando-a a predizer que um elemento desconhecido deveria estar presente no mineral de ocorrência natural. Pierre juntou-se a ela no laboratório, e eles sistematicamente reduziram grandes quantidades de uranimita até finalmente isolarem o novo elemento, que recebeu o nome de polônio, em homenagem à Polônia, terra natal de Curie. Logo depois eles descobriram outro elemento radioativo, batizado de rádio (palavra raio, em Latim). Curie ganhou dois Prêmios Nobel por seu trabalho.

Dias de cão

iStockphoto Usando cães na tentativa de associar a digestão à salivação, o médico russo Ivan Pavlov descobriu o reflexo condicionado

Você sabia que Ivan Pavlov, o médico e químico russo responsável pelo experimento da salivação dos cachorros não tinha interesse algum por psicologia ou comportamento? A maioria dos tópicos de pesquisa que interessavam a ele eram digestão e circulação sanguínea. Na verdade, ele estava estudando digestão canina quando descobriu o que nós conhecemos hoje como condicionamento clássico.

Especificamente, Pavlov estava tentando entender a interação entre a salivação e a ação do estômago. O médico já tinha observado que o estômago não começava a digestão sem ocorrer a salivação antes. Em outras palavras, reflexos no sistema nervoso autônomo ligava os dois processos. Em seguida, Pavlov imaginou se estímulos externos poderiam afetar a digestão de modo similar. Para testar isso, ele começou a piscar uma luz, fazer marcação com um metrônomo ou soar uma campainha ao mesmo tempo em que oferecia comida a seus cães de laboratório. Na ausência desses estímulos externos, os cachorros apenas salivavam quando viam e comiam sia comida. Mas depois de um tempo, ele começaram a salivar quando estimulados com luzes ou sons externos, mesmo quando a comida não estava presente. Pavlov também descobriu que esse tipo de reflexo condicionado desaparece se o estímulo se mostra errado com muita frequ6encia. Por exemplo, se uma campainha soa repetidamente e nenhuma comida aparece, o cachorro para de salivar com o som.

Pavlov publicou seus resultados em 1903. Um ano depois ele ganhou o Nobel de medicina, não por seu trabalho com condicionamento, mas em "reconhecimento ao seu trabalho em fisiologia da digestão, através do qual o conhecimento de aspectos vitais do assunto foram transformados e ampliados" [fonte: Nobelprize.org].

Figuras autoritárias

Creative Commons Stanley Milgram conduziu um experimento controverso sobre até onde as pessoas iriam sob comando de uma autoridade

Os experimentos de obediência deStanley Milgram, nos anos 60, são qualificados como os experimentos científicos mais famosos e controversos. Milgram queria saber quão longe pessoas comuns iriam ao aplicar choques dolorosos em um colega, quando mandadas. Esse é o experimento:

1. Milgram recrutou voluntários - residentes comuns - para aplicar os choques. Ele recrutou atores para serem os sujeitos que receberiam os choques. O cientista que permaneceria na sala durante a duração do estudo fazia o papel da autoridade.
2. A autoridade começava cada experimento mostrando ao voluntário desconhecido como usar a falsa máquina de choque. A máquina permitia aos voluntários aplicar até 450 volts, um choque classificado como altamente perigoso.
3. Em seguida, o cientista dizia aos voluntários que eles testariam como os choques poderiam melhorar a lembrança de associação de palavras. Para cada resposta errada, os voluntários aplicavam choques nos aprendizes (atores), subindo a voltagem à medida que o experimento progredia.
4. Os aprendizes gritavam sempre que recebiam um choque. A cerca de 150 volts, eles deveriam ser liberados. O cientista encorajava os voluntários a continuar aplicando o choque não importasse o quão agitados os aprendizes ficassem. 
5. Alguns voluntários paravam a 150 volts, mas a maioria continua até eles alcançarem o nível máximo de choque de 450 volts.

Muitas pessoas questionaram a ética do experimento, mas os resultados foram fascinantes. Milgram mostrou que as pessoas comuns são capazes de infligir muita dor a uma vítima que não merece simplesmente porque uma autoridade ordena que elas o façam. Milgram esperava que seu experimento pudesse explicar crimes de guerra do nazismo.

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