Em formação

2017_SS1_Lecture_01 - Biologia

2017_SS1_Lecture_01 - Biologia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Biologia

Biologia é o estudo científico da vida. É uma oportunidade de aprofundar algumas das questões mais profundas da humanidade sobre nossas origens, a história de nosso planeta e nossas conexões com outros seres vivos (grandes e pequenos / existentes ou extintos). É também uma oportunidade de mergulhar em um mundo de solução prática de problemas e pensar seriamente sobre as possíveis soluções para melhorar a saúde, manter suprimentos sustentáveis ​​de alimentos e produzir tecnologias de energia renovável.

O estudo da biologia nos ajuda a compreender questões e abordar os problemas cotidianos. Por exemplo, você pode entender melhor como o que você come e a quantidade que você exercita influenciam sua saúde quando você entende as reações bioquímicas que descrevem como o alimento (matéria) é transformado, como ele e seu corpo armazenam energia e como essa energia pode ser transferido da comida para os músculos. Decidir se deve ou não comprar produtos rotulados com termos como "antimicrobiano" ou "probiótico" pode ser mais fácil se você entender o que fazem os micróbios que vivem dentro, sobre e ao nosso redor. Compreender os princípios bioquímicos que descrevem as mudanças que acontecem com os ovos durante o cozimento pode nos ajudar a entender como processos físicos semelhantes podem ser centrais para a resposta ao estresse celular e algumas doenças. A cor dos seus olhos pode ser melhor apreciada com a compreensão dos mecanismos genéticos e bioquímicos que ligam a informação genética às características físicas.

Estudar biologia até nos ajuda a entender coisas que estão "fora deste mundo". Por exemplo, compreender os requisitos para a vida pode nos ajudar a procurar vida em lugares como Marte ou nas profundezas da crosta terrestre. Quando entendemos como "religar" adequadamente as redes celulares de tomada de decisão, podemos finalmente ser capazes de regenerar membros ou órgãos funcionais do próprio tecido de alguém, ou reprogramar tecidos doentes de volta à saúde. Existem muitas oportunidades interessantes. O ponto principal é que o domínio de alguns princípios básicos ajuda você a entender e pensar mais profundamente sobre uma ampla gama de tópicos. Mantenha essa noção em mente ao longo do curso.

Biologia: uma ciência interdisciplinar

As questões em biologia abrangem escalas de tamanho que ultrapassam dez ordens de magnitude, desde a composição atômica e comportamento químico de moléculas individuais até sistemas em escala planetária de ecologias em interação. Qualquer que seja a escala de interesse, para desenvolver uma compreensão profunda e funcional da biologia, devemos primeiro apreciar os conceitos biológicos. Isso envolve a integração de ideias e ferramentas importantes de todo o espectro da ciência, incluindo química, física e matemática. A biologia é verdadeiramente uma ciência interdisciplinar.

O potencial de aplicação do conhecimento é amplo

Algumas pessoas podem pensar que estudar biologia envolve apenas medicina - no entanto, isso pode levar a ou influenciar muitas carreiras diferentes. A biologia tem aplicações que são vastas e abrangentes. As aplicações incluem o tratamento de pacientes (humanos ou outros animais), melhoria das práticas agrícolas, desenvolvimento de novos materiais de construção, redação de novas políticas de energia, remediação da mudança climática global, criação de novas obras de arte - a lista é infinita. Para os curiosos, a biologia tem muitos mistérios inexplorados.

Ao estudar biologia, aprecie suas questões e tópicos interessantes e tenha a mente aberta. Mesmo que os tópicos do curso nem sempre parecer relacionados no início, eles provavelmente estão. Ter a mente aberta ajuda você a descobrir e apreciar as conexões entre os tópicos do curso e seus interesses. Descobrir como tópicos aparentemente diferentes se relacionam pode lhe dar uma apreciação mais profunda das coisas que você gosta e talvez até mesmo despertar uma nova paixão.

BIS2A - das moléculas às células

BIS2A se concentra na célula, uma das unidades mais fundamentais da vida. As células podem ser tão simples quanto a bactéria causadora da doença Mycoplasma genitalium, cujo genoma codifica apenas 525 genes (apenas 382 dos quais são essenciais para a vida), ou tão complexo quanto uma célula pertencente à planta multicelular Oryza sativa (arroz), cujo genoma provavelmente codifica ~ 51.000 genes. No entanto, apesar dessa diversidade, todas as células compartilham algumas propriedades fundamentais. No BIS2A, exploramos problemas básicos que devem ser tratados por todas as células. Estudamos os blocos de construção das células, algumas de suas principais propriedades bioquímicas, como a informação biológica é codificada e expressa no material genético e como tudo isso se combina para formar um sistema vivo. Também discutiremos algumas das maneiras pelas quais os sistemas vivos trocam matéria, energia e informações com seu meio ambiente (incluindo outros seres vivos). Nós nos concentramos principalmente nos princípios básicos que são comuns a toda a vida na Terra e, devido à grande amplitude da biologia, colocamos essas ideias em uma variedade de contextos ao longo do trimestre.

BIS2A

Ciências Biológicas 2A na UC Davis. BIS2A é um curso de 5 unidades com três aulas de 50 minutos ou duas de 1 hora e 50 minutos (dependendo do trimestre) mais uma discussão de 2 horas por semana. BIS2A é o primeiro de três cursos na sequência central de divisão inferior nas ciências biológicas. O BIS2A fornece uma base nos principais conceitos biológicos que podem ser usados ​​em um amplo espectro de especializações. Os alunos são apresentados aos blocos de construção químicos, moleculares, genéticos e celulares fundamentais da vida, mecanismos biológicos para o recrutamento e transferência de matéria e energia, princípios básicos do fluxo de informações biológicas e tomada de decisão celular e conceitos básicos subjacentes às relações entre genética informação e fenótipo.

É importante perceber que BIS2A não é um curso de pesquisa em biologia. A biologia é um campo estimulante, amplo e dinâmico. É fundamental que os alunos de biologia ou áreas relacionadas desenvolvam uma base conceitual forte e demonstrem sua capacidade de usá-la em contextos que podem ser novos para eles. Os alunos do BIS2A deverão começar a desenvolver a capacidade de identificar e articular as principais questões científicas e biológicas que estão no centro do conteúdo do curso. Os alunos deverão aprender e usar o vocabulário técnico correto em suas discussões do conteúdo do curso. Espera-se que os alunos comecem a conceituar o conteúdo do curso a partir de uma perspectiva baseada em perguntas e solução de problemas.

Sim, o BIS2A exigirá que você trabalhe duro, mas também esperamos que você se divirta descobrindo novos aspectos da biologia e explorando as muitas perguntas não respondidas sobre o que significa estar vivo.

Os principais objetivos de aprendizagem do curso incluem:

  • Aplicar princípios de química e bioenergética no contexto de sistemas biológicos para descrever como as células adquirem e transformam matéria e energia para construir e alimentar vários processos de sustentação da vida, incluindo transformações químicas de compostos elementares, replicação celular e processamento de informações celulares.
  • Explique a relação entre o genótipo e os principais processos genéticos que criam a diversidade fenotípica.
  • Descrever os processos que regulam a gestão da informação celular; como as informações são armazenadas, lidas, reorganizadas, replicadas; como as células interagem com seu ambiente e como esses processos podem controlar a fisiologia celular.

A quem devo perguntar quando tiver dúvidas sobre o curso?

  1. Informações gerais sobre o curso: O plano de estudos fornece a maior parte desse tipo de informação. Para obter as respostas mais rápidas a muitas de suas perguntas, é altamente recomendável consultar o programa antes de entrar em contato com um dos funcionários.
  2. Informações gerais sobre tópicos em BIS2A: O Centro de Aprendizagem BIS2A (BLC), que está em RM 2089 SLB, é um centro de recursos para todos os alunos BIS2A. O BLC é composto por instrutores e assistentes de ensino associados a todas as seções BIS2A. Qualquer instrutor BIS2A ou TA com horário de atendimento no BLC deve ser capaz de responder a perguntas gerais sobre a palestra e o material de discussão. Se eles não puderem responder às suas perguntas, eles ficarão felizes em indicá-lo a alguém que possa.
  3. Material de aula e atribuições de Nota Bene: Sua aula TA é uma ótima fonte de informações sobre o material de aula e qualquer leitura relacionada à aula específica para sua seção do BIS2A.
  4. Material de discussão: Seu TA de discussão é a melhor fonte de informações sobre o material de discussão presente em sua seção de discussão específica.
  5. Todo o material relacionado ao conteúdo do curso: Seu instrutor é um grande recurso para perguntas sobre o material relacionado ao curso. Encontre seu instrutor após a aula e vá para o horário de expediente sempre que possível.

Algumas de suas responsabilidades

BIS2A é um esforço de equipe. Vários professores estão envolvidos no desenvolvimento do conteúdo do curso e dos materiais de avaliação. Existem também professores assistentes, que não apenas administram as seções de discussão, mas também fornecem insights sobre quais conceitos os alunos acham mais difíceis.

Por favor, mantenha suas responsabilidades como estudante. Faça a leitura designada e comece a aprender um novo vocabulário antes de vir para a aula. Venha para a aula preparado para se envolver - seu instrutor presumirá que você leu o material antes da aula e que a palestra não será sua primeira exposição ao conteúdo. Depois da aula, revise suas anotações, o podcast e o guia pós-estudo. Procure ajuda imediatamente quando precisar. Se todos na classe puderem fazer essas coisas conscienciosamente, todos nós nos divertiremos neste trimestre (mesmo enquanto trabalhamos duro) e seremos um grupo feliz e mais inteligente no final do semestre!

Aprendizagem ativa em BIS2A

Em todas as palestras, pediremos que você responda a perguntas, seja em um pequeno grupo ou individualmente. Essas perguntas têm vários propósitos:

Funções de perguntas em sala de aula

  • As perguntas estimulam os alunos a examinar um tópico de uma perspectiva diferente, que o instrutor considera relevante para seu aprendizado.

  • As perguntas funcionam como mini "autotestes" para os alunos. Se você não tiver certeza sobre qual pergunta está sendo feita ou como respondê-la, este é um bom momento para (a) pedir esclarecimentos ao instrutor e / ou (b) anotar para revisar isso imediatamente após a aula com um TA, o instrutor , colegas de classe ou a Internet. Se o instrutor reservou um tempo para fazer a pergunta durante a aula, isso é uma grande dica de que ele acha que tanto a pergunta quanto a resposta são importantes.

  • Algumas perguntas em sala de aula farão com que os alunos formulem perguntas eles mesmos. Normalmente, este é um exercício destinado a forçar o aluno a refletir e a tentar articular o ponto da lição. Esses são exercícios críticos que o forçam a pensar mais profundamente sobre um tópico e a colocá-lo no contexto mais amplo do curso.

  • Algumas perguntas podem pedir ao aluno para interpretar dados ou criar um modelo (por exemplo, talvez uma imagem) e comunicar o que vê para a classe. Este exercício pede ao aluno que pratique a explicação de algo em voz alta. Essa pode ser uma ótima experiência de autoteste e aprendizado, tanto para a pessoa que está respondendo quanto para os colegas que também devem usar o tempo para examinar como teriam respondido à pergunta e como isso se compara ao feedback do instrutor.

  • As perguntas na discussão que se segue e o processo de pensamento envolvido na resolução de um problema ou na resposta às perguntas são oportunidades para o instrutor modelar o comportamento de especialista de uma forma interativa - às vezes é tão importante entender COMO chegamos a uma resposta quanto entender a resposta.

Algumas perguntas têm o objetivo de estimular o pensamento e a discussão, em vez de obter uma resposta discreta. Se solicitado, você não deve se sentir obrigado a ter uma resposta "certa" !! Entender isso é muito importante. Depois de perceber que é perfeitamente aceitável (e às vezes desejável) não saber todas as respostas (se soubesse, qual seria o sentido de vir para a aula), pode tirar muito da ansiedade de ser chamado. Embora seja normal não saber "a resposta", é importante que você tente dar uma contribuição para a discussão. Exemplos de outras contribuições significativas podem incluir: pedir esclarecimentos; associar a questão a outro tópico da aula (tentando fazer conexões); e expressar com o que você se sente confortável e o que o confunde sobre a questão. Não tenha medo de dizer "Não sei". Isso é perfeitamente normal e até esperado às vezes. Esteja preparado para que o instrutor faça uma pergunta diferente, no entanto, que tentará destacar algo que você provavelmente sabe ou pedir sua ajuda para identificar um ponto de confusão.

Preparando-se para palestra

Para ajudá-lo a se preparar para cada aula, fornecemos guias de estudo que incluem instruções sobre como se preparar para as aulas. Você deve fazer o seu melhor para completar a leitura designada e as "autoavaliações" sugeridas antes de vir para a aula. Isso garantirá que você esteja pronto para as discussões e que possa aproveitar ao máximo o seu tempo durante as aulas. Não esperamos que você seja um especialista antes da palestra, mas esperamos que você faça a pré-leitura e, com isso, se familiarize com o vocabulário necessário e passe algum tempo pensando sobre os conceitos que serão discutidos. Vamos construir sobre esse conhecimento básico na aula. Se você não tiver pelo menos alguns dos blocos básicos de construção de antemão, fará um uso menos eficiente do seu tempo em sala de aula.

Não podemos enfatizar muito que VOCÊ tem a responsabilidade principal de aprender o material deste (ou de qualquer outro) curso. Embora estejamos investidos em seu sucesso, seus instrutores e TAs não podem implantar conhecimento magicamente. Como qualquer outra disciplina que requer domínio (por exemplo, esportes, música, dança, etc.), podemos ajudar a orientá-lo e criticar seu desempenho, mas não podemos substituir as horas de prática necessárias para se tornar bom em algo. Você nunca esperaria se tornar um pianista competente indo às aulas uma ou duas vezes por semana e nunca praticando. Para a maioria de nós, parece evidente que você precisa praticar para se tornar bom em algo como música, arte ou esportes. Não deveria ser surpresa que a mesma regra se aplique ao aprendizado de biologia ou qualquer outra disciplina acadêmica.

Nós nos vemos como seus treinadores para esta classe; queremos que todos vocês tenham sucesso. No entanto, para que isso aconteça, você deve levar sua prática a sério. Isso significa vir para a aula preparado, participar da aula, estudar o material abordado na aula o mais rápido possível, identificar onde você está incerto e obter ajuda para esclarecer esses tópicos o mais rápido possível e tentar fazer contribuições ponderadas para as discussões online ( não apenas o mínimo necessário para "obter os pontos").

Conclusão: você precisa ser um participante ativo em seu aprendizado.

Conhecimento e Aprendizagem

Ensino e Aprendizagem de Ciências

Ensinar e aprender ciências são esforços desafiadores. Como instrutores, precisamos comunicar conceitos complexos e altamente interconectados que servirão de base para todos os seus estudos futuros. Também queremos que nossos alunos demonstrem domínio dessas ideias em alto nível. Como aluno, você precisa aprender um novo vocabulário amplo, criar modelos mentais nos quais possa "suspender" o novo conhecimento conceitual e demonstrar que pode realmente usar esse novo conhecimento. O processo desafia o instrutor e o aluno. Embora o processo envolva trabalho árduo, também pode ser incrivelmente recompensador. Não há nada mais satisfatório para um instrutor do que aqueles "Aha!" momentos em que um aluno de repente entende um conceito importante.

No BIS2A, enfrentamos alguns desafios de ensino e aprendizagem interessantes. Um desafio importante é que discutimos coisas físicas e ideias que existem ou acontecem em escalas de tempo e / ou tamanho que não são familiares para a maioria dos alunos. O que isto significa? Considere o seguinte exemplo:

Exemplo: Alguns desafios associados à criação de modelos mentais

Um instrutor que ensina biologia da vida selvagem pode querer falar sobre conceitos em evolução usando bicos de pássaros como ponto de partida para discussão. Nesse caso, o instrutor não precisa perder tempo criando imagens mentais de bicos de pássaros de diferentes formatos (ou, pelo menos, precisa apenas mostrar uma imagem); a maioria dos alunos irá facilmente recorrer a seus conhecimentos anteriores e à vida cotidiana para criar imagens mentais de pato, águia ou bico de pica-pau e inferir as diferentes razões funcionais pelas quais a natureza pode ter selecionado formas diferentes. Como consequência, os alunos não precisarão despender nenhum esforço mental imaginando a aparência dos bicos e, em vez disso, podem concentrar todas as suas energias na lição evolutiva central.

Mais coloquialmente: se você for solicitado a pensar sobre algo novo que está intimamente relacionado a algo que você já conhece bem, não é muito difícil se concentrar no novo material.

Em contraste, no BIS2A pedimos aos alunos que pensem e discutam coisas que acontecem nas escalas atômica, molecular e celular e em taxas que vão de microssegundos a milênios. A maioria dos alunos, vamos supor, não viveu na escala de micro a nanômetro. No entanto, é nessa escala de comprimento que ocorre a maioria dos eventos comuns a todos os sistemas biológicos. Os alunos iniciantes, que não pensaram muito sobre como as coisas acontecem em escala molecular, carecem de modelos mentais para adicionar novas informações. Esse ponto de partida representa um fardo para o aluno e para os instrutores criar e reforçar NOVOS modelos mentais para muitas das coisas sobre as quais falamos em sala de aula. Por exemplo, para realmente falar sobre como as proteínas funcionam, primeiro precisamos desenvolver um conjunto comum de modelos e vocabulário para representar moléculas nos níveis atômico e molecular. Não apenas esses modelos precisam encontrar maneiras de representar a estrutura da molécula, mas os modelos também devem conter ideias abstratas sobre as propriedades químicas das moléculas e como essas moléculas interagem. Portanto, os alunos do BIS2A precisam se esforçar para construir modelos mentais de como as proteínas "se parecem" e como elas se comportam em escala molecular. Visto que todo o curso gira em torno de biomoléculas e processos que acontecem em uma escala microscópica, um argumento semelhante pode ser feito para quase todos os tópicos da aula.

Nota: Possível Discussão

Como você interpreta o termo modelo mental e por que você acha que é importante para a aprendizagem?

Alguns dos exercícios em sala de aula e do guia de estudo foram elaborados para ajudar a enfrentar esse desafio; a maioria dos alunos os considera muito úteis. No entanto, alguns alunos estão mais acostumados a estudar para as provas, memorizando informações em vez de entendê-las.(Não é culpa deles; isso é o que eles foram solicitados a fazer no passado). Como resultado, se os problemas forem abordados com a atitude de "memorizar a todo custo"

algum

dos exercícios BIS2A podem inicialmente parecer inúteis. Por exemplo, por que seus instrutores estão pedindo que você desenhe repetidamente alguns dos conceitos descritos em aula? Para qual pergunta de múltipla escolha esse exercício poderia prepará-lo? Embora seja verdade que alguns de seus instrutores não lhe pedirão para desenhar figuras complicadas em um exame, esses exercícios de desenho não tentam preparar os alunos para uma questão específica. Em vez disso, o instrutor está tentando encorajá-lo a começar a criar um modelo mental para si mesmo e a praticar como usá-lo. O ato de desenhar também pode servir como um "autoteste". Quando você se força a escrever algo ou a criar uma imagem descrevendo um processo no papel, você será capaz de avaliar independentemente o quão forte sua compreensão conceitual de um tópico realmente é, vendo como foi fácil ou difícil colocar sua imagem mental de algo no papel. Se for difícil para você desenhar um conceito ou processo central da aula SEM ASSISTÊNCIA EXTERNA, é provável que você precise de mais prática. Se for fácil, você está pronto para adicionar novas informações ao seu modelo. Ao longo do curso, você continuará a adicionar novas informações ao seu modelo mental ou a usar o conceito representado em seu modelo mental em um novo contexto. Mantenha seus desenhos - ou outros mecanismos de autoteste - atualizados. Não fique para trás.

A propósito, a apresentação de um conceito de curso em uma prova em um contexto que o aluno nunca viu antes NÃO é uma trama maligna do instrutor. Em vez disso, é uma forma de o instrutor e o aluno avaliarem se o conceito foi aprendido e se esse conhecimento pode ser usado / transferido pelo aluno fora do exemplo específico dado em aula ou na leitura. Pedir ao aluno para repetir o último representaria um exercício de memorização e não seria uma avaliação de aprendizagem valiosa e pensamento independente ou uma representação do que acontece na vida real.

IMPORTANTE: A ideia de que os alunos em BIS2A serão testados em sua capacidade de USAR conceitos em contextos específicos que eles não viram antes é fundamental para entender! Preste atenção especial a esse conhecimento. Desenvolver conhecimento conceitual utilizável exige mais disciplina e trabalho do que memorizar. O trimestre também se move MUITO rápido e os conceitos são colocados uns sobre os outros. Se você ficar muito atrasado, será muito, muito difícil recuperar o tempo perdido dois ou três dias antes de um exame. Seja o mais disciplinado possível e acompanhe os materiais do curso.

Portanto, alguns conceitos são difíceis de ensinar e entender. O que devemos fazer? Algo que instrutores e alunos fazem é usar vários truques de comunicação para simplificar ou tornar as ideias abstratas mais relacionáveis. Usamos ferramentas como analogias ou modelos simplificados (mais sobre a importância deles em breve) para descrever ideias complexas. Tornar as coisas mais relacionáveis ​​pode assumir várias formas. Os instrutores podem tentar usar vários simlies ou metáforas para tirar vantagem de imagens mentais ou modelos conceituais que os alunos já possuem (retirados da vida cotidiana) para explicar algo novo. Por exemplo, a coisa X que você não entende funciona um pouco como a coisa Y que você entende. Às vezes, isso ajuda a fundamentar uma discussão. Outra coisa que você pode pegar um instrutor ou aluno fazendo é antropomorfizando os comportamentos de coisas físicas que não são familiares. Por exemplo, podemos dizer molécula A “quer"para interagir com a molécula B para simplificar a descrição mais correta, mas mais complexa da energética química envolvida na interação entre as moléculas A e B. Os antropomorfismos podem ser úteis porque, como símiles e metáforas, eles tentam ligar a criação de novas idéias e modelos mentais para conceitos que já existem no cérebro do aluno.

Embora essas ferramentas possam ser excelentes e eficazes, elas precisam ser usadas com cuidado - tanto pelo instrutor quanto pelo aluno. O principal risco associado a essas ferramentas de simplificação é que elas podem criar conexões conceituais que não deveriam existir, que levam a equívocos não intencionais ou que tornam mais difícil conectar um novo conceito. Portanto, embora essas ferramentas sejam válidas, nós - alunos e instrutores - também precisamos estar vigilantes sobre a compreensão dos limites que essas ferramentas têm em nossa capacidade de aprender novas ideias. Se essas ferramentas pedagógicas são úteis, mas seu uso também apresenta riscos, como procedemos?

O remédio tem duas partes:

1. Reconhecer quando uma dessas ferramentas de "simplificação" está sendo usada e

2. Tente determinar onde a analogia, metáfora etc. específica funciona e onde falha conceitualmente.

A segunda instrução é a mais difícil e pode ser desafiadora para os alunos, especialmente quando eles são expostos a um novo conceito pela primeira vez. No entanto, o ato de simplesmente pensar sobre os problemas potenciais associados a uma analogia ou modelo é um importante exercício metacognitivo que ajudará os alunos a aprender. No BIS2A, seus instrutores ocasionalmente esperam que você reconheça explicitamente o uso dessas ferramentas pedagógicas e explique as vantagens e desvantagens associadas ao seu uso. Seus instrutores também o ajudarão com isso, apontando explicitamente exemplos ou estimulando-o a reconhecer um problema potencial.

Nota: Possível Discussão

Você pode dar um exemplo de suas aulas anteriores em que um instrutor usou um antropomorfismo para descrever uma coisa não humana? Quais foram / são as vantagens e desvantagens da descrição (ou seja, por que a descrição funcionou e quais foram suas limitações)?

Usando vocabulário

Também vale a pena observar outra questão problemática que pode confundir desnecessariamente os alunos que estão começando em uma disciplina - o uso de termos do vocabulário que potencialmente têm múltiplas definições e / ou o uso incorreto de termos do vocabulário que possuem definições estritas. Embora esse não seja um problema exclusivo da biologia, é importante reconhecer que ele ocorre. Podemos nos basear em exemplos da vida real para ter uma melhor noção desse problema. Por exemplo, quando dizemos algo como "Eu dirigi até a loja", algumas coisas são razoavelmente esperadas para serem compreendidas imediatamente. Não precisamos dizer "Sentei-me e controlei uma plataforma fechada de quatro rodas, que é alimentada pela combustão de combustível fóssil para um edifício que coleta os bens que desejo obter e posso fazer isso trocando moeda fungível por tal mercadorias "para transmitir o cerne da nossa mensagem. A desvantagem de usar os termos "dirigiu" e "loja" é que potencialmente perdemos detalhes importantes sobre o que realmente aconteceu. Talvez o carro seja movido a bateria e isso seja importante para entender alguns detalhes da história que se segue (especialmente se essa parte da história envolve chamar um motorista de guincho para buscá-lo depois que o carro quebrou). Talvez saber a loja específica seja importante para entender o contexto. Às vezes, esses detalhes não importam, mas às vezes, se não forem conhecidos, podem causar confusão. É importante usar o vocabulário corretamente e ter cuidado com a escolha das palavras. Saber quando simplificar e quando dar detalhes extras também é fundamental.

Aparte:

No laboratório, os alunos de graduação em biologia muitas vezes relatam a seus mentores que "meu experimento funcionou" sem compartilhar detalhes importantes sobre o que significa ter "funcionado", quais são as evidências, o quão fortes são as evidências ou qual a base é para seu julgamento - todos os detalhes que são críticos para entender exatamente o que aconteceu. Se e / ou quando você começar a trabalhar em um laboratório de pesquisa, faça a si mesmo e ao seu orientador o favor de descrever EM DETALHES o que você estava tentando realizar (não presuma que eles se lembrarão dos detalhes), como você decidiu cumprir seu objetivo ( projeto experimental), quais foram os resultados exatos (recomenda-se mostrar dados devidamente rotulados) e fornecer sua interpretação. Se você quiser encerrar sua descrição dizendo "portanto, funcionou!" isso também é ótimo.

Nota: Possível Discussão

Você consegue pensar em um exemplo em que o uso impreciso ou incorreto do vocabulário causou confusão desnecessária na vida real? Descreva o exemplo e discuta como a confusão poderia ter sido evitada.

Modelos e suposições simplificadas

Criação de modelos de coisas reais

A vida é complicada. Para nos ajudar a entender o que vemos ao nosso redor - tanto em nossa vida cotidiana quanto na ciência ou engenharia - frequentemente construímos modelos. Um aforismo comum afirma: todos os modelos estão errados, mas alguns são úteis. Ou seja, por mais sofisticados que sejam, todos os modelos são aproximações de algo real. Embora não sejam a "coisa real" (e, portanto, estejam errados), os modelos são úteis quando nos permitem fazer previsões sobre a vida real que podemos usar. Os modelos vêm em uma variedade de formas que incluem, mas não se limitam a:

Tipos de modelos

  • Modelos físicos: são objetos 3-D que podemos tocar.
  • Desenhos: podem ser em papel ou no computador e em 2-D ou 3-D virtual. Nós principalmente olhamos para eles.
  • Modelos matemáticos: descrevem algo na vida real em termos matemáticos. Nós os usamos para calcular o comportamento da coisa ou processo que queremos entender.
  • Modelos verbais ou escritos: esses modelos são comunicados em linguagem escrita ou falada.
  • Modelos mentais: esses modelos são construídos em nossas mentes e os usamos para criar os outros tipos de modelos e para compreender as coisas ao nosso redor.

Suposições simplificadas


Normalmente, na ciência e na vida cotidiana, os modelos simples são preferidos aos complexos. A criação de modelos simples de coisas reais complexas exige que façamos o que é conhecido como simplificando suposições. Como o nome indica, simplificando suposições são suposições incluídas no modelo para simplificar a análise tanto quanto possível. Quando um modelo simplificado não mais prevê o comportamento da coisa real dentro de limites aceitáveis, muitas suposições simplificadas foram feitas. Quando pouco valor preditivo é obtido com a adição de mais detalhes a um modelo, é provável que seja excessivamente complexo. Vamos dar uma olhada em diferentes tipos de modelos de diferentes disciplinas e apontar suas suposições simplificadoras.

Um exemplo da física: um bloco em um plano sem atrito

figura 1. Um desenho de linha que modela um bloco (de qualquer material) sentado em um plano inclinado genérico. Neste exemplo, alguns simplificando premissas são feitos. Por exemplo, os detalhes dos materiais do bloco e do plano são ignorados. Freqüentemente, também podemos, por conveniência, presumir que o avião não tem atrito. o simplificando suposições permitir que o aluno pratique o pensamento sobre como equilibrar as forças que atuam no bloco quando ele é elevado em um campo de gravidade e ver que a superfície em que está sentado não é perpendicular ao vetor de gravidade (mg) Isso simplifica a matemática e permite que o aluno se concentre na geometria do modelo e em como representá-la matematicamente. O modelo e seu simplificando suposições, poderia fazer um trabalho razoavelmente bom ao prever o comportamento de um cubo de gelo deslizando por um plano inclinado de vidro, mas provavelmente faria um trabalho ruim ao prever o comportamento de uma esponja úmida em um plano inclinado revestido com lixa. O modelo seria simplificado demais para o último cenário.

Fonte: Criado por Marc T. Facciotti (Obra própria)

Um exemplo da biologia: um diagrama de fita de uma proteína—Tele proteína transmembrana bacteriorodopsina

Figura 2. Este é um modelo de desenho animado da proteína transmembrana bacteriorodopsina. A proteína é representada como uma fita azul claro e roxa (as diferentes cores destacam a hélice alfa e a folha beta, respectivamente), um íon cloreto é representado como uma esfera amarela, as esferas vermelhas representam as moléculas de água, as bolas rosa e os bastões representam uma molécula da retina localizada no "interior" da proteína, e bolas e palitos de laranja representam outras moléculas de lipídios localizadas na superfície "externa" da proteína. O modelo é exibido em duas visualizações. À esquerda, o modelo é visualizado "de lado", enquanto à direita é visualizado ao longo de seu eixo longo do lado extracelular da proteína (girado 90 graus para fora da página a partir da visualização à esquerda). Este modelo simplifica muitos dos detalhes de nível atômico da proteína. Também não representa a dinâmica da proteína. o simplificando suposições significa que o modelo não faria um bom trabalho em prever o tempo que a proteína leva para fazer seu trabalho ou quantos prótons podem ser transportados através de uma membrana por segundo. Por outro lado, este modelo faz um trabalho muito bom ao prever quanto espaço a proteína ocupará em uma membrana celular, até que ponto a retina fica dentro da membrana ou se certos compostos podem "vazar" razoavelmente através do canal interno.

Fonte: Criado por Marc T. Facciotti (trabalho próprio), University of California, Davis
Derivado de PDBID: 4FPD

Um exemplo da química: um modelo de linha molecular de glicose

Figura 3. Um desenho de linha de uma molécula de glicose. Por convenção, os pontos onde as linhas retas se encontram são entendidos como representativos de átomos de carbono, enquanto outros átomos são mostrados explicitamente. Dadas algumas informações adicionais sobre a natureza dos átomos que são figurativamente representados aqui, este modelo pode ser útil para prever algumas das propriedades químicas desta molécula, incluindo a solubilidade ou as reações potenciais que ela pode ter com outras moléculas. o simplificando suposições, no entanto, esconde a dinâmica das moléculas.

Fonte: Criado por Marc T. Facciotti (Obra própria)

Um exemplo da vida cotidiana: um modelo em escala de uma Ferrari

Figura 4. Um modelo em escala de uma Ferrari. Existem muitas simplificações e a maioria só torna isso útil para prever a forma geral e as proporções relativas da coisa real. Por exemplo, este modelo não nos dá nenhum poder de previsão sobre quão bem o carro dirige ou quão rápido ele para a partir de uma velocidade de 70 km / s.

Fonte: Criado por Marc T. Facciotti (Obra própria)

Nota: possível discussão

Descreva um modelo físico que você usa na vida cotidiana. O que o modelo simplifica da coisa real?

Nota: possível discussão

Descreva um desenho que você usa na aula de ciências para modelar algo real. O que o modelo simplifica da coisa real? Quais são as vantagens e desvantagens das simplificações?

A vaca esférica

A vaca esférica é uma metáfora famosa na física que zomba das tendências dos físicos de criar modelos extremamente simplificados para coisas muito complexas. Numerosas piadas estão associadas a esta metáfora e são mais ou menos assim:

“A produção de leite em uma fazenda de leite era baixa, então o fazendeiro escreveu para a universidade local, pedindo ajuda da academia. Uma equipe multidisciplinar de professores foi montada, liderada por um físico teórico, e duas semanas de intensa investigação in loco aconteceram . Os bolsistas então voltaram para a universidade, cadernos abarrotados de dados, onde a tarefa de redigir o relatório foi deixada para o chefe da equipe. Pouco depois o físico voltou para a fazenda, dizendo ao fazendeiro: "Eu tenho a solução, mas ela só funciona no caso de vacas esféricas no vácuo "."

Fonte: página da Wikipedia sobre Spherical Cow - acessada em 23 de novembro de 2015.

Figura 5. Uma representação dos desenhos animados de uma vaca esférica.
Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikiped.../d2/Sphcow.jpg
Por Ingrid Kallick (Trabalho próprio) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons

A vaca esférica é uma maneira divertida de ridicularizar o processo de criação de modelos simples e é bem provável que você faça seu instrutor BIS2A invocar a referência à vaca esférica quando um modelo excessivamente simplificado de algo em biologia estiver sendo discutido. Esteja pronto para isso!

Análise delimitadora ou assintótica

No BIS2A, usamos modelos com frequência. Às vezes, também gostamos de imaginar ou testar o quão bem nossos modelos realmente representam a realidade e comparar isso com as expectativas do que sabemos ser verdade para as coisas da vida real. Há muitas maneiras de fazer isso, dependendo de quão precisamente você precisa saber o comportamento do que está tentando modelar. Se você precisa saber muitos detalhes, crie um modelo detalhado. Se você deseja viver com menos detalhes, criará um modelo mais simples. Além de aplicar simplificando suposições, muitas vezes é útil avaliar seu modelo usando uma técnica que chamamos saltitante ou análise assintótica. A ideia principal desta técnica é usar o modelo completo com simplificando suposições, para entender como a coisa real pode se comportar em condições extremas (por exemplo, avalie o modelo nos valores mínimo e máximo de uma variável). Vamos examinar um exemplo simples da vida real de como essa técnica funciona.

Exemplo: limite

Configuração de problema
Imagine que você precisa sair de Davis, CA e chegar em casa em Selma, CA para o fim de semana. São 17h e você disse a seus pais que estaria em casa às 18h30. Selma fica a 200 milhas (322 kM) de Davis. Você está ficando preocupado em não chegar em casa a tempo. Você consegue fazer uma estimativa se isso é possível ou se vai reaquecer o jantar no micro-ondas?

Crie um modelo simplificado e use limites
Você pode criar um modelo simplificado. Nesse caso, você pode presumir que a estrada entre Davis e Selma é perfeitamente reta. Você também presume que seu carro tem apenas duas velocidades: 0 mph e 120 mph. Essas duas velocidades são as velocidades mínima e máxima que você pode viajar - os valores de limite. Agora você pode estimar que, mesmo sob as suposições do cenário teoricamente "melhor", em que você dirige em uma estrada perfeitamente reta, sem obstáculos ou tráfego em velocidade máxima, você não chegará em casa a tempo. Na velocidade máxima, você cobriria apenas 180 das 200 milhas exigidas nas 1,5 horas de que você dispõe.

Interpretação
Neste exemplo da vida real, um modelo simplificado é criado. Neste caso, um muito importante simplificando suposições é feita: a estrada é considerada reta e livre de obstáculos ou tráfego. Essas suposições permitem que você assuma razoavelmente que poderia dirigir nesta estrada a toda velocidade por toda a distância. o simplificando suposições simplificou muito do que você sabe que está realmente lá no mundo real e que influenciaria a velocidade com que você viajaria e, por extensão, o tempo que levaria para fazer a viagem. O uso de limites - ou cálculo do comportamento nas velocidades mínima e máxima - é uma maneira de fazer previsões rápidas sobre o que pode acontecer no mundo real.

Faremos análises semelhantes no BIS2A.

A importância de conhecer as principais premissas do modelo

Saber quais suposições simplificadoras são feitas em um modelo é fundamental para julgar o quão útil ele é para prever a vida real e para começar a fazer uma estimativa sobre onde o modelo precisa ser aprimorado se não for suficientemente preditivo. No BIS2A, você será solicitado periodicamente a criar diferentes tipos de modelos e identificar explicitamente o simplificando suposições e o impacto dessas suposições sobre a utilidade e capacidade preditiva do modelo. Também usaremos modelos junto com saltitante exercícios para tentar aprender algo sobre o comportamento potencial de um sistema.

O método científico: visão geral

Um exemplo de simplificação excessiva que confunde muitos estudantes de biologia (principalmente no início de seus estudos) é o uso de uma linguagem que oculta o processo experimental usado para construir conhecimento. Por uma questão de conveniência, muitas vezes contamos histórias sobre sistemas biológicos como se estivéssemos apresentando fatos inquestionáveis. No entanto, embora muitas vezes escrevamos e falemos sobre tópicos de biologia com uma convicção que dá a aparência de conhecimento "factual", a realidade costuma ser mais matizada e cheia de incertezas significativas. A apresentação "factual" do material (geralmente sem discussão de evidência ou confiança na evidência) joga com nossa tendência natural de nos sentirmos bem em "saber" as coisas, mas tende a criar uma falsa sensação de segurança no estado de conhecimento e pouco para encorajar o uso da imaginação ou o desenvolvimento do pensamento crítico.

Uma maneira melhor de descrever nosso conhecimento sobre o mundo natural seria qualificar explicitamente que o que sabemos ser "verdadeiro" na ciência representa apenas nosso melhor entendimento atual de um tópico; um entendimento que ainda não foi refutado por experimentos. Infelizmente, repetidas qualificações tornam-se bastante complicadas. O importante a lembrar é que, embora não possamos dizer isso explicitamente, todo o conhecimento que discutimos em aula representa apenas o melhor de nosso entendimento atual. Algumas ideias têm resistido a experimentações repetidas e variadas, enquanto outros tópicos ainda precisam ser testados de forma tão completa. Portanto, se não temos tanta certeza sobre as coisas como gostaríamos de acreditar às vezes, como saber em que confiar e em que ser céticos? A resposta completa não é trivial, mas começa com o desenvolvimento de uma compreensão do processo usamos na ciência para construir novos conhecimentos. O método científico é o

processo

pelo qual novos conhecimentos são desenvolvidos. Embora o processo possa ser descrito com longas listas de "etapas" (freqüentemente vistas em livros didáticos), seus elementos centrais podem ser descritos de forma mais sucinta.

Descrição sucinta do método científico (adaptado de Feynman)

  1. Faça uma observação sobre o mundo.
  2. Propor uma possível explicação para a observação.
  3. Teste a explicação por experimento.
  4. Se a explicação não concorda com o experimento, a explicação está errada.

No fundo, é isso! Na ciência, pode haver várias explicações ou idéias propostas simultaneamente, que são testadas por experimentos. As ideias que falham na experimentação são deixadas para trás. As ideias que sobrevivem à experimentação avançam e são frequentemente testadas novamente por experimentos alternativos até que também falhem ou continuem a ser retidas.

Fazendo uma observação e fazendo uma pergunta

A capacidade de fazer observações úteis e / ou fazer perguntas significativas requer curiosidade, criatividade e imaginação - isso não pode ser exagerado. Na verdade, historicamente, é antes de tudo a aplicação dessas habilidades, talvez mais do que a habilidade técnica, que levou a grandes avanços na ciência. Muitas pessoas pensam que fazer observações significativas e fazer perguntas úteis é a parte mais fácil do método científico. Isso não é sempre o caso. Porque? Ver o que os outros ainda não pediram e a criatividade exige trabalho e reflexão cuidadosa! Além disso, nossos sentidos de observação são freqüentemente influenciados pela experiência de vida, conhecimento prévio ou até mesmo por nossa própria biologia. Esses preconceitos subjacentes influenciam a maneira como vemos o mundo, como interpretamos o que vemos e o que, em última análise, temos curiosidade. Isso significa que, quando olhamos para o mundo, podemos perder muitas coisas que estão bem debaixo de nossos narizes. Douglas Adams, mais conhecido por seu livro intitulado O Guia do Mochileiro das Galáxias, uma vez expandido neste ponto escrevendo:

“As suposições mais enganosas são aquelas que você nem sabe que está fazendo”.

Os cientistas, portanto, precisam estar cientes de quaisquer vieses subjacentes e quaisquer suposições que podem influenciar como eles internalizam e interpretam as observações. Isso inclui abordar nossa tendência de que a variedade de lugares em que obtemos nosso conhecimento (ou seja, livros didáticos, instrutores, a Internet) está representando a verdade absoluta com uma dose saudável de ceticismo. Precisamos aprender a examinar as evidências que sustentam os “fatos” que supostamente conhecemos e fazer julgamentos críticos sobre o quanto confiamos nesse conhecimento. De modo mais geral, dedicar algum tempo para fazer observações cuidadosas e descobrir quaisquer suposições e vieses que possam influenciar a forma como são interpretados é, portanto, um tempo bem gasto. Esta habilidade, como todas as outras, precisa ser desenvolvida e requer prática e vamos tentar iniciá-la no BIS2A.

Para se divertir e testar suas habilidades de observação, pesquise no Google “testes de observação”. Muitos dos resultados da pesquisa o levarão a testes psicológicos interessantes e / ou vídeos que ilustram o quão difícil pode ser uma observação precisa.

Gerando uma hipótese testável

A "explicação possível" referida na etapa três acima tem um nome formal; é chamado de hipótese. Uma hipótese não é uma suposição aleatória. Uma hipótese é uma explicação educada (baseada em conhecimento prévio ou um novo ponto de vista) para um evento ou observação. Normalmente é mais útil se uma hipótese científica puder ser testada. Isso requer que as ferramentas para fazer medições informativas no sistema existam e que o experimentador tenha controle suficiente sobre o sistema em questão para fazer as observações necessárias.

Na maioria das vezes, os comportamentos do sistema que o experimentador deseja testar podem ser influenciados por muitos fatores. Chamamos os comportamentos e fatores de variáveis ​​dependentes e independentes, respectivamente. A variável dependente é o comportamento que precisa ser explicado, enquanto as variáveis ​​independentes são todas as outras coisas que podem mudar e influenciar o comportamento da variável dependente. Por exemplo, um experimentador que desenvolveu um novo medicamento para controlar a pressão arterial pode querer testar se seu novo medicamento realmente influencia a pressão arterial. Neste exemplo, o sistema é o corpo humano, a variável dependente pode ser a pressão sanguínea e as variáveis ​​independentes podem ser outros fatores que mudam e influenciam a pressão sanguínea, como idade, sexo e níveis de vários fatores solúveis na corrente sanguínea.

Observação

No BIS2A e além, preferimos evitar o uso de linguagem como “o experimento provou a hipótese dela” ao nos referirmos a um caso como o exemplo da pressão arterial acima. Em vez disso, diríamos: "o experimento é consistente com a hipótese dela". Observe que, por conveniência, nos referimos à hipótese alternativa simplesmente como “sua hipótese”! Seria mais correto afirmar, “o experimento falsificou sua hipótese nula e é consistente com sua hipótese alternativa”. Por que usar esse atalho, já que isso causa confusão quando um aluno está tentando aprender? Nesse caso, isso foi feito para ilustrar o ponto acima sobre os atalhos de idioma e, portanto, a longa explicação. No entanto, esteja ciente desse atalho comumente usado e aprenda a certificar-se de que você mesmo pode ler o significado correto.

Nota: possível discussão

O que a afirmação sobre falsificar hipóteses significa em suas próprias palavras? Por que a falsificação é crítica para o método científico?

Controles

Em um caso ideal, um experimento incluirá grupos de controle. Os grupos de controle são condições experimentais nas quais os valores das variáveis ​​independentes (pode haver mais de uma) são mantidos tão próximos aos do grupo experimental, com exceção da variável independente que está sendo testada. No exemplo da pressão arterial, um cenário ideal seria ter um grupo idêntico de pessoas tomando a droga e outro grupo de pessoas idênticas às do grupo experimental tomando uma pílula contendo algo que sabidamente não influencia a pressão arterial. Neste exemplo simplificado, todas as variáveis ​​independentes são idênticas nos grupos controle e experimental, com exceção da presença ou ausência da nova droga. Nessas circunstâncias, se o valor da variável dependente (pressão arterial) do grupo experimental difere daquele do grupo controle, pode-se razoavelmente concluir que a diferença deve ser devida à diferença na variável independente (a presença / ausência do medicamento). Claro, esse é o ideal. Na vida real, é impossível conduzir o experimento de dosagem do medicamento proposto; o número absoluto de possíveis variáveis ​​independentes em um grupo de pacientes em potencial seria alto. Felizmente, embora os estatísticos tenham vindo em seu socorro na vida real, você não precisará entender as nuances dessas questões estatísticas no BIS2A.

Precisão na medição, incerteza e replicação

Finalmente, mencionamos a noção intuitiva de que as ferramentas usadas para fazer as medições em um experimento devem ser razoavelmente precisas. Quão preciso? Eles devem ser precisos o suficiente para fazer medições com certeza suficiente para tirar conclusões sobre se as mudanças nas variáveis ​​independentes realmente influenciam o valor de uma variável dependente. Se tomarmos, mais uma vez, o exemplo da pressão arterial acima. Nesse experimento, fizemos a importante suposição de que o experimentador tinha ferramentas que lhe permitiam fazer medições precisas das mudanças na pressão arterial associadas aos efeitos da droga. Por exemplo, se as mudanças associadas ao medicamento variaram entre 0 e 3 mmHg e seu medidor mediu habilmente as mudanças na pressão arterial com uma certeza de +/- 5 mmHg, ela não poderia ter feito as medições necessárias para testar sua hipótese ou teria perdido vendo o efeito da droga. Por causa do exemplo, presumimos que ela tinha um instrumento melhor e que ela podia ter certeza de que quaisquer mudanças que ela medisse eram de fato diferenças devido ao tratamento medicamentoso e que não eram devidas a erro de medição, variabilidade de amostra para amostra ou outras fontes de variação que diminuem a confiança das conclusões tiradas do experimento.

O tópico de erro de medição nos leva a mencionar que existem inúmeras outras fontes possíveis de incerteza em dados experimentais que vocês, como alunos, no final das contas precisarão aprender. Essas fontes de erro têm muito a ver com a determinação de quão certos temos de que os experimentos refutaram uma hipótese, o quanto devemos confiar na interpretação dos resultados experimentais e, por extensão, em nosso estado atual de conhecimento. Mesmo neste estágio, você reconhecerá algumas estratégias experimentais usadas para lidar com essas fontes de incerteza (ou seja, fazer medições em várias amostras, criar experimentos replicados). Você aprenderá mais sobre isso em seus cursos de estatística posteriormente.

Por enquanto, você deve, no entanto, estar ciente de que os experimentos carregam um certo grau de confiança nos resultados e que o grau de confiança nos resultados pode ser influenciado por muitos fatores. O desenvolvimento de um ceticismo saudável envolve, entre outras coisas, aprender a avaliar a qualidade de um experimento e a interpretação das descobertas e aprender a fazer perguntas sobre coisas como essa.

Nota: possível discussão

Depois de se mudar para a Califórnia para estudar na UC Davis, você se apaixonou por tomates frescos. Você decide que os tomates nas lojas simplesmente não têm o gosto certo e decide cultivar os seus próprios.

Você planta tomates em todo o seu quintal; cada espaço livre agora tem uma muda de tomate recém-plantada da mesma variedade. Você plantou tomates no solo em plena luz do sol e ao lado de sua casa em plena sombra.

Observação: Após o primeiro ano de colheita, você faz o observação que as plantas que crescem em plena sombra quase sempre parecem mais curtas do que aquelas em pleno sol. Você acha que tem uma explicação razoável (hipótese) para esta observação.

Com base nas informações acima, você cria a seguinte hipótese para explicar as diferenças de altura que você notou em seus tomates:

Hipótese: A altura que meus tomates atingem está positivamente correlacionada à quantidade de luz solar à qual eles são expostos (por exemplo, quanto mais sol a planta fica, mais alta ela será).

Esta hipótese é testável e falseável. Então, no próximo verão, você decide testar sua hipótese.

Essa hipótese também permite que você faça uma previsão. Nesse caso, você poderia prever que SE fizesse sombra a um conjunto de tomates na parte ensolarada do quintal, ENTÃO essas plantas seriam mais baixas do que suas vizinhas em pleno sol.

Você projeta um experimento para testar sua hipótese, comprando a mesma variedade de tomate que plantou no ano anterior e plantando todo o seu quintal novamente. Este ano, no entanto, você decide fazer duas coisas diferentes:

  1. Você cria uma estrutura de sombra que coloca sobre um pequeno subconjunto de plantas na parte ensolarada de seu quintal.
  2. Você constrói uma engenhoca com espelhos que redireciona um pouco da luz do sol para um pequeno subconjunto de plantas que estão na parte sombreada do quintal.

Questão 1: Usamos um atalho acima. Você pode criar declarações para a hipótese nula e alternativa? Trabalhe com seus colegas para fazer isso.

Questão 2: Por que você cria uma estrutura de sombra? O que é esse teste? Com base na sua hipótese, o que você prevê que acontecerá com as plantas sob a estrutura de sombra?

Questão 3: Por que você cria a engenhoca do espelho? Por que você precisa potencialmente desta engenhoca se você já tem a estrutura da sombra?

Novos dados: No final do verão, você mede a altura de seus pés de tomate e descobre, mais uma vez, que as plantas na parte ensolarada do quintal são realmente mais altas do que as da parte sombreada do quintal. No entanto, você percebe que não há diferença de altura entre as plantas sob sua estrutura de sombra e aquelas próximas à estrutura em pleno sol. Além disso, você percebe que as plantas na parte sombreada do quintal têm quase a mesma altura, incluindo aquelas que tiveram luz extra brilhando sobre elas por meio de sua engenhoca de espelho.

Questão 4: O que este experimento o leva a concluir? O que você tentaria fazer a seguir?

Questão 5: Imagine um cenário alternativo em que você descobriu, como antes, que as plantas na parte ensolarada do quintal eram todas da mesma altura (mesmo aquelas sob sua estrutura de sombra), mas que as plantas na parte sombreada do quintal que receberam “extra ”A luz de sua engenhoca de espelho ficou mais alta do que seus vizinhos imediatos. O que isso diria sobre sua hipótese alternativa? Hipótese nula? O que você faria depois?

Questão 6: Que suposições você está fazendo sobre a capacidade de fazer medições neste experimento? Que influência essas suposições podem ter em sua interpretação dos resultados?

Nesta aula, você ocasionalmente será solicitado a criar hipóteses, interpretar dados e projetar experimentos com controles adequados. Todas essas habilidades exigem prática para serem dominadas - podemos começar a praticá-las no BIS2A. Novamente, embora não esperemos que você seja um mestre depois de ler este texto, assumiremos que você leu este texto durante a primeira semana e que os conceitos associados não são completamente novos para você. Você sempre pode retornar a este texto como um recurso para se refrescar.

Isenção de responsabilidade

Embora o tratamento anterior do método experimental seja muito básico - você sem dúvida adicionará várias camadas de sofisticação a essas idéias básicas à medida que continuar seus estudos - ele deve servir como uma introdução suficiente ao tópico do BIS2A. O ponto mais importante a lembrar nesta seção é que o conhecimento representado neste curso, embora às vezes inadvertidamente representado como um fato irrefutável, é realmente apenas a hipótese mais atual sobre como certas coisas acontecem na biologia que ainda não foi falsificada por meio de experimentos.

O Desafio de Design

Seus instrutores BIS2A desenvolveram algo que chamamos de “O Desafio do Design” para nos ajudar a abordar os tópicos que abordamos no curso de uma perspectiva de solução de problemas e / ou design. Esta ferramenta de ensino nos ajuda a:

• desenvolver um estado de espírito ou uma forma de abordar o material e
• projetar um conjunto de etapas sequenciais que ajudem a estruturar o pensamento sobre os tópicos do curso em um contexto de resolução de problemas.

Como deve funcionar? Quando encontramos um tópico em aula, “O Desafio do Design” nos incentiva a pensar sobre ele da seguinte maneira centrada na resolução de problemas:

  1. Identifique o (s) problema (s) - isso pode incluir a identificação de "grandes" problemas e também sua decomposição em subproblemas aninhados "menores"
  2. Determine critérios para soluções de sucesso
  3. Identifique e / ou imagine soluções possíveis
  4. Avalie as soluções propostas em relação aos critérios de sucesso
  5. Escolha uma solução

Usando a estrutura do desafio de design, tópicos que normalmente são apresentados como listas de fatos e histórias são transformados em quebra-cabeças ou problemas que precisam ser resolvidos. Por exemplo, a discussão sobre o tópico da divisão celular é motivada por um problema. A declaração do problema pode ser: "A célula precisa se dividir". Alguns dos critérios para o sucesso podem incluir a necessidade de ter uma cópia quase idêntica do DNA em cada célula filha, distribuindo organelas entre as células-filhas para que cada uma permaneça viável etc. dividir ”problema. Pode-se então explorar quais são os desafios e tentar usar o conhecimento e a imaginação existentes para propor algumas soluções para cada um desses problemas. Diferentes soluções podem ser avaliadas e depois comparadas com o que a Natureza parece ter feito (pelo menos nos casos bem estudados).

Este exercício exige que usemos a imaginação e o pensamento crítico. Também incentiva o aluno e o instrutor a pensar criticamente sobre porque o tópico específico é importante estudar. A abordagem do Desafio de Design para ensinar biologia tenta faço o aluno e o instrutor enfocam as questões centrais importantes que impulsionaram o desenvolvimento do conhecimento em primeiro lugar! Também incentiva os alunos a sonharem com novas ideias e a interagirem com o material de uma maneira que seja centrada na questão / problema ao invés de no “fato”. A abordagem centrada na questão / problema é diferente da que a maioria das pessoas está acostumada, mas é, em última análise, mais útil para desenvolver habilidades, estruturas mentais e conhecimento que serão transferidos para outros problemas que encontrarão durante seus estudos e depois.

Exemplo

Por exemplo, o problema orientador no BIS2A é entender “Como construir uma célula”. Este problema bastante complexo será dividido em vários subproblemas menores que incluem:

  • adquirir os blocos de construção para construir partes celulares do ambiente
  • adquirir energia para construir peças celulares do meio ambiente
  • transformando os blocos de construção da célula entre diferentes formas
  • transferência de energia entre diferentes formas de armazenamento
  • criar uma nova célula a partir de uma célula antiga
  • problemas que identificamos na aula

À medida que exploramos esses subproblemas, às vezes exploraremos algumas das diferentes maneiras pelas quais a biologia abordou cada questão. À medida que entramos em detalhes, vamos, no entanto, manter o foco e não esquecer a importância de sempre estarmos ligados às questões / problemas que nos motivaram a falar sobre as especificidades no primeiro lugar

Método Científico vs. O Desafio do Design

Neste ponto, você pode estar pensando: "Qual é a diferença entre o método científico e a rubrica de desafio de design e por que preciso de ambos?" Não é uma pergunta incomum, então vamos ver se podemos esclarecer isso agora.

O desafio do design e o método científico são processos que compartilham qualidades semelhantes. A característica distintiva crítica, no entanto, é o propósito por trás de cada um dos processos. O método científico é um processo usado para eliminar possíveis respostas a perguntas. Um cenário típico em que se pode usar o método científico envolveria alguém fazendo uma observação, propondo várias explicações, projetando um experimento que pudesse ajudar a eliminar uma ou mais das explicações e refletindo sobre o resultado. Em contraste, o processo de design é usado para criar soluções para problemas. Um cenário típico para o desafio de design começaria com um problema que precisa ser resolvido, definindo critérios para uma resolução bem-sucedida, criando várias soluções possíveis que atenderiam aos critérios de sucesso e selecionando uma solução ou refletindo sobre as mudanças que podem ser feitas nos projetos para atender aos critérios de sucesso. Uma diferença operacional chave é que o desafio do design requer que os critérios de sucesso sejam definidos, enquanto o método científico não.

Embora ambos sejam semelhantes, as diferenças ainda são reais e precisamos praticar os dois processos. Afirmaremos que usamos ambos os processos na "vida real" o tempo todo. Um médico, por exemplo, usará ambos os processos interativamente enquanto forma hipóteses que tentam determinar o que pode estar causando as doenças de seu paciente. Ela dará meia-volta e usará o processo de design para construir um curso de tratamento que atenda a certos critérios de sucesso. Um cientista pode estar profundamente envolvido na geração de hipóteses, mas eventualmente precisará usar um processo de design para construir um experimento que, dentro de certos critérios de sucesso definíveis, o ajudará a responder a uma pergunta.

Ambos os processos, embora semelhantes, são importantes para uso em diferentes situações e queremos começar a melhorar em ambos.

Evolução e Seleção Natural

Breve visão geral

Evolução e seleção natural são conceitos centrais em biologia que são tipicamente invocados para ajudar a explicar a diversidade e as relações entre a vida na Terra, tanto existente quanto extinta. Felizmente, no BIS2A, você precisa entender e usar apenas algumas ideias básicas relacionadas à evolução e seleção natural. Descrevemos isso abaixo. Você expandirá sua compreensão e adicionará detalhes a esses conceitos básicos em BIS2B e BIS2C.

A primeira ideia que você precisa entender é que a evolução pode ser simplesmente definida como o desenvolvimento / mudança de algo ao longo do tempo. Na indústria automotiva, pode-se dizer que as formas e características dos carros evoluem (mudam com o tempo). Na moda, pode-se dizer que o estilo evolui. Em biologia, vida e, em particular, reproduzindo populações de organismos com traços diferentes evoluir.

A segunda coisa a entender é que a seleção natural é um processo pelo qual a natureza filtra os organismos em uma população. Qual é o filtro? Aqui fica um pouco mais complicado (mas só um pouco). A explicação mais simples é que o filtro seletivo é apenas uma combinação de todos os fatores vivos e não vivos em um ambiente, que influenciam o sucesso de reprodução de um organismo. Os fatores que influenciam a capacidade de reprodução de um organismo são conhecidos como pressões seletivas. Uma complicação pequena, mas importante, é que esses fatores não são os mesmos em todos os lugares; eles mudam com o tempo e com a localização. Assim, as pressões seletivas que criam o filtro estão em constante mudança (às vezes rapidamente, às vezes lentamente), e os organismos nas mesmas reproduzindo população poderia sofrer pressões diferentes em momentos diferentes e em locais diferentes.

A teoria da evolução por seleção natural coloca essas duas idéias juntas; estipula que a mudança na biologia acontece ao longo do tempo e que a variação em uma população está constantemente sujeita à seleção com base em como as diferenças nas características influenciam a reprodução. Mas quais são essas características ou características? Quais características / recursos / funções podem estar sujeitos à seleção? A resposta curta é: quase tudo o que está associado a um organismo para o qual existe variação em uma população e para o qual essa variação leva a uma probabilidade diferencial de gerar descendentes provavelmente estará sujeito à filtragem pela seleção natural. Também chamamos essas características de hereditárias fenótipos. Organismos em uma população que têm fenótipos, que os permitem passar pelo filtro seletivo com mais eficiência do que outros, são considerados como tendo um vantagem seletiva e / ou maior preparo físico.

É importante reiterar que, embora os fenótipos transportados por organismos individuais possam estar sujeitos à seleção, o processo de evolução por seleção natural requer e atua sobre variação fenotípica dentro de populações. Se nem variação nem populações nas quais essa variação pode residir, não há oportunidade ou necessidade de seleção. Tudo é e continua igual.

Equívocos comuns e uma nota específica do curso

Finalmente, chamamos sua atenção para um ponto crítico e equívoco comum entre os alunos iniciantes em biologia. Esse equívoco pode surgir quando, para fins de discussão, decidimos antropomorfizar a natureza, dando-lhe um intelecto. Por exemplo, podemos tentar construir um exemplo para a evolução por seleção natural, propondo que um excedente de um alimento específico existe em um ambiente e há um organismo próximo que está morrendo de fome. Seria correto raciocinar que se o organismo pudesse comer aquele alimento, isso poderia lhe dar uma vantagem seletiva sobre outros organismos que não podem. Se mais tarde encontrarmos um exemplo de organismos que têm a capacidade de comer esse alimento excedente, pode ser tentador dizer que a natureza evoluiu para resolver o problema do alimento excedente. O processo de evolução por seleção natural, entretanto, acontece de forma aleatória e sem direção. Ou seja, a natureza NÃO identifica “problemas” que estão limitando a aptidão. A natureza NÃO identifica características que tornariam um organismo mais bem-sucedido e então começa a criar diversas soluções que atendam a essa necessidade. A geração de variação não é guiada. A variação acontece e a seleção natural filtra o que funciona melhor. A observação de que existe um organismo que pode comer o alimento excedente não é um reflexo da natureza ativamente resolvendo um problema, mas sim um reflexo de quaisquer processos que levaram à variação fenotípica em uma população ancestral que criou - entre muitas outras variantes - um fenótipo que aumentou a aptidão (possivelmente porque os organismos ancestrais foram capazes de comer o alimento excedente).

Este ponto do parágrafo anterior é particularmente importante para entender no contexto do BIS2A por causa da maneira como iremos utilizar o Desafio de Design para entender a biologia. Embora o Desafio de Design pretenda ajudar a concentrar nossa atenção nas funções sob seleção e em sua relação com a determinação da aptidão, pode ser fácil - se não estivermos atentos - cair em uma linguagem que sugira que a natureza projeta soluções propositadamente para resolver problemas específicos . Lembre-se sempre de que estamos olhando retrospectivamente para o que a natureza selecionou e que estamos tentando entender por que um fenótipo específico pode ter sido selecionado entre muitas outras possibilidades. Ao fazer isso, estaremos inferindo ou formulando hipóteses da melhor maneira possível (o que às vezes é errado) uma razão sensata para explicar por que um fenótipo pode ter fornecido uma vantagem seletiva. NÃO estamos dizendo que o fenótipo evoluiu PARA fornecer uma vantagem seletiva específica. A distinção entre essas duas idéias pode ser sutil, mas é crítica!

Nota: possível discussão

Em quais características físicas você pode pensar que dão uma vantagem seletiva a certas espécies? Em que condições esse traço confere essas vantagens? Em que condições esse traço pode ser uma desvantagem seletiva?

Nota: possível discussão

As grandes variedades de raças de cães domesticados das quais podemos escolher para companhia também são o resultado de um processo de evolução por seleção. Da mesma forma, o desenvolvimento de muitas culturas de aparência muito diferente - repolho, couve de Bruxelas, couve-rábano, couve, brócolis e couve-flor - também é o resultado da evolução por seleção. No entanto, nestes dois casos, o processo de seleção ou filtragem é referido seleção artificial em vez de seleção natural. Discuta como a seleção artificial e a natural são semelhantes e diferentes?

Nota: possível discussão

Como os fatores ambientais e políticos influenciam os processos de fabricação, como o design de automóveis? Moda? Etc. Quais aspectos são semelhantes à evolução de um organismo e quais aspectos são diferentes?

Nota: possível discussão

Um equívoco relacionado, mas ligeiramente diferente, sobre a evolução por seleção natural é que esse processo leva à criação das soluções mais eficientes para os problemas. Qual é o problema com essa noção?

Abordagem geral para tipos de biomoléculas em BIS2A

Antes que você comece

Se necessário, reveja o módulo Desafio de Design para revisar a avaliação do Desafio de Design.

Algum contexto e motivação

No BIS2A, estamos principalmente preocupados em desenvolver uma compreensão funcional de uma célula biológica. No contexto de um problema de design, podemos dizer que queremos resolver o problema de construção de uma célula. Se dividirmos essa grande tarefa em problemas menores ou, alternativamente, perguntarmos que tipos de coisas precisamos entender para fazer isso, seria razoável concluir que entender do que a célula é feita seria importante. Dito isso, não é suficiente avaliar DE QUE é feita a célula. Também precisamos entender as PROPRIEDADES dos materiais que compõem a célula. Isso exige que investiguemos um pouco a química - a ciência das "coisas" (matéria) que constituem o mundo que conhecemos.

Essa perspectiva de falar sobre química molecular e termodinâmica deixa alguns estudantes de biologia apreensivos. Esperançosamente, no entanto, mostraremos que muitos do vasto número de processos biológicos com os quais nos preocupamos surgem diretamente das propriedades químicas das "coisas" que constituem a vida e que o desenvolvimento de uma compreensão funcional de alguns conceitos químicos básicos pode ser extremamente útil em pensar sobre como resolver problemas de medicina, energia e meio ambiente, atacando-os em seu âmago.

Importância da composição química

Como aluno do BIS2A, você será solicitado a classificar as macromoléculas em grupos, observando sua composição química e, com base nessa composição, também inferir algumas das propriedades que podem ter. Por exemplo, os carboidratos normalmente têm vários grupos hidroxila. Os grupos hidroxila são grupos funcionais polares capazes de formar ligações de hidrogênio. Portanto, algumas das propriedades biologicamente relevantes de vários carboidratos podem ser compreendidas em algum nível por um equilíbrio entre como eles podem tender a formar ligações de hidrogênio com a água, eles próprios ou outras moléculas.

Vinculando a estrutura à função

Cada macromolécula desempenha um papel específico no funcionamento geral de uma célula. As propriedades químicas e a estrutura de uma macromolécula estarão diretamente relacionadas à sua função. Por exemplo, a estrutura de um fosfolipídeo pode ser dividida em dois grupos, um grupo de cabeça hidrofílico e um grupo de cauda hidrofóbico. Cada um desses grupos desempenha um papel não apenas na montagem da membrana celular, mas também na seletividade de substâncias que podem / não podem atravessar a membrana.

A estrutura de um átomo

figura 1. Os átomos são os blocos de construção das moléculas encontradas no universo - ar, solo, água, rochas - e também as células de todos os organismos vivos. Neste modelo de molécula orgânica, os átomos de carbono (preto), hidrogênio (branco), nitrogênio (azul), oxigênio (vermelho) e enxofre (amarelo) são mostrados em tamanho atômico proporcional. As barras de prata representam ligações químicas. (crédito: modificação da obra de Christian Guthier)

Um átomo é a menor unidade de matéria que retém todas as propriedades químicas de um elemento. Elementos são formas de matéria com propriedades físicas e químicas específicas que não podem ser decompostas em substâncias menores por meio de reações químicas comuns.

A química discutida em BIS2A exige que usemos um modelo para um átomo. Embora existam modelos mais sofisticados, o modelo atômico usado neste curso faz a suposição simplificadora de que o átomo padrão é composto de três partículas subatômicas, o próton, a nêutron, e as elétron. Prótons e nêutrons têm uma massa de aproximadamente uma unidade de massa atômica (a.m.u.). Uma unidade de massa atômica é de aproximadamente 1,660538921 x 10-27kg - aproximadamente 1/12 da massa de um átomo de carbono (consulte a tabela abaixo para obter um valor mais preciso). A massa de um elétron é 0,000548597 a.m.u. ou 9,1 x 10-31kg. Nêutrons e prótons residem no centro do átomo em uma região chamada de núcleo enquanto os elétrons orbitam ao redor do núcleo em zonas chamadas orbitais, conforme ilustrado abaixo. A única exceção a esta descrição é o átomo de hidrogênio (H), que é composto de um próton e um elétron sem nêutrons. Um átomo é atribuído a um número atômico com base no número de prótons no núcleo. O carbono neutro (C), por exemplo, tem seis nêutrons, seis prótons e seis elétrons. Tem um número atômico de seis e uma massa de pouco mais de 12 a.m.u.

tabela 1. Carga, massa e localização de partículas subatômicas

Prótons, nêutrons e elétrons
CobrarMissa (manhã)Massa (kg)Localização
Próton+1~11,6726 x 10-27núcleo
Nêutron0~11,6749 x 10-27núcleo
Elétron–1~09,1094 x 10-31orbitais

A Tabela 1 relata a carga e a localização de três partículas subatômicas - o nêutron, o próton e o elétron. Unidade de massa atômica = a.m.u. (a.k.a. Dalton [Da]) - isso é definido como aproximadamente um duodécimo da massa de um átomo de carbono neutro ou 1,660538921 x 10−27 kg. Esta é aproximadamente a massa de um próton ou nêutron.

Figura 2. Elementos, como o hélio representado aqui, são feitos de átomos. Os átomos são compostos de prótons e nêutrons localizados dentro do núcleo e elétrons ao redor do núcleo em regiões chamadas orbitais. (Observação: esta figura representa um modelo de Bohr para um átomo - poderíamos usar uma nova figura de código aberto que representasse um modelo mais moderno para orbitais. Se alguém encontrar um, encaminhe-o.)
Fonte: (https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
Por usuário: Yzmo (trabalho próprio) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0 /)], via Wikimedia Commons

Tamanhos relativos e distribuição de elementos

O átomo típico tem um raio de um a dois angstroms (Å). 1Å = 1 x 10-10m. O núcleo típico tem um raio de 1 x 10-5Å ou 10.000 menor que o raio de todo o átomo. Por analogia, uma grande bola de exercício típica tem um raio de 0,85 m. Se fosse um átomo, o núcleo teria um raio de cerca de 1/2 a 1/10 do seu cabelo mais fino. Todo esse volume extra é ocupado pelos elétrons em regiões chamadas orbitais. Para um átomo ideal, orbitais são regiões definidas probabilisticamente no espaço ao redor do núcleo em que se pode esperar que um elétron seja encontrado.

Para obter informações básicas adicionais sobre a estrutura atômica, clique aqui.
Para obter informações básicas adicionais sobre orbitais aqui.

Vídeo clipes

Para uma revisão da estrutura atômica, confira este vídeo do Youtube: estrutura atômica.

As propriedades dos materiais vivos e não vivos são determinadas em grande parte pela composição e organização de seus elementos constituintes. Cinco elementos são comuns a todos os organismos vivos: Oxigênio (O), Carbono (C), Hidrogênio (H), Fósforo (P) e Nitrogênio (N). Outros elementos como Enxofre (S), Cálcio (Ca), Cloreto (Cl), Sódio (Na), Ferro (Fe), Cobalto (Co), Magnésio, Potássio (K) e vários outros oligoelementos também são necessários para a vida , mas são normalmente encontrados em muito menos abundância do que os "cinco primeiros" mencionados acima. Como consequência, a química da vida - e, por extensão, a química da relevância em BIS2A - concentra-se amplamente em arranjos comuns e reações entre os "cinco principais" átomos centrais da biologia.

Figura 3. Uma tabela ilustrando a abundância de elementos no corpo humano. Um gráfico de pizza ilustrando as relações em abundância entre os quatro elementos mais comuns.
Crédito: Dados da Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundan...mical_elements); gráfico criado por Marc T. Facciotti

A tabela periódica

Os diferentes elementos são organizados e exibidos no tabela periódica. Idealizada pelo químico russo Dmitri Mendeleev (1834–1907) em 1869, a tabela agrupa elementos que, devido a algumas semelhanças de sua estrutura atômica, compartilham certas propriedades químicas. A estrutura atômica dos elementos é responsável por suas propriedades físicas, incluindo se eles existem como gases, sólidos ou líquidos sob condições específicas e e seus reatividade química, um termo que se refere à sua capacidade de se combinar e se ligar quimicamente entre si e com outros elementos.

Na tabela periódica, mostrada abaixo, os elementos são organizados e exibidos de acordo com seu número atômico e são organizados em uma série de linhas e colunas com base em propriedades químicas e físicas compartilhadas. Além de fornecer o número atômico para cada elemento, a tabela periódica também exibe a massa atômica do elemento. Olhando para o carbono, por exemplo, seu símbolo (C) e nome aparecem, bem como seu número atômico de seis (no canto superior direito indicando o número de prótons no núcleo neutro) e sua massa atômica de 12,11 (soma da massa de elétrons, prótons e nêutrons).

Figura: A tabela periódica mostra a massa atômica e o número atômico de cada elemento. O número atômico aparece acima do símbolo do elemento e a massa atômica aproximada aparece à esquerda.
Fonte: Por 2012rc (feito por conta própria usando inkscape) [Domínio público], via Wikimedia Commons Modificado por Marc T. Facciotti - 2016

Eletro-negatividade

Moléculas são coleções de átomos associados entre si por meio de ligações. É razoável esperar - e o caso empiricamente - que diferentes átomos exibirão diferentes propriedades físicas, incluindo habilidades para interagir com outros átomos. Uma dessas propriedades, a tendência de um átomo de atrair elétrons, é descrita pelo conceito químico e pelo termo eletronegatividade.Embora vários métodos para medir a eletronegatividade tenham sido desenvolvidos, o mais comumente ensinado aos biólogos é o criado por Linus Pauling.

Uma descrição de como a eletronegatividade de Pauling pode ser calculada está além do escopo do BIS2A. O que é importante saber, no entanto, é que os valores de eletronegatividade foram experimentalmente e / ou teoricamente determinados para quase todos os elementos da tabela periódica. Os valores são sem unidade e são relatados em relação à referência padrão, hidrogênio, cuja eletronegatividade é 2,20. Quanto maior o valor de eletronegatividade, maior a tendência de um átomo atrair elétrons. Usando esta escala, a eletronegatividade de diferentes átomos pode ser comparada quantitativamente. Por exemplo, usando a Tabela 1 abaixo, você pode relatar que os átomos de oxigênio (O) são mais eletronegativos do que os átomos de fósforo (P).

Tabela 1. Valores de eletronegatividade de Pauling para elementos selecionados de relevância para BIS2A, bem como elementos nos dois extremos (mais alto e mais baixo) da escala de eletronegatividade.

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

A utilidade da escala de eletronegatividade de Pauling em BIS2A é fornecer uma base química para explicar os tipos de ligações que se formam entre os elementos de ocorrência comum em sistemas biológicos e para explicar algumas das principais interações que observamos rotineiramente. Desenvolvemos nossa compreensão dos argumentos baseados na eletronegatividade sobre ligações e interações moleculares, comparando as eletronegatividades de dois átomos. Lembre-se de que quanto maior a eletronegatividade, mais forte é a "atração" que um átomo exerce sobre os elétrons próximos.

Podemos considerar, por exemplo, a interação comum entre oxigênio (O) e hidrogênio (H). Vamos supor que O e H estão interagindo (formando uma ligação) e escrever essa interação como O-H, onde o traço entre as letras representa a interação entre os dois átomos. Para entender melhor essa interação, podemos comparar a eletronegatividade relativa de cada átomo. Examinando a tabela acima, vemos que O tem uma eletronegatividade de 3,44 e H tem uma eletronegatividade de 2,20.

Com base no conceito de eletronegatividade como o entendemos agora, podemos supor que o átomo de oxigênio (O) tenderá a "puxar" os elétrons para longe do hidrogênio (H) quando eles estiverem interagindo. Isso dará origem a uma carga negativa leve, mas significativa, em torno do átomo de O (devido à maior tendência dos elétrons de se associarem ao átomo de O). Isso também resulta em uma leve carga positiva em torno do átomo de H (devido à diminuição na probabilidade de encontrar um elétron nas proximidades). Uma vez que os elétrons não são distribuídos uniformemente entre os dois átomos E, por consequência, a carga elétrica também não é distribuída uniformemente, descrevemos esta interação ou ligação como polar. Existem dois pólos em vigor: o pólo negativo próximo ao oxigênio e o pólo positivo próximo ao hidrogênio.

Para estender a utilidade deste conceito, podemos agora perguntar como uma interação entre oxigênio (O) e hidrogênio (H) difere de uma interação entre enxofre (S) e hidrogênio (H). Ou seja, como O-H difere de S-H? Se examinarmos a tabela acima, vemos que a diferença na eletronegatividade entre O e H é 1,24 (3,44 - 2,20 = 1,24) e que a diferença na eletronegatividade entre S e H é 0,38 (2,58 - 2,20 = 0,38). Podemos, portanto, concluir que uma ligação O-H é mais polar do que uma ligação S-H. Discutiremos as consequências dessas diferenças nos capítulos subsequentes.

Figura 2. A tabela periódica com as eletronegatividades de cada átomo listado.

Atribuição: Por DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Um exame da tabela periódica dos elementos (Figura 2) ilustra que a eletronegatividade está relacionada a algumas das propriedades físicas usadas para organizar os elementos na tabela. Certas tendências são aparentes. Por exemplo, aqueles átomos com a maior eletronegatividade tendem a residir no canto superior direito da tabela periódica, como Flúor (F), Oxigênio (O) e Cloro (Cl), enquanto os elementos com a menor eletronegatividade tendem a ser encontrados na outra extremidade da tabela, no canto inferior esquerdo, como Francium (Fr), Césio (Cs) e Rádio (Ra).

O principal uso do conceito de eletronegatividade em BIS2A será, portanto, fornecer uma base conceitual para discutir os diferentes tipos de ligações químicas que ocorrem entre átomos na natureza. Vamos nos concentrar principalmente em três tipos de títulos: Ligações ionicas, Ligações Covalentes e Ligações de hidrogênio.

Tipos de títulos

No BIS2A, nos concentramos principalmente em três tipos diferentes de títulos: ligações iônicas, ligações covalentes, e ligações de hidrogênio. Esperamos que os alunos sejam capazes de reconhecer cada tipo de ligação diferente em modelos moleculares. Além disso, para ligações comumente vistas em biologia, esperamos que o aluno forneça uma explicação química, enraizada em ideias como eletronegatividade, para como essas ligações contribuem para a química de moléculas biológicas.

Ligações ionicas

Ligações ionicas são interações eletrostáticas formadas entre íons de cargas opostas. Por exemplo, a maioria de nós sabe que no cloreto de sódio (NaCl) íons de sódio carregados positivamente e íons de cloreto carregados negativamente se associam por meio de interações eletrostáticas (+ atrai -) para formar cristais de cloreto de sódio, ou sal de cozinha, criando uma molécula cristalina com rede zero cobrar. As origens dessas interações podem surgir da associação de átomos neutros cuja diferença de eletronegatividades é suficientemente alta. Veja o exemplo acima. Se imaginarmos que um átomo de sódio neutro e um átomo de cloro neutro se aproximam, é possível que a distâncias próximas, devido à diferença relativamente grande na eletronegatividade entre os dois átomos, que um elétron do átomo de sódio neutro seja transferido para o átomo de cloro neutro, resultando em um íon cloreto carregado negativamente e um íon sódio carregado positivamente. Esses íons agora podem interagir por meio de uma ligação iônica.

Figura 1. A formação de uma ligação iônica entre o sódio e o cloro é descrita. No painel A, uma diferença suficiente na eletronegatividade entre sódio e cloro induz a transferência de um elétron do sódio para o cloro, formando dois íons, conforme ilustrado no painel B. No painel C, os dois íons se associam por meio de uma interação eletrostática. Atribuição: Por BruceBlaus (trabalho próprio) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Este movimento de elétrons de um átomo para outro é conhecido como transferência de elétrons. No exemplo acima, quando o sódio perde um elétron, ele agora tem 11 prótons, 11 nêutrons e 10 elétrons, deixando-o com uma carga geral de +1 (somando cargas: 11 prótons com carga +1 cada e 10 elétrons a -1 carregar cada um = +1). Uma vez carregado, o átomo de sódio é conhecido como íon sódio. Da mesma forma, com base em sua eletronegatividade, um átomo de cloro neutro (Cl) tende a ganhar um elétron para criar um íon com 17 prótons, 17 nêutrons e 18 elétrons, dando-lhe uma carga líquida negativa (-1). Agora é conhecido como íon cloreto.

Podemos interpretar a transferência de elétrons acima usando o conceito de eletronegatividade. Comece comparando as eletronegatividades do sódio e do cloro examinando a tabela periódica dos elementos abaixo. Vemos que o cloro está localizado no canto superior direito da tabela, enquanto o sódio está localizado no canto superior esquerdo. Comparando os valores de eletronegatividade do cloro e do sódio diretamente, vemos que o átomo de cloro é mais eletronegativo do que o sódio. A diferença na eletronegatividade do cloro (3.16) e do sódio (0,93) é de 2,23 (usando a escala na tabela abaixo). Dado que sabemos que uma transferência de elétrons ocorrerá entre esses dois elementos, podemos concluir que as diferenças nas eletronegatividades de ~ 2,2 são grandes o suficiente para fazer com que um elétron se transfira entre dois átomos e que as interações entre esses elementos são prováveis ​​por meio de ligações iônicas.

Figura 2. A tabela periódica dos elementos listando os valores de eletronegatividade para cada elemento. Os elementos sódio e cloro são encaixotados com uma borda azul-petróleo. Atribuição: Por DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia CommonsModificado por Marc T. Facciotti

Nota: possível discussão

Os átomos em um tijolo de 5 pol. X 5 pol. De sal de cozinha (NaCl) colocado na bancada da cozinha são mantidos juntos quase inteiramente por ligações iônicas. Com base nessa observação, como você caracterizaria a força das ligações iônicas?

Agora considere o mesmo tijolo de sal de mesa depois de ter sido jogado em uma piscina comum de quintal. Depois de algumas horas, o tijolo estaria completamente dissolvido e os íons de sódio e cloreto seriam uniformemente distribuídos por toda a piscina. O que você pode concluir sobre a força das ligações iônicas a partir dessa observação?

Proponha uma razão pela qual as ligações iônicas de NaCl no ar podem se comportar de maneira diferente daquelas na água? Qual é o significado disso para a biologia?

Para obter informações adicionais:

Confira o link da Khan Academy sobre ligações iônicas.

Ligações covalentes

Também podemos invocar o conceito de eletronegatividade para ajudar a descrever as interações entre átomos que têm diferenças de eletronegatividade muito pequenas para que os átomos formem uma ligação iônica. Esses tipos de interação geralmente resultam em uma ligação chamada ligação covalente. Nessas ligações, os elétrons são compartilhados entre dois átomos - em contraste com uma interação iônica em que os elétrons permanecem em cada átomo de um íon ou são transferidos entre espécies que têm eletronegatividades altamente diferentes.

Começamos a explorar a ligação covalente examinando um exemplo em que a diferença na eletronegatividade é zero. Considere uma interação muito comum em biologia, a interação entre dois átomos de carbono. Nesse caso, cada átomo tem a mesma eletronegatividade, 2,55; a diferença na eletronegatividade é, portanto, zero. Se construirmos nosso modelo mental dessa interação usando o conceito de eletronegatividade, perceberemos que cada átomo de carbono no par carbono-carbono tem a mesma tendência de "puxar" elétrons para ele. Nesse caso, quando uma ligação é formada, nenhum dos dois átomos de carbono tenderá a "puxar" (um bom antropomorfismo) elétrons do outro. Em vez disso, eles "compartilharão" (outro antropomorfismo) os elétrons igualmente.

À parte: exemplo delimitador

Os dois exemplos acima - (1) a interação de sódio e cloro e (2) a interação entre dois átomos de carbono - enquadram uma discussão por "limitação" ou análise assintótica (ver leitura anterior). Examinamos o que acontece com um sistema físico ao considerar dois extremos. Neste caso, os extremos estavam nas diferenças de eletronegatividade entre átomos em interação. A interação de sódio e cloro ilustrou o que acontece quando dois átomos têm uma grande diferença em eletronegatividades, e o exemplo carbono-carbono ilustrou o que acontece quando essa diferença é zero. Uma vez que criamos esses postes mentais que descrevem o que acontece nos extremos, é mais fácil imaginar o que pode acontecer no meio - neste caso, o que acontece quando a diferença na eletronegatividade está entre 0 e 2,2. Faremos isso a seguir.

Quando o compartilhamento de elétrons entre dois átomos covalentemente ligados é quase igual, chamamos essas ligações de ligações covalentes não polares. Se, por outro lado, o compartilhamento de elétrons não for igual entre os dois átomos (provavelmente devido a uma diferença nas eletronegatividades entre os átomos), chamamos essas ligações polar Covalente títulos.

Em um polar Covalente ligação, os elétrons são desigualmente compartilhados pelos átomos e são atraídos por um núcleo mais do que pelo outro. Por causa da distribuição desigual de elétrons entre os átomos em uma ligação covalente polar, uma carga ligeiramente positiva (indicada por δ +) ou ligeiramente negativa (indicada por δ–) se desenvolve em cada pólo da ligação. A carga ligeiramente positiva (δ +) se desenvolverá no átomo menos eletronegativo, à medida que os elétrons forem puxados mais em direção ao átomo ligeiramente mais eletronegativo. Uma carga ligeiramente negativa (δ–) se desenvolverá no átomo mais eletronegativo. Uma vez que existem dois pólos (os pólos positivo e negativo), diz-se que a ligação possui um dipolo.

Exemplos de ligações covalentes não polares e covalentes polares em moléculas biologicamente relevantes

Ligações covalentes não polares

Oxigênio molecular

Oxigênio molecular (O2) é feito de uma associação entre dois átomos de oxigênio. Como os dois átomos compartilham a mesma eletronegatividade, as ligações no oxigênio molecular são covalentes apolares.

Metano

Outro exemplo de uma ligação covalente não polar é a ligação C-H encontrada no gás metano (CH4) Ao contrário do caso do oxigênio molecular, onde os dois átomos ligados compartilham a mesma eletronegatividade, o carbono e o hidrogênio não têm a mesma eletronegatividade; C = 2,55 e H = 2,20 - a diferença na eletronegatividade é 0,35.

Figura 3. Desenhos de linhas moleculares de oxigênio molecular, metano e dióxido de carbono. Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho próprio)

Alguns de vocês agora podem estar confusos. Se houver uma diferença na eletronegatividade entre os dois átomos, a ligação não é, por definição, polar? A resposta é sim e não e depende da definição de polar que o alto-falante / escritor está usando. Visto que este é um exemplo de como tomar atalhos no uso de um vocabulário específico pode às vezes levar à confusão, reservamos um momento para discutir isso aqui. Veja a simulação de intercâmbio entre um aluno e um instrutor abaixo para esclarecimentos:

1. Instrutor: "Em biologia, costumamos dizer que a ligação C-H é apolar."

2. Aluno: "Mas há uma diferença de eletronegatividade entre C e H, então parece que C deve ter uma tendência um pouco mais forte de atrair elétrons. Essa diferença de eletronegatividade deve criar uma pequena carga negativa em torno do carbono e uma pequena carga positiva carga em torno do hidrogênio. "

3. Aluno: "Uma vez que existe uma distribuição diferencial de carga ao longo da ligação, parece que, por definição, esta deve ser considerada uma ligação polar."

4. Instrutor: "Na verdade, o vínculo tem algum pequeno caráter polar."

5. Aluno: "Então, é polar? Estou confuso."

6. Instrutor: "Tem uma pequena quantidade de caráter polar, mas acontece que, para a maioria da química comum, encontraremos que essa pequena quantidade de caráter polar é insuficiente para levar a uma química" interessante ". Então, enquanto o vínculo é, estritamente falando, ligeiramente polar; do ponto de vista prático, é efetivamente não polar. Portanto, o chamamos de não polar. "

7. Aluno: "Isso é desnecessariamente confuso; como posso saber quando você quer dizer estritamente 100% não polar, ligeiramente polar ou funcionalmente polar quando usa a mesma palavra para descrever duas dessas três coisas?"

8. Instrutor: "Sim, é uma merda. A solução é que preciso ser o mais claro possível quando falar com você sobre como estou usando o termo" polaridade ". Também preciso informar que você encontrará isso atalho (e outros) usado quando você sai a campo, e eu o encorajo a começar a aprender a reconhecer o que se pretende com o contexto da conversa.

Uma analogia do mundo real para esse mesmo problema pode ser o uso da palavra "jornal". Pode ser usado em uma frase para se referir à empresa que publica algumas notícias, OU pode se referir ao item real que a empresa produz. Neste caso, a desambiguação é facilmente feita por falantes nativos de inglês, pois eles podem determinar o significado correto a partir do contexto; falantes não nativos podem ficar mais confusos. Não se preocupe; ao ver mais exemplos de uso de palavras técnicas em ciências, você aprenderá a ler os significados corretos dos contextos também. "

Aparte:

Qual deve ser a diferença na eletronegatividade para criar uma ligação que seja "polar o suficiente" para decidirmos chamá-la de polar em biologia? Obviamente, o valor exato depende de vários fatores, mas, como regra geral, às vezes usamos uma diferença de 0,4 como estimativa.

Essas informações extras são apenas para sua informação. Não será solicitado que você atribua a polaridade com base neste critério no BIS2A. Você deve, no entanto, apreciar o conceito de como a polaridade pode ser determinada usando o conceito de eletronegatividade. Você também deve apreciar as consequências funcionais da polaridade (mais sobre isso em outras seções) e as nuances associadas a esses termos (como aqueles na discussão acima).

Ligações covalentes polares

o polar Covalente ligação pode ser ilustrada examinando a associação entre O e H na água (H2O). O oxigênio tem uma eletronegatividade de 3,44, enquanto o hidrogênio tem uma eletronegatividade de 2,20. A diferença na eletronegatividade é 1,24. Acontece que esse tamanho da diferença de eletronegatividade é grande o suficiente para que o dipolo através da molécula contribua para o fenômeno químico de interesse.

Este é um bom ponto para mencionar outra fonte comum de confusão dos alunos a respeito do uso do termo polar. Agua tem polar títulos. Esta declaração se refere especificamente às ligações O-H individuais. Cada uma dessas ligações tem um dipolo. No entanto, os alunos também ouvirão que a água é um pólo molécula. Isso também é verdade. Esta última afirmação se refere ao fato de que a soma dos dois dipolos de ligação cria um dipolo em toda a molécula. UMA molécula pode ser apolar, mas ainda tem algumas ligações polares.

Figura 4. Uma molécula de água possui duas ligações O-H polares. Como a distribuição de carga na molécula é assimétrica (devido ao número e às orientações relativas dos dipolos de ligação), a molécula também é polar. O nome do elemento e as eletronegatividades são relatados na respectiva esfera. Facciotti (trabalho próprio)

Para obter informações adicionais, assista a este breve vídeo para ver uma animação da ligação iônica e covalente.

O continuum de ligações entre covalentes e iônicos

A discussão dos tipos de ligação acima destaca que, na natureza, você verá ligações em um continuum de covalentes completamente apolares a puramente iônicos, dependendo dos átomos que estão interagindo. Conforme você avança em seus estudos, você descobrirá que em moléculas maiores, com vários átomos, a localização dos elétrons ao redor de um átomo também é influenciada por vários fatores. Por exemplo, outros átomos que também estão ligados nas proximidades exercerão uma influência na distribuição de elétrons ao redor de um núcleo de uma forma que não é facilmente explicada invocando argumentos simples de comparações de pares de eletronegatividade. Os campos eletrostáticos locais produzidos por outros átomos não ligados também podem ter uma influência. A realidade é sempre mais complicada do que nossos modelos. No entanto, se os modelos nos permitem raciocinar e prever com precisão "boa o suficiente" ou compreender alguns conceitos fundamentais subjacentes que podem ser estendidos posteriormente, eles são bastante úteis.

Obrigações-chave em BIS2A

No BIS2A, estamos preocupados com o comportamento químico e as ligações entre os átomos nas biomoléculas.Felizmente, os sistemas biológicos são compostos por um número relativamente pequeno de elementos comuns (por exemplo, C, H, N, O, P, S, etc.) e alguns íons chave (por exemplo, Na +, Cl-, Ca2+, K +, etc.). Comece reconhecendo ligações que ocorrem comumente e as propriedades químicas que frequentemente as vemos mostrando. Algumas ligações comuns incluem C-C, C-O, C-H, N-H, C = O, C-N, P-O, O-H, S-H e algumas variantes. Eles serão discutidos posteriormente no contexto de grupos funcionais. A tarefa não é tão assustadora quanto parece.


Assista o vídeo: Meme de biologia 100% real. si te ries pierdes. (Agosto 2022).