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Origem da vida

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 Nota: Este artigo é sobre a perspectiva científica. Para os aspectos filosóficos e religiosos, veja Cosmogonia. Para a evolução histórica (ou pré-científica) até a refutação experimental da geração espontânea, veja Abiogênese.

Os muitos estudos científicos da origem da vida, ocasionalmente também denominados evolução química, constituem um ramo pluridisciplinar da ciência, que envolve, além da Química e da Biologia, conhecimentos de Física, Astronomia e Geologia. Seu objeto de interesse são os processos que teriam permitido aos elementos químicos que compõem os organismos atingirem o grau de organização estrutural e funcional que caracteriza a matéria viva. O fato de que estes processos requerem condições determinadas, que só podem ocorrer em locais específicos do universo, conecta o estudo da origem da vida à Astrobiologia.

Os modelos propostos para a origem da vida são tentativas de recriar a história desta evolução e é importante destacar que não existe, na maioria das etapas deste processo, nenhum consenso entre os cientistas. É uma situação inteiramente distinta da evolução biológica onde o modelo evolucionista darwiniano encontra-se bem estabelecido há mais de um século. Para melhor situar o problema é indispensável em primeiro lugar examinar os níveis de organização inerentes à matéria viva e então discutir como os modelos propostos para a origem da vida (ou biopoese) tentam resolvê-los.

A presença de água em estado líquido é um fator fundamental da vida em nosso planeta, e, até onde podemos conceber, um requisito essencial para a vida em qualquer ponto do universo.

Níveis de organização dos organismos vivos

Materiais disponíveis (elementos biogênicos)

O primeiro requisito fundamental refere-se à disponibilidade dos elementos químicos essenciais à vida. De fato, o carbono, o hidrogênio, o oxigênio, o nitrogênio, o fósforo e o enxofre, denominados coletivamente "elementos biogênicos" (geradores de vida), estão entre os mais abundantes do universo. Pertencem igualmente ao grupo dos elementos mais leves da tabela periódica, e são ou formam facilmente compostos voláteis. Estão, por isso, sempre presentes em grande quantidade em planetas ou satélites grandes e frios o suficiente para possuírem atmosferas, e tendem a se acumularem em suas camadas superficiais.

Por outro lado, a natureza das reações bioquímicas conhecidas exige que as temperaturas reinantes permitam a existência de água em estado líquido. Estes limites são fundamentais aos conceitos de habitabilidade planetária e de zona habitável. Em 2015, amostras de rochas de 3,2 bilhões de anos - três quartos do caminho de volta para o nascimento do planeta - mostraram evidências químicas de que a vida estava usando nitrogênio do ar. A proporção de átomos de nitrogênio mais pesados e mais leves se encaixa no padrão de enzimas fixadoras de nitrogênio contidas em organismos unicelulares, e não foi encontrada em nenhuma reação química que ocorra na ausência de vida.[1] Os pesquisadores analisaram 52 amostras variando entre as idades de 2,75 a 3,2 bilhões de anos, recolhidos na África do Sul e noroeste da Austrália. Estas são algumas das rochas mais antigas e mais bem preservadas do planeta. As rochas foram formadas a partir de sedimentos depositados em margens continentais, por isso são livres de irregularidades químicas que ocorrem perto de um vulcão submarino. Elas também se formaram antes da atmosfera ter adquirido oxigénio, há aproximadamente 2,3-2,4 bilhões de anos atrás, e assim preservam pistas químicas que desapareceram em rochas modernas.[2] Até 2017, os fósseis mais antigos encontrados, a "evidência direta" de vida na Terra, mostram que a vida apareceu entre 3,8 a 4,3 bilhões de anos atrás.[3]

Distribuição dos elementos biogênicos no universo

A situação da Terra no sistema solar é fundamental para que ela abrigue as condições ideais para a vida.

Embora ainda não se tenha evidências a respeito da composição das atmosferas dos planetas extra-solares, é altamente improvável que os elementos biogênicos não constituam a maior parte da sua massa. A grande diferença que pode ser esperada entre as composições atmosféricas dos vários planetas é, tal como no sistema solar, a que é decorrente da capacidade de retenção dos vários gases em função da temperatura e da força gravitacional. Assim, os planetas grandes e frios tendem a reter uma grande quantidade de hidrogênio, resultando em atmosferas redutoras (CH4, NH3, H2, H2O).

Nos planetas (ou satélites) muito pequenos ou muito quentes, o envoltório gasoso é facilmente perdido. Apenas os planetas em que a temperatura moderada está aliada a um porte médio, há a possibilidade de formação de atmosferas oxidadas, devido à perda seletiva (ou escape) do hidrogênio. As atmosferas oxidadas podem ser neutras (N2, CO2, H2O) ou oxidantes (quando há um excesso de oxigênio: N2, CO2, O2, H2O).

As composições prováveis das atmosferas planetárias variam basicamente, portanto, no que diz respeito a seu grau de oxidação. A discussão a respeito do grau de oxidação da atmosfera primitiva da Terra é um dos tópicos fundamentais aos modelos de origem da vida.

Combinação (compostos orgânicos)

Nos organismos vivos, os elementos biogênicos constituem moléculas de grande variedade estrutural onde se distinguem três classes principais; os lipídeos formados pela combinação de compostos muito reduzidos e insolúveis em água; os glicídeos e os protídeos, ambos de grau de redução intermediário, e tipicamente solúveis em água na sua forma monomérica (ou seja, quando as moléculas que os constituem, os monossacarídeos e os aminoácidos, estão desagrupadas). Já em sua forma agrupada, os polímeros, podem apresentar as características físico-químicas mais variadas.

Agregação dos materiais orgânicos

As formas poliméricas dos glicídeos incluem tanto formações lineares quanto expansões laterais. Estes polímeros têm geralmente função estrutural (celulose) ou de acúmulo energético (amido, glicogênio). Já os polímeros derivados dos aminoácidos, os polipeptídeos, além de se prestarem a estas mesmas funções, têm papel essencial no funcionamento do metabolismo.

Os polipeptídeos fabricados pelos organismos vivos são denominados proteínas. As proteínas envolvidas em funções metabólicas são denominadas enzimas. São basicamente constituídas de cadeias lineares de aminoácidos que organizam-se espacialmente formando hélices ou novelos determinados pela constituição individual dos aminoácidos componentes da cadeia. A conformação espacial de cada proteína é responsável por suas características físico-químicas.

Orientação espacial (quiralidade)

Alanina R e L

Para que a conformação espacial das proteínas seja constante é indispensável que os aminoácidos que a constituem tenham uma orientação espacial determinada. Todos os aminoácidos, com exceção da glicina, podem existir em duas formas geometricamente opostas denominadas enantiômeros. Esta propriedade constitui a chamada 'quiralidade' (do grego chiros -'mão'), pois as duas formas diferem uma da outra em termos de orientação espacial da mesma forma que a mão esquerda difere da mão direita. Os aminoácidos e açúcares preparados por métodos artificiais sem o uso de agentes quirais são sempre misturas de partes iguais dos dois enantiômeros. Nos seres vivos, ao contrário, o maquinário metabólico é totalmente específico, sintetizando e utilizando aminoácidos e açúcares pertencentes a uma mesma forma estrutural.

Organização funcional

O surgimento da organização funcional dos organismos primitivos, ou seja, a forma como as moléculas se dispõem para constituir as primeiras entidades capazes de interagir com o meio ambiente é outro passo fundamental. O fato de que nos organismos atuais todas as funcionalidades presumem a existência de compartimentos individualizados, as células, demonstra que a conquista da celularidade foi certamente um fato decisivo na história primitiva dos sistemas vivos. As primeiras células emergiram da sopa primordial bilhões de anos atrás: os blocos de construção de proteínas poderiam ter estabilizado as membranas celulares contra sal e íons que estavam presentes nos oceanos antigos. Além disso, as membranas podem ter sido um local para essas moléculas precursoras co-localizarem, um mecanismo potencial para explicar o que juntou os ingredientes para a vida.[4]

Transmissão da informação

O outro requisito essencial da evolução primitiva da vida foi o desenvolvimento da possibilidade de transmitir a informação adquirida na interação com o meio ambiente, que requer a possibilidade de reprodução e também a possibilidade de criação e preservação da variabilidade entre os organismos. Estas características dependem das propriedades singulares dos ácidos nucleicos (RNA e DNA), moléculas que são capazes de conter informação e de se replicar, estando esta replicação sujeita a pequenos erros. O aumento da variabilidade traduz-se num grande número de modos de interação com o meio ambiente, dos quais os mais eficazes são preservados, por meio da seleção natural.

Evolução das ideias

Hipótese heterotrófica (ou clássica)

O marco inicial do questionamento científico moderno a respeito da origem da vida, pode ser posicionado nos experimentos de Louis Pasteur, demonstrando que a formação de organismos vivos a partir da matéria inanimada (geração espontânea), não poderia ser, ao contrário do que muitos supunham então, um fenômeno trivial.

Balão « pescoço de cisne » utilizado por Pasteur para demonstrar que a formação de organismos em preparados nutritivos era oriunda da contaminação por germes presentes no ar.

A partir daí, os cientistas voltaram-se para a ideia de que a indagação científica a respeito do surgimento da vida deveria ter como foco as condições muito especiais exigidas para este processo, que possivelmente teriam existido apenas nos primórdios da história do planeta Terra.

Uma das primeiras abordagens do problema foi o questionamento acerca das características dos primeiros seres vivos. Para sobreviver num ambiente primordial seria necessário que estes organismos primitivos fossem capazes de sintetizar seus próprios nutrientes (isto é, seriam autotróficos), ou dispusessem de uma fonte externa de compostos orgânicos (neste caso seriam heterotróficos). A maior complexidade dos organismos autotróficos, que devem ser capazes tanto de produzir quanto de consumir seu alimento, sugeriu aos cientistas das primeiras décadas do século XX que a Terra primitiva teria sido um ambiente rico em compostos orgânicos (Hipótese heterotrófica).

A descoberta da composição química das atmosferas dos planetas exteriores, contendo hidrogênio, metano e amônia, gases constituídos pelos mesmos elementos que os compostos orgânicos que integram os seres vivos, sugeriu a Oparin,[5] um dos primeiros pesquisadores a se dedicarem a esta questão, que também nosso planeta poderia ter tido uma atmosfera com composição semelhante. Não conteria, por conseguinte, oxigênio, que poderia causar a decomposição dos compostos orgânicos por oxidação.

Mais tarde Haldane[6] aperfeiçoou o modelo sugerindo que, sob ação de relâmpagos ou da radiação ultravioleta estes compostos seriam formados na atmosfera e carregados pelas chuvas aos oceanos, que passariam a ter as características de uma "sopa quente e rala" (hot thin soup).

Outra contribuição teórica importante foi a de John Desmond Bernal,[7] que levantou a questão da necessidade de concentração destes componentes e sugeriu como fatores importantes as superfícies de evaporação em lagoas costeiras e a capacidade de absorção de compostos minerais em contato com os oceanos primitivos. Elaborou também o conceito de biopoese, sistematizando em etapas progressivas o desenvolvimento da complexidade dos seres vivos. Estas formulações ganharam muita credibilidade depois que em 1953, Stanley Miller, trabalhando sob orientação de Harold C. Urey, logrou obter, num histórico experimento,[8] uma variedade de aminoácidos. A verdadeira importância deste experimento é, hoje, bastante contestada. Nem a composição atmosférica utilizada é atualmente considerada plausível sob um ponto-de-vista geoquímico, nem os resultados obtidos parecem próximos de elucidar os possíveis passos subsequentes da história da vida.[9]

Papel das argilas

Retomando as ideias de Bernal, Alexander Graham Cairns-Smith,[10] desenvolveu a hipótese de que os minerais argilosos teriam constituído não somente o suporte, mas também o próprio sistema genético da vida primitiva, posteriormente suplantado por compostos orgânicos (ácidos nucléicos). Em sua defesa levantou a capacidade de replicação de superfícies cristalinas, preservando defeitos e irregularidades, e também a complexidade química dos polímeros envolvidos nos processos reprodutivos atuais.

Modelos Hidrotermais

Fumarolas negras. Nas últimas três décadas, a atividade das fendas hidrotermais submarinas tem sido alvo de investigações no sentido de avaliar o seu possível papel no surgimento da vida.

A descoberta, em 1979, da Fossa das Galápagos (Corliss, Baross, Hoffman), um rico ecossistema alimentado por compostos provenientes da atividade hidrotermal e portanto, independente dos processos fotossintéticos, serviu de base à hipótese de uma origem quimiossintética autotrófica para a vida. Dentre as muitas variantes desta proposta, a mais detalhada é aquela que foi elaborada por Günter Wächtershäuser,[11] postulando uma fase primitiva do metabolismo em que os processos bioquímicos seriam estruturados de forma bidimensional, sobre as superfícies da pirita (FeS2), um mineral abundante nestes ambientes.

Modelos abstratos

Alguns enfoques acerca da origem da vida utilizam uma abordagem mais abstrata ou genérica. Ao invés de partir da natureza dos constituintes químicos dos sistemas vivos, guiam-se sobretudo por suas propriedades funcionais. Um dos modelos mais conhecidos nesta concepção é o dos hiperciclos, propostos por Manfred Eigen,[12][13] como protótipos dos ciclos metabólicos primitivos. Outras propostas que fogem às especificidades da postulação de uma bioquímica primitiva são a proposta do "Garbage Bag World" ("Mundo Saco de Lixo"), do físico Freeman Dyson[14] endossada por Robert Shapiro .[15] e o modelo de complexidade de Stuart Kauffman[16] A primeira propõe que vesículas contendo coleções de compostos químicos formadas ao acaso competissem em viabilidade até que uma delas apresentasse todas as características de um sistema vivo primitivo. Sugere ainda que o metabolismo e a reprodução tivessem surgido independentemente e que os organismos atuais descenderiam de uma célula onde tivesse ocorrido a simbiose dos dois processos. Kauffmann defende, com base em modelos puramente matemáticos, que coleções suficientemente complexas de compostos químicos podem vir a "cristalizar" ciclos metabólicos.

Modelos metabólicos (mundo dos tioésteres)

A ideia de que o funcionamento dos processos metabólicos atuais pode fornecer pistas importantes para a compreensão da bioquímica dos primeiros seres vivos é a base de uma visão "metabólica" da origem da vida, onde se destacam os estudos de Harold Morowitz e Christian de Duve.[17][18] Coube a De Duve a formulação de um modelo mais preciso, postulando a congruência entre o metabolismo primitivo e a bioquímica dos seres vivos atuais, onde a função central da Acetil-S-Coenzima A no metabolismo energético teria sido precedida por compostos derivados da esterificação de ácidos carboxílicos (RCOOH) com tióis (RSH), os tioésteres (RCOSR).

Mundo do RNA

A proposição do "mundo do RNA" feita por Walter Gilbert[19] em 1986, é baseada na descoberta do fato que estas moléculas são capazes tanto de armazenar informação (como o ADN na maior parte dos organismos vivos atuais), quanto de promover reações metabólicas (como atualmente as enzimas, de natureza proteica). Além das evidências experimentais, que apontam para um rico repertório de atividades catalíticas e para a capacidade de replicação e evolução deste material, há, nos organismos vivos, inúmeros indícios deste "mundo do RNA". Citam-se, entre outros, a natureza química dos co-fatores enzimáticos, estruturalmente relacionados com os monômeros do RNA e os processos de reprodução de vários tipos de vírus, tidos como remanescentes de formas primitivas de vida. A etapa mais recente da origem da vida, tratada pela hipótese do mundo do RNA, é considerada pela maioria dos cientistas a mais bem conhecida, e talvez a única em que se tenha claramente ultrapassado o domínio da especulação.

A hipótese de "Mundo do RNA" teve um grande impulso em 2009. Os químicos da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, relataram que tinham descoberto que compostos precursores relativamente simples chamados acetileno e formaldeído que poderiam sofrer uma seqüência de reações para produzir dois de RNA com quatro blocos de construção de nucleótidos, mostrando um percurso plausível para que o ARN possa ter se formado por si mesmo, sem a necessidade de enzimas na sopa primordial.[20] Os críticos, no entanto, ressaltaram que o acetileno e formaldeído ainda são, elas próprias, moléculas um tanto complexos. Isso suplicou a questão: de onde elas vieram.

No estudo de 2015, Dr. Sutherland e seus colegas decidiram trabalhar esses produtos químicos retroativamente para ver se eles poderiam encontrar uma rota para o RNA a partir de matérias-primas ainda mais simples. Na edição de março de 2015 da "Nature Chemistry",[21] a equipe de Sutherland relata que ele criou precursores de ácidos nucleicos começando com apenas cianeto de hidrogênio (HCN), sulfeto de hidrogênio (H2S) e ultravioleta (UV).[22] O que é mais, Sutherland diz, as condições que produzem precursores de ácidos nucleicos também criar as matérias-primas necessárias para fazer aminoácidos naturais e lipídios. Isso sugere que um único conjunto de reações poderia ter dado origem à maioria dos blocos de construção da vida simultaneamente ..

A equipe de Cambridge argumenta que os primórdios da Terra foi um ambiente favorável para essas reações. HCN é abundante em cometas, que choveram de forma constante durante as primeiras centenas de milhões de anos de história da Terra. Os impactos também teriam produzido energia suficiente para sintetizar HCN a partir de hidrogénio, carbono e azoto. Da mesma forma, a equipe diz, H2S foi pensado para ter sido comum nos primórdios da Terra, como era a radiação UV que poderiam conduzir as reações e minerais contendo metais que poderiam tê-los catalisadas.[23]

Visões alternativas

Panspermia

O cometa Hale Bopp. Os cometas poderiam ter contribuído no aporte de compostos orgânicos à Terra primitiva.

A panspermia é a hipótese de que os seres vivos não se originaram em nosso planeta, mas sim em outro ponto do universo, tendo sido transportados pelo espaço cósmico, possivelmente sob forma de esporos. Seus defensores argumentam que o lapso de tempo necessário à evolução da vida seria maior que os 4,5 bilhões de anos desde a formação da Terra, mas não oferecem nenhuma ideia de onde ou como a vida teria realmente surgido. Observe-se, porém, que a possibilidade de compostos orgânicos simples formados em cometas ou em outros pontos do espaço é aceita por muitos defensores do modelo clássico para a origem da vida. Em 2016, cientistas anunciaram que a nave espacial Rosetta fez várias detecções do aminoácido glicina, usados pelos organismos vivos para produzir proteínas, na nuvem de gás e poeira circundando o cometa 67P. Detectando diretamente compostos orgânicos essenciais em um cometa, reforça a noção de que esses objetos celestes entregaram tais blocos de construção química para a vida há muito tempo atrás para a Terra e todo o sistema solar.[24]

Ecopoese

O modelo da Ecopoese[25] postula que os ciclos geoquímicos dos elementos biogênicos, dirigidos por uma atmosfera primordial rica em oxigênio, foram a base de um metabolismo planetário, que precedeu e condicionou a evolução gradual da vida organismal. Esta visão contraria a ideia tradicional de que a ação dos organismos é a grande responsável pelas características principais do ambiente terrestre. É também consistente com as crescentes evidências de uma atmosfera oxidante.[26] desde o início da formação de nosso planeta e com a antiguidade do metabolismo aeróbico, comparado à fotossíntese oxigênica.[27]

Referências

  1. ↑ Eva E. Stüeken, Roger Buick, Bradley M. Guy, Matthew C. Koehler. Isotopic evidence for biological nitrogen fixation by molybdenum-nitrogenase from 3.2 Gyr. Nature, 2015; DOI: 10.1038/nature14180
  2. ↑ Ancient rocks show life could have flourished on Earth 3.2 billion years ago pela "University of Washington" publicado na "ScienceDaily" em 16 de fevereiro de 2015
  3. ↑ Oldest fossils point to life on Earth 4 billion years ago publicado pela AFP (2017)
  4. ↑ «First cells may have emerged because building blocks of proteins stabilized membranes». ScienceDaily (em inglês). Consultado em 13 de agosto de 2019 
  5. ↑ Oparin, A.I. (1938). Origin of life. 1953 edition. Dover Publications Inc, Nova York.
  6. ↑ Haldane, J.B.S. (1928). The origin of life. Rationalist Annual, Londres.
  7. ↑ Bernal, J.D., (1951). "The Physical Basis of Life". Routledge and Kegan Paul, Londres.
  8. ↑ Miller, S.L., (1953). Production of amino acids under possible primitive Earth conditions. Science, 117, 528-529.
  9. ↑ Zahnle, K.; Schaefer, L.; Fegley, B. (2010). «Earth's Earliest Atmospheres». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2 (10): a004895. PMC 2944365Acessível livremente. PMID 20573713. doi:10.1101/cshperspect.a004895 
  10. ↑ Cairns Smith, A.G. (1986). "Sete pistas para a origem da vida. Uma história científica contada à maneira de um romance policial", Editorial Presença, Lisboa, 1986 (tradução de J. J. Sousa Ramos e A. Telma dos Reis e Sousa do original inglês, "Seven clues to the origin of life", Cambridge University Press, 1985).
  11. ↑ Wächtershäuser, G., (1994). Life in a ligand sphere. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 91, 4283-4287.
  12. ↑ Eigen, M., Schuster, P. (1979). The Hypercycle: A principle of natural self-organization, Springer Verlag.
  13. ↑ Eigen, M. (1971). Molekulare Selbstorganisation und Evolution. Naturwissenschaften 58 (10), 465-523.
  14. ↑ Dyson, F. (1986). "Origins of life", Cambridge University Press.
  15. ↑ Shapiro, R. (2007). Uma origem mais simples da vida. Scientific American (Brasil) 6 (62), 36-43.
  16. ↑ Kauffman, S. (1995). At Home in the Universe: the search for laws of complexity. Viking.
  17. ↑ De Duve, C. (1990). "Construire une cellule : essai sur la nature et l'origine de la vie", InterEditions, Bruxelas.
  18. ↑ De Duve, C. (1997). "Poeira Vital", Editora Campus, Rio de Janeiro.
  19. ↑ Gilbert, W. (1986). The RNA world. Nature, 319, 618.
  20. ↑ Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions por Matthew W. Powner et al em 14 de maio de 2009 na Revist "Nature" (Vol 459|doi:10.1038/nature08013|239|Macmillan Publishers Limited
  21. ↑ DOI: 10.1038/NCHEM.2202 NATURE CHEMISTRY | ADVANCE ONLINE PUBLICATION | www.nature.com/naturechemistry 1 Macmillan Publishers Limited.
  22. ↑ Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism por Bhavesh H. Patel, et al e John D. Sutherland publicado em 16-mar-2015
  23. ↑ [Researchers may have solved origin-of-life conundrum] por Robert F. Service em 16-Mar-2015 na "American Association for the Advancement of Science"
  24. ↑ Rosetta spacecraft finds key building blocks for life in a comet by IRENE KLOTZ, publicado pela "Reuters" (2016)
  25. ↑ [1]
  26. ↑ Yamaguchi, K.E. (2005) Evolution of the atmospheric oxygen in the early Precambrian: An updated review of geological 'evidence'. In Frontier Research on Earth Evolution (ed. Y. Fukao), 2, 04-23. (http://www.jamstec.go.jp/ifree/j/about/result/report_for_2003-2004/honbun/04_23.pdf Arquivado em 26 de janeiro de 2013, no Wayback Machine.)
  27. ↑ Castresana, J., Saraste, M. (1995). Evolution of energetic metabolism: the respiration-early hypothesis. Trends Biochem. Sci. 20:443–48. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8578586)
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