Modelo de transportador ativo baseado no reconhecimento e aproveitamento de flutuações (1998)
- Authors:
- Autor USP: LIMA, NIELS FONTES - IF
- Unidade: IF
- Sigla do Departamento: FGE
- Assunto: MECÂNICA ESTATÍSTICA
- Language: Português
- Abstract: As microestruturas biológicas estão sujeitas a flutuações consideráveis,e, a princípio, reúnem as condições para reconhecer e aproveitar a ocorrência de flutuações favoráveis de grandeza locais, tais como a concentração de carga ou de espécies químicas, para gerar trabalho útil. Neste trabalho discutimos um sistema que realiza transporte ativo entre dois reservatórios, baseado no reconhecimento e no aproveitamento de flutuações locais da concentração de dada espécie química ou carga elétrica. O aproveitamento de flutuações invoca o demônio de Maxwell, e parte deste trabalho é dedicada à discussão das condições termodinâmicas da operação do modelo. Para conceber um sistema como pretendemos, mas que não viole a segunda lei da termodinâmica, precisamos discutir a história do demônio de Maxwell e de seu "exorcismo", e do seu envolvimento com as questões de aquisição, processamento e descarte de informação. Segundo o resultado atual dessa discussão (o "exorcismo" de Bennett e Landauer), o demônio não pode violar a segunda lei da termodinâmica, pois, para poder repetir o ciclo de operaçào, o processador de informação precisa voltar à condição inicial, descartando informação, o que é acompanhado de transferência de entropia para o exterior. Inicialmente propomos uma adaptação do "modelo do acesso alternado", bastante simplificado e idealizado, cujo cilo de operação é concebido de acordo com a solução de Bennett e Landauer. O modelo adquire informação sobre aquantidade de ions num compartimento, alternadamente exposto a dois reservatórios a diferentes potenciais eletroquímicos, e usa essa informação para realizar transporte ativo. Por hipótese,a aquisição e o aproveitamento de informação ocorrem espontaneamente, enquanto o descarte de informação envolve obrigatoriamente algum corpo externo. Como o modelo simplificado é pouco realista, elaboramos um modelo detalhado no qual um pequeno condutor é alternadamente posto ) em contato com dois reservatórios de carga elétrica ou é desligado de ambos. A carga contida no condutor pequeno flutua quando ele está conectado a algum reservatório. A carga flutuante interage com uma partícula browniana carregada, cuja posição controla o estado de condução elétrica entre o pequeno condutor e os reservatórios. Definimos de forma conveniente a energia potencial do sistema, em particular o perfil do potencial total que age sobre o sensor e a interação entre o sensor e a carga. A evolução temporal espontânea do sistema é dada por equações de Langevin acopladas por termos derivados da energia de interaçào entre sensor e carga. A mediação e o aproveitamento da informação ocorrem espontaneamente enquanto o condutor está desligado dos reservatórios, e são descritos pelo efeito da equação de Langevin sobre a posição e velocidade do sensor. O descarte de informação pode ser executado de diferentes modos, segundo alguma prescrição específica de modificação da posição do sensor (quemodifique o estado de condução ao estado isolado e apague a memória da última medição) e das variações externas associadas ao processo. Neste trabalho integramos numericamente essas equações de Langevin, submetendo adicionalmente o sensor a uma dada prescrição de reinicialização,e contabilizamos as variações da carga elétrica de cada reservatório, o trabalho total realizado pelo reciclador e as variações de entropia do sistema (devidas ao transporte e à dissipação) e do reciclador (definida de acordo com o "exorcismo" de Bennett e Landauer) durante a trajetória aleatória integrada.Com os resultados obtidos mostramos que o modelo funciona como uma bomba de carga elétrica movida pelo processo de reinicialização, que ele pode converter calor em trabalho (acumulando mais energia nos reservatórios de carga do que a energia ganha na reinicialização), mas que não diminui a entropia total, pois o custo entrópico da ) reinicialização, associado à dissipação necessária para o descarte de informação, é realmente maior ou igual à diminuição da entropia do reservatório conseguida pelo transporte ativo. O modelo proposto representa uma possibilidade realista de acoplamento indireto entre processos bioquímicos e físicos, como uma transdução de energia que não exige a conversão direta da energia de uma forma a outra. Se a natureza o utiliza ou não, é outra questão. Nada de fundamental nos impede, contudo, de utilizá-lo, por exemplo, como um conversor de energia solar emenergia elétrica, se pudermos fazer um dispositivo microeletrônico que seja reinicializado pela absorção de um quantum de luz
- Imprenta:
- Data da defesa: 19.02.1998
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ABNT
LIMA, Niels Fontes. Modelo de transportador ativo baseado no reconhecimento e aproveitamento de flutuações. 1998. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 1998. . Acesso em: 28 mar. 2024. -
APA
Lima, N. F. (1998). Modelo de transportador ativo baseado no reconhecimento e aproveitamento de flutuações (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Paulo. -
NLM
Lima NF. Modelo de transportador ativo baseado no reconhecimento e aproveitamento de flutuações. 1998 ;[citado 2024 mar. 28 ] -
Vancouver
Lima NF. Modelo de transportador ativo baseado no reconhecimento e aproveitamento de flutuações. 1998 ;[citado 2024 mar. 28 ]
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