YouTube

Artigos Recentes

A Origem da Vida: Mais um grande avanço conquistado!



            Os passos anteriores ao surgimento da vida no nosso planeta ainda representam um grande desafio investigativo para a Ciência. Hoje sabemos como a vida se diversificou, através da Evolução Biológica (A Evolução Biológica é um FATO), mas os alicerces que permitiram que a vida se originasse de um meio não-vivo ainda tira o sono de muitos cientistas ao redor do mundo. Como moléculas aleatórias conseguiram se organizar em complexos organismos vivos? O que promoveu a formação de largas cadeias orgânicas que permitiram a estruturação das primeiras células há mais de 4 bilhões de anos?

         Já existem muitos trabalhos científicos sobre o assunto, especialmente oriundos da NASA (única agência nos EUA financiando essa linha de pesquisa), sendo que já possuímos diversas pistas importantes para começarmos a entender a origem da vida na Terra. E, nos últimos dias, mais dois estudos de grande importância foram publicados nos periódicos Proceedings of the National Academy of Sciences (Ref.1) Royal Society Open Science (Ref.19), onde foram reportados excelentes modelos de como cruciais compostos pré-bióticos podem ter surgido na superfície terrestre e dado suporte para o surgimento dos primeiros sistemas vivos!


 
- Continua após o anúncio -


 
   HISTÓRIA

           Em 1827, o professor Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) chegou à conclusão de que "arte não pode combinar os elementos da matéria inorgânica de forma a produzir matéria relacionada à vida". O termo ´inorgânico´ serve para fazer menção aos compostos não orgânicos, ou seja, compostos não baseados em carbono, estes os quais geralmente são produzidos por seres vivos (todo organismo vivo conhecido é baseado em carbono). Em outras palavras, Berzelius não concebia que compostos relacionados com a vida poderiam ser produzidos a partir de matéria-prima não viva. Compostos como proteínas, gordura, carboidratos, etc., supostamente só poderiam vir de um ser vivo, já que esse último teria uma química diferenciada do ambiente inanimado à sua volta. E esse era um pensamente consensual até essa época, sendo impossível conceber que a vida poderia se originar de algo não vivo.


          Porém, um ano depois, seu ex-estudante, Friedich Wöhler, mostrou que a ureia podia ser formada em grande quantidade ao aquecer cianato de amônio, sem a necessidade de um rim animal! Marcou-se pela primeira vez a síntese de um composto orgânico a partir de compostos inorgânicos. Essa descoberta foi fantástica para a época, promovendo um grande avanço no desenvolvimento da Química Orgânica, pavimentando a estrada ao encontro da Bioquímica, e foi um passo muito bem-vindo para desmanchar a suposição falha de que organismos vivos eram completamente diferentes da matéria não viva. E isso foi apenas o início.


          Em 1850, Adolph Strecker conseguiu sintetizar em laboratório a alanina (um aminoácido), de uma mistura de acetaldeído, amônia e cianeto de hidrogênio. Em seguida, Alexander M. Butlerov mostrou que tratando o formaldeído com fortes catalisadores alcalinos, como o hidróxido de cálcio, era possível a síntese de açúcares. Em 1877, Mendeleyeev reportou a síntese de hidrocarbonetos a partir de carbetos metálicos e água aquecidos. Nisso, já para o fim do século XIX, inúmeras sínteses orgânicas já tinham sido alcançadas com sucesso e a tendência continuou crescendo exponencialmente durante o século XX, notavelmente com Walther Löb, Oskar Baudish, e outros, cujo sucesso foi a obtenção de aminoácidos a partir da exposição de formamida molhada (CHO-NH2) a uma descarga elétrica e luz ultravioleta. A base da assim chamada Química Pré-Biótica estava ficando cada vez mais firme.


    GERAÇÃO ESPONTÂNEA

          Aqui, na segunda metade do século XIX, entramos em uma grande conquista para o mundo científico, mas também, curiosamente, um pesado ataque inicial à Evolução Biológica e à possibilidade da geração do primeiro organismo vivo a partir de uma "sopa primordial" sustentada pela química orgânica.

          Era um período de fervorosas disputas políticas, e enquanto a Igreja Católica era uma poderosa aliada de Napoleão III, na França a publicação traduzida da Origem das Espécies, em 1862, fomentou enormemente os debates seculares e radicais sobre a origem da vida e a validade da crença religiosa frente à Teoria da Evolução, ambas questões polêmicas e de grande influência política. Uma notória Republicana e ateísta francesa, por exemplo, Madame Clémence Royer, inflamou ainda mais seu discurso contra a Igreja a partir dos trabalhos de Darwin. Mas, para sustentar a base evolucionária de Darwin, algo ainda era considerado: a geração espontânea.

           Ora, nessa época, para supostamente tornar cabível a Teoria da Evolução, seria necessário a existência de um ser primordial que teria que vir de algum lugar. O grande desenvolvimento da Química Orgânica dava pilares de sustentação para a geração espontânea, sendo essa última, por outro lado, sustentada por um erro científico na época: que certas espécies surgiam do nada a partir da matéria inanimada. Nesse caso, caso você tivesse uma "receita nutritiva" (novamente, a ideia de uma sopa primordial), era supostamente possível ver brotar inúmeros microrganismos (´germes´) do meio, ou seja, vida surgindo a partir apenas de nutrientes, e não a partir de vida preexistente. O famoso cientista francês Louis Pasteur (1822-1895), então, em 1964, entrou em cena para desbancar a falácia da geração espontânea.

           Pasteur, através de frascos com longos pescoços de vidro, demonstrou que, ao impedir que as partículas contaminadas ou germes isolados do ar do ambiente entrasse dentro do frasco contendo um líquido nutritivo - após o mesmo ser esterilizado com aquecimento -, nenhum microrganismo se desenvolvia ali. Repetindo o experimento, mas com o líquido previamente esterilizado sendo permitido de entrar em contato direto com o ar ambiente (quebrando-se o pescoço), microrganismos eram observados em abundante crescimento. Além disso, como os pescoços de vidro barravam os contaminantes do ar de atingirem a solução, ficando acumulados nas paredes dos mesmos, caso o frasco fosse tombado, permitindo que o líquido entrasse em contato com as paredes contaminadas, microrganismos passavam a crescer no mesmo. Ou seja, o ar carregava ´germes´, os quais eram responsáveis por contaminar tudo no ambiente, sendo a causa da suposta ´geração espontânea´. Além de dar os alicerces para a Teoria dos Germes da Doença (como uma doença se disseminava a partir do ar e outros meios através de bactérias, vírus, etc.), esse experimento - reforçado por outros do mesmo tipo também realizados por Pasteur - quebraram um importante suporte na época para a Evolução Biológica e plausibilidade do surgimento de um primeiro ser vivo a partir do ambiente abiótico (pelo menos por métodos naturais). É notável parte de um dos discursos de Pasteur sobre o fato:






          Bem, deixando de lado esse ataque à Teoria da Evolução Biológica, os experimentos de Pasteur deixaram a ideia de uma origem primordial da vida a partir de matéria não viva extremamente enfraquecida. Alguns defensores da Evolução Biológica - reforçando, nessa época explicar a origem da vida ainda era visto como necessário para suportar a Evolução Biológica -, como Lord Kelvin e Hermann von Helmholtz, já no final do século XIX, começaram a trazer a possibilidade de que a vida não tinha se originado na Terra e, sim, traga para cá através de cometas e asteroides. Porém, isso continuava não explicando como microrganismos supostamente tragos para o nosso planeta (´cosmozoas´) teriam surgido em outro planeta ou corpo espacial habitável.



      VIDA AUTOTRÓFICA

            No início do século XX, em um momento no qual a Teoria da Evolução Biológica estava sendo sufocada, o foco novamente voltou-se para a explicação de como a vida teria se originado. A ideia sendo proposta há um bom tempo, e ainda mantida como básica, era a de que o primeiro organismo vivo era autotrófico, sendo que, nesse caso, seria desnecessário a existência de outras formas de vida para alimentá-lo, já que estaria produzindo seu próprio alimento a partir da fotossíntese (quimiossíntese não era ainda proposto). Nesse sentido, temos o mexicano A.L. Herrera, o qual estava convencido de que vida poderia ser criada no laboratório, propondo uma hipótese autotrófica conhecida como plasmogênese. Trabalhando por 50 anos nisso, Herrera desenvolveu vários experimentos para imitar a forma, tamanho e movimento de estruturas similares a células, onde poderia ter surgido o primeiro protoplasma fotossintético. Entre suas reações, ele conseguiu, através de algumas envolvendo formaldeído e derivados de cianeto de hidrogênio (como o NH4SCN), produzir açúcares e polímeros altamente coloridos, estes os quais ele acabou confundindo com pigmentos fotossintéticos.

            Com avanços cada vez maiores na bioquímica, as proteínas começaram a entrar em cena, e alguns cientistas começaram a propor que a vida primordial foi iniciada com o surgimento de enzimas específicas e submicroscópicos agregados coloidais ou miscelas. Em 1917, Feliz D´Herelle descobriu uma substância alto replicadora que atacava e dissolvia bacilos, dando esperança de que essas partículas submicroscópicas poderiam ser uma fonte primordial de vida. Porém, mais tarde, isso foi identificado como sendo vírus bacteriófagos (ou seja, vírus que atacam bactérias). Enquanto isso, paralelamente, entre 1914 e 1917, o médico norte-americano, Leonard Troland, sugeriu que a primeira entidade viva seria nada mais do que uma molécula similar a uma enzima e com propriedade de auto-replicação, algo que ele mais tarde reformou para uma ´enzima genética´, eventualmente identificada com nucleoproteínas presentes no núcleo celular.

           Poucos anos mais tarde, surge Hermann J. Muller, um geneticista norte-americano que teve importante papel no entendimento da hereditariedade mendeliana. Muller propôs que o primeiro material vivo foi formado de forma abrupta e consistia em pouco mais que um gene mutável, ou um conjunto de genes, associado com propriedades catalíticas e auto-replicativas, e que também seria autotrófico. Aqui, o cientista norte-americano entrou também com o conceito de mutações transmitidas geneticamente e que seria a base para o mecanismo da Evolução Biológica e desenvolvimento do primeiro ser vivo.


      OPARIN E A SOPA PRIMORDIAL

          Entra em cena, finalmente, Alexander Ivanovich Oparin e o protagonismo da vida heterotrófica, através da publicação do livro A Origem da Vida, em 1923. Oparin, apesar de aceitar a ideia de um protoplasma primordial, acreditava que a vida foi precedida por um longo período de sínteses abióticas e acumulação de compostos orgânicas, ou seja, para que a vida surgisse era necessário uma "sopa primitiva".

        Seguindo os ensinos do principal defensor do Darwinismo na Rússia - Kliment A. Tymiriazev (um renomado fisiologista de plantas e agrônomo) -, Oparin se tornou um convencido evolucionista, e, quando graduou-se, não somente possuía familiaridade com quase toda a literatura sobre Evolução Biológica até então disponível na Rússia e grande conhecimento em bioquímica, história natural e fisiologia vegetal, como também era íntimo do método de análise comparativa Darwiniano e da interpretação histórica de características dos organismos vivos.


           Na concepção de Oparin, havia um grave erro no pensamento até então vigente de que o primeiro ser vivo foi autotrófico. Pelo seu alto conhecimento em bioquímica e entendimento da Evolução Biológica, ter um complexo ser autotrófico, com um sofisticado sistema de fotossíntese - incluindo a presença de enzimas, clorofila e a habilidade de sintetizar compostos orgânicos a partir de água e dióxido de carbono - representando o primeiro ser vivo era incoerente. Segundo a teoria de Darwin, era necessário etapas graduais e de lenta evolução do simples para o complexo. Nesse sentido, um ser heterótrofo anaeróbico seria o candidato ideal, por ser o mais simples possível, em termos metabólicos (no caso, uso de reações fermentativas). E dois fatos serviam de evidência base para sua hipótese:

1. Desde meados do século XIX já se sabia que meteoritos, e talvez cometas, possuíam material orgânico, os quais podem ter entregado tais compostos para a superfície terrestre (no constante bombeamento que o planeta sofria há bilhões de anos) e ajudado na formação da sopa primordial;

2. Os próprios experimentos já descritos anteriormente mostrando ser possível a criação de inúmeros compostos orgânicos a partir de compostos inorgânicos e não relacionados diretamente com organismos vivos.

           De início, ao contrário do que muita gente pensa, Oparin não considerava uma atmosfera terrestre primitiva isenta de oxigênio. Nos seus trabalhos preliminares, publicado no seu livro Origem da Vida, de 1924, ele conjecturou a possibilidade de que carbonetos metálicos provindos do interior do nosso jovem planeta reagiria com vapor d´água levando à síntese de hidrocarbonetos, enquanto outros seriam oxidados para a formação de aldeídos, álcoois e cetonas. Essas moléculas, então, teriam reagido entre si e com amônia (oriunda da hidrólise de compostos metálicos de nitrogênio), para a formação de complexos compostos, dos quais proteínas e carboidratos seriam formados. Esses últimos rapidamente formariam gotículas de materiais similares a géis e ancestrais das primeiras células. Outros cientistas na época também desenvolveram trabalhos parecidos, mas não tão refinados quanto o de Oparin. Um destaque foi John B.S. Haldane, o qual, apesar de considerar uma origem heterotrófica, concebia a atmosfera desprovida de gás oxigênio, e que uma alta concentração de dióxido de carbono na mesma teria levado à síntese de compostos orgânicos e à formação da sopa primordial (Haldane também supunha que os primeiros organismos que surgiram eram os vírus, os quais teriam evoluíram para formar as primeiras células).

            Mais tarde, Oparin, com base em trabalhos astronômicos e a ideia propagada por outros cientistas de que a Terra primitiva virtualmente não continha gás oxigênio porque este era produto da fotossíntese de seres já existentes, propôs que a atmosfera era redutora, possuindo uma mistura de metano (CH4), amônia e água com ou sem gás hidrogênio (H2). A reação entre eles dariam origem a complexos compostos orgânicos e eventualmente blocos de construção para a vida.  Ele também reforçou a ideia de gotas de coacervados englobando esses compostos, em uma estrutura primitiva de célula. Coacervados são gotículas orgânicas coloidais microscópicas carregadas que podem concentrar materiais orgânicos existentes no meio. Como essas estruturas são formadas espontaneamente quando duas soluções de macromoléculas com cargas opostas são misturadas, é perfeitamente possível que as mesmas estivessem presentes no meio da sopa primordial. Porém, décadas mais tarde, mostrou-se que os coacervados não seriam estruturas primordiais viáveis, já que não possuíam uma bicamada lipídica, esta a qual está presente em todas as células que retém matéria orgânica em altas concentrações dentro de limites auto-reparáveis. Sobre isso, Oparin chegou a declarar:
         


           Duas das mais importantes contribuições de Oparin foi sua insistente defesa de que a vida não foi o resultado de um único evento e, sim, de um processo evolucionário, e a promoção de um grande avanço metodológico que transformou o estudo da origem da vida de um problema puramente especulativo para um programa de pesquisa multidisciplinar.


       O NASCIMENTO DA QUÍMICA PRÉ-BIÓTICA

             Por causa da Segunda Guerra Mundial, seguiram-se cerca de 10 anos após os últimos trabalhos de Oparin com pouquíssimo avanço na área de pesquisa da origem da vida. Nesse período, um cientista, Melvin Calvin, interessado no ramo da evolução biológica, resolveu realizar alguns experimentos para tentar formar compostos orgânicos de importância simulando algum tipo de superfície terrestre primitiva, a partir principalmente de água e gás carbônico como base. Usando altas fontes de energia radiativa no Lawrence Berkeley Laboratory, Calvin conseguiu criar apenas ácido fórmico. Curiosamente, passou um bom tempo sem ninguém testar as inovadoras ideias de Oparin.

           Porém, a situação mudou com a chegada de Harold C. Urey e de Stanley L. Miller. Urey tinha já começado a trabalhar com cosmoquímica na University of Chicago e a partir da década de 50, começou a apoiar a mesma ideia de Oparin, defendendo uma Terra primitiva possuindo uma atmosfera redutora (ou seja, composta por moléculas não oxidadas), onde metano e amônia estariam preenchendo o ar atmosférico e não dióxido de carbono e gás nitrogênio. Em seu livro publicado no ano de 1952 - The Planets: Their origin and development -, Urey escreve:
       

          Nessa mesma época, Miller tinha acabado de se graduar na Universisty of California, e começou a acompanhar os trabalhos de Urey. Ele também se convenceu de uma atmosfera redutora e ficou surpreso que ninguém ainda tinha testado tal possibilidade no laboratório. Nisso, Miller aproximou-se mais tarde de Urey, propondo um experimento de síntese pré-biótica usando uma mistura redutora de gases. Apoiando a ideia após uma resistência inicial, Urey ajudou Miller a dar vida ao seu projeto instrumental baseado em três aparatos simulando um sistema primitivo oceano-atmosfera. Dentro do aparato contendo água (´oceano´) foi adicionado uma mistura de gases metano, amônia e hidrogênio, com o sistema sendo aquecido até a ebulição durante o experimento. Para ativar as reações, Miller usou uma faísca elétrica, a qual foi considerada ser uma significativa fonte de energia há bilhões de anos na forma de raios de relâmpago e descargas de corona. Essa descarga de faísca, produzida entre eletrodos de tungstênio, foi gerada por uma bobina de Tesla de alta frequência com tensão de 60000 V. No geral, o tempo de reação ficava em torno de uma semana, sempre sob uma pressão máxima de 1,5 bars.



            Com esse experimento relativamente simples, Miller foi capaz de transformar quase 50% da quantidade de carbono inicial (oriundos do metano) em compostos orgânicos, incluindo misturas racêmicas de vários aminoácidos proteicos, ácidos hidróxidos, ureia e outras moléculas orgânicas! Apesar da maior parte dos materiais orgânicos sintetizados serem sólidos insolúveis, Miller foi capaz de isolar aminoácidos e outros compostos orgânicos simples da mistura reacionária. E, obviamente, os aminoácidos foram a grande e alegre surpresa! Ora, os aminoácidos são a base da vida, sendo os blocos de construção das proteínas. No experimento, glicina, o mais simples dos aminoácidos, foi produzida com um rendimento de 2% (referente à quantidade original de carbono no gás metano) e alanina, o mais simples aminoácido com um centro quiral, foi produzida com um rendimento de 1% (nesse caso, em uma mistura racêmica, ou seja, quantidades iguais de isômeros D e L). E, além de Miller tomar cuidado em esterilizar bem o sistema experimental, essa mistura racêmica de alanina foi evidência suficiente para mostrar que os aminoácidos foram originados do sistema reacionário proposto e não de contaminações biológicas externas, já que os organismos vivos assimilam e sintetizam somente o isômero L.

    GUERRA FRIA

             Após a publicação dos resultados obtidos por Miller, em 1953, surpreendentemente foi iniciada uma guerra intelectual entre o norte-americano Hermann J. Muller e o cientista russo Oparin, em um paralelo perfeito com a Guerra Fria.

            No mesmo ano de publicação dos trabalhos de Miller, o mais do que clássico e importante artigo de Watson e Crick foi também lançado, revelando o modelo de dupla hélice de DNA proposto pelos dois cientistas. Com os avanços cada vez maiores no campo da genética e da bioquímica, Muller surgiu como um torpedo nas discussões sobre origem da vida, usando as sínteses pré-bióticas bem sucedidas e a genética molecular para afirmar que o que emergiu nos oceanos primitivos foi, em fato, um molécula primordial de DNA. Em suas palavras:


           Para Muller, a vida, deixando de lado suas superestruturas, baseia-se na combinação de três características: auto-catálise, heterocatálise e mutabilidade. E a sua concepção reducionista logo entrou em choque com as ideias de Oparin e outros cientistas, em um árduo debate envolvendo ciência, filosofia e política, em algo temperado com a atmosfera da Guerra Fria. Para Muller, a vida poderia ser tão bem definida que o exato ponto no qual ela foi iniciada poderia ser estabelecido com o aparecimento repentino da primeira molécula de DNA. Oparin, por outro lado, se recusou a admitir que a vida poderia surgir de uma só vez através de geração espontânea, argumentando que esse processo foi lento e em um desenvolvimento evolucionário passo-a-passo.

           Essa recusa do Oparin em assumir que os ácidos nucleicos tinham um papel crucial para a origem da vida resultou não só da sua resistência em aceitar que a vida poderia ser reduzida a um simples composto - como uma molécula "viva" de DNA -, mas também do seu complexo relacionamento com Lysenko e sua longa associação com estabeleciemnto Soviético. Mais tarde, Oparin começou a aceitar os ácidos nucleicos como base para a origem da vida.


    ERA ESPACIAL

           Com a Era Espacial, catapultada a partir do lançamento do Sputnik em 1957, as pesquisas sobre origem da vida ganharam cada vez mais investimentos e atenção, especialmente da NASA. Porém, quanto mais se avançava nas pesquisas nessa linha, mais dificuldades eram encontradas, especialmente nas simulações teóricas de uma Terra primitiva, onde diversos outros fatores, como pH dos oceanos, temperatura, entre outros, impunham limitações nos modelos propostos. Além disso, tínhamos três empecilhos cada vez mais claros:

1. Registro Fóssil: É impossível determinar a cronologia da origem e primordial evolução da vida devido à óbvia falta de fósseis desse período. Além disso, processos geológicos e biológicos por mais de 4 bilhões de anos já há muito tempo erradicaram quaisquer traços de como era a química do nosso jovem planeta.

2. Atmosfera Redutora: Já na década de 1960, a maior parte dos cientistas planetários preferiam a ideia de uma atmosfera primitiva rica em dióxido de carbono, o que enfraquece a ideia de uma síntese orgânica descrita por Miller, apesar de outras rotas já terem sido propostas e descobertas, como os asteroides e meteoroides.

3. Ácidos nucleicos: Por um longo período, a ideia de ácidos nucleicos sendo responsáveis pela síntese de proteínas era visto com implausibilidade. Em outras palavras, ter um RNA como mecanismo base de síntese proteica para toda a vida no planeta não era algo levado como real. Nesse ponto, o filósofo Karl Popper, em 1974, afirmou que a emergência da vida é "uma impenetrável barreiras para a ciência e um resíduo de todas as tentativas de reduzir biologia em física e química".

            Cientistas na época, como Carl Woese e Francis Crick, já apontavam a ideia de que as primeiras entidades vivas eram baseadas em RNA tanto como material genético quanto como catalisador. Porém, a relação entre problemas evolucionários e biologia molecular ainda estavam em lento desenvolvimento, e essas ideias sofriam resistência. Isso veio mudar quando começou a se mostrar que os genes e proteínas são um rico documento histórico abarrotados de informações evolucionárias. Um grande avanço nesse sentido veio com o uso de pequenas subunidades de RNA ribossomal como um marcador filogenético, algo que levou Carl Woese e seus associados a alcançarem a construção de uma árvore trifurcada e sem raiz onde todos os organismos vivos poderiam ser agrupados em uma das três principais linhagens celulares (eubacteria, archaeabacteria e nucleocitoplasma eucariótico), todas com um ancestral comum.


   MUNDO DE RNA E PESQUISAS ATUAIS

             A disputa ainda continua acirrada entre os modelos genéticos e metabólicos. No primeiro, como já explicado, temos um mundo onde os primeiros sólidos pilares para a vida surgiram quando moléculas oligoméricas de capacidade auto-catalítica e de auto-replicação (basicamente, quando o RNA surgiu). Já na proposta de que um sistema metabólico primeiro surgiu ainda continua sendo defendida, apesar das suas grandes limitações. Existem opiniões científicas de que ambos podem ter se desenvolvido juntos. No caso da atmosfera primitiva não ser tão redutora como se pensava, pesquisas nas últimas décadas já mostram que é possível a criação de compostos orgânicos diversos, incluindo aminoácidos, mesmo nessas condições, incluindo no ambiente em torno de fontes hidrotermais nos oceanos - especialmente as fontes hidrotermais alcalinas. Além disso, e talvez com maior importância, os asteroides e meteoroides atingindo o nosso planeta em abundância ao longo das eras geológicas provavelmente entregaram enormes quantidades de compostos orgânicos à nossa superfície, criando um ambiente ideal para o cenário pré-biótico. Aliás, essas fontes podem ter atuado em conjunto.


           Hoje, a expressão da informação hereditária requer extraordinária complexidade em seu maquinário e procede do DNA para proteínas através de um RNA intermediário, e todo esse processo também auxiliado por proteínas pré-existentes. Para conceber como esse sistema foi concebido, podemos pensar em um mundo primitivo de RNA antes das células modernas surgirem. De acordo com essa hipótese, já explorada anteriormente com Muller, RNA armazenava informação genética e catalizava reações químicas em células primitivas ou de forma isolada, incluindo a síntese de proteínas. Somente depois de um bom tempo de evolução é que o DNA tomou controle do material genético, se tornando o principal catalizador e componente estrutural da células. Nessa suposição , a transição para fora do mundo RNA nunca foi completa. E isso é apoiado por reais evidências, já que o RNA ainda cataliza várias reações fundamentais nas atuais células, as quais podem ser vistas como fósseis moleculares do mundo pré-DNA. Isso sem contar que potenciais rotas sintéticas para a produção de ribonucleotídeos foram demonstradas em estudos recentes simulando uma química pré-biótica, tornando ainda mais plausível o surgimento precoce do RNA. Por isso o modelo genético auto-catalítico como base primordial é o mais aceito.


            Para o modelo metabólico fazer sentido, é preciso que seja confirmado que rotas metabólicas - ou protometabólicas - sejam capazes de se replicar e evoluir. E não existem indicações disso com base em nenhuma evidência empírica. De fato, existem vários exemplos de sistemas físicos que se auto-organizam para a formação de estruturas altamente ordenadas, e não são únicas apenas na biologia. Complexos padrões de fluxos de vários diferentes fluídos, fenômenos químicos cíclicos (como a reação Belousov-Zhabotinsky) e, bem significativo, na auto-reunião de moléculas anfifílicas similares a lipídios em bicamadas, micelas e lipossomos. Porém, apenas isso não é suficiente para explicar um caminho em direção a um sistema metabólico cíclico anterior ao genético.

              Mas apesar do mais aceito modelo de protagonismo do RNA, descoberta de riboenzimas, e a não necessidade de vesículas para o funcionamento desse ácido nucleico, ainda existe um hiato não solucionado entre a sopa primordial e a síntese do primeiro RNA. Se tínhamos uma imensa quantidade desses ácidos nucleicos flutuando nos oceanos, como chegou-se a esse ponto a partir de um meio altamente nutritivo? Outra molécula parecida com o RNA, porém mais simples, precedeu esse ácido nucleico como um agente auto-catalítico e auto-replicante? Será que como hipotetizado pelo cientista Freeman Dyson, primeiro existiu um mundo dominado por proteínas para depois dar origem, como subproduto, a um mundo de RNA? Nesse ponto é preciso lembrar também que diversos fatores são muitas vezes ignorados ou não muito bem compreendidos na modelagem de uma superfície terrestre primitiva. Atividades vulcânicas, minerais catalíticos (como a pirita), radiações eletromagnéticas diversas, interação gravitacional da Lua, longos períodos em escala geológica e as tão famosas fontes hidrotermais são alguns dos vários exemplos. Se realmente levássemos fielmente tudo isso em conta e tivéssemos poder suficiente de processamento de dados ou de construção de simulações super complexas, talvez teríamos uma boa resposta.

           Outro fator, por exemplo, que precisa ser levado em conta é a Segunda Lei da Termodinâmica. Apesar da mesma não ser minimamente necessária para a Evolução Biológica ocorrer - sendo isso até um argumento falacioso usado por alguns criacionistas -, a Evolução Química em um mundo pré-biótico pode ser mais complicada, já que um sistema tende sempre a ter máxima entropia, ou seja, o menos agregado e complexo possível com o passar do tempo. Assim, modelos supra-macromoleculares que pressupõem compartimentos iniciais para a vida são os preferidos, já que facilitam o acúmulo químico, este o qual seria um fator chave para a transição de abiótico para biótico em direção a um estado vivo. Sem confinamento e superpopulação, modelos evolucionários metabólicos ou genéticos como base da origem da vida acabam ficando impossíveis devido à difusão em direção à desordem estabelecida pela Segunda Lei da Termodinâmica (apesar desta já ter se mostrada aparentemente falha em certos experimentos quânticos).



           Em geral, podemos resumir as suposições e bases de debate hoje para a origem da vida em quatro premissas:

1. Evolução Química e Darwiniana (Biológica) são distintas, mas se tornam um contínuo com o surgimento da hereditariedade;

2. A Evolução Química na Terra é dirigida por ciclos energéticos de desequilíbrio (diurnos) e pela energia de fontes hidrotermais;

3. No geral, a complexidade química da Terra no período de surgimento da vida era alta para permitir diferentes e complexos passos químicos para a evolução de estados vivos;

4. Agrupamento macromolecular em um meio eletrolítico aquoso (no caso, águas marinhas) sob condições de confinamento para permitir a evolução de reconhecimento molecular auto-organização celular.

5. A Evolução Química pré-biótica e a Evolução Biológica podem estar interligadas em termos Estabilidade Cinética Dinâmica (ECD).

          Para ajudar a resolver esse puzzle, hoje cientistas nessa área trabalham com ferramentas laboratoriais e computacionais. Esse último sofre críticas, já que a simulação ali são de programas que tentam imitar processos similares a uma origem da vida, e não com um sistema que se aproxima ao máximo do real (no caso, usando um sistema físico-químico prático).

          No caso da ECD, essa é uma hipótese proposta em anos recentes e aplicada para sistemas replicantes persistentes, seja químico ou biológico. Aqui, sistemas replicantes menos estáveis tenderiam a se transformar em sistemas mais estáveis - distantes de um estado de equilíbrio. Isso se aplicaria para a seleção natural (onde certos seres simples continuaram bem simples por se adaptarem bem ao ambiente) enquanto outros evoluem para seres mais complexos por pressão seletiva, e também para a evolução química primordial, onde ácidos nucleicos, por exemplo, podem ser estáveis ou instáveis, nesse último caso levando à uma evolução para um estado mais estável e, consequentemente, mais complexo (maior ECD). Mas quais grupos químicos foram essenciais para a construção de sistemas replicantes? São os ácidos nucleicos os mais básicos sistemas do tipo ou outros arranjos químicos com tal capacidade vieram antes?

           Também é válido lembrar que mesmo com as ferramentas laboratoriais existe um limite possivelmente intransponível. Nunca saberemos com excelente precisão como era o ambiente da superfície terrestre primitiva, e como os passos iniciais em direção à vida não deixaram registros fósseis uma abordagem ´histórica´ do problema se torna inviável. Nas pesquisas, usa-se uma abordagem não-histórica, onde tenta-se criar modelos que se aproximem o máximo das condições naquela época para que se chegue a uma conclusão de como a vida pode ter surgido, ou seja, a confirmação de uma possibilidade para atestar que, sim, é plenamente possível o surgimento da vida de um meio abiótico terrestre a partir de certos princípios. O objetivo das pesquisas nesse tópico é transformar a abiogênese em algo que não dependa de uma essência e, sim, apenas de detalhes. Por último, ainda também existe a discussão sobre o que, de fato, define a vida.

- Continua após o anúncio -



     NOVOS AVANÇOS

        DEPSIPEPTÍDEOS
   
             Desde os experimentos de Miller com um modelo de atmosfera redutora e outros que sucederam o mesmo com outros modelos, ficou claro que a química pré-biótica da Terra, e até mesmo espacial, é plenamente capaz de produzir essenciais compostos orgânicos para a vida, especialmente aminoácidos. E, independentemente das hipóteses (metabólica, genética ou ambas), a condensação de aminoácidos é provável de ter ocorrido em simbiose, em um mundo ácido proto-nucleico e proto-peptídeo.


          Apesar de experimentos desde a década de 1960 já terem mostrado que a síntese abiótica de peptídeos é possível em condições pré-bióticas na Terra, o tamanho das cadeias geralmente obtidas em laboratório era sempre limitado a dímeros ou trímeros e com baixo rendimento. Em estudos mais recentes, o limite de tamanho das cadeias chegou a ser superado, e certos proto-peptídeos foram mostrados formarem estruturas agregadas. Porém, até agora a maioria dos estudos com proto-peptídeos foram bastante restritos, com tais compostos contendo apenas um ou dois tipos de monômeros de aminoácidos.

            Agora, nessa última semana, um estudo realizado por pesquisadores no Instituto de Tecnologia da Georgia em afiliação com a NASA, mostrou que, usando modelos pré-bióticos para a formação de peptídeos baseados em reações de troca éster-amida entre alfa-aminoácidos e alfa-hidroxiácidos e estruturas análogas de aminoácidos encontrados em meteoritos e modelos de reações pré-bióticas, é possível a síntese de variadas cadeias e de diversos tamanhos de depsipeptídeos - oligômeros similares aos aminoácidos e com potencial de evoluir quimicamente para peptídeos! E, somando-se a isso, reforça a hipótese sobre o papel dos asteroides e meteoroides na origem da vida na Terra.

          Enquanto a formação de peptídeos puros é algo difícil de ser concebido sem catalisadores e provavelmente impraticável nos primórdios do período pré-biótico, utilizando hidroxiácidos em misturas submetidas a ciclos de evaporação de água e reidratação - em sistemas hot-dry/cool-wet - é gerado, com sucesso, depsipeptídeos, os quais são oligômeros similares aos peptídeos contendo ambas ligações de amida e ésteres na sua estrutura. Enquanto as ligações de éster são cineticamente e termodinamicamente favoráveis, as mesmas são suscetíveis à hidrólise. Já as ligações de amida são mais estáveis. Portanto, as sequências de depsipeptídeos se tornam progressivamente enriquecidas com ligações de amida ao decorrer de vários programas cíclicos ´dry-wet´. Mesmo com a maior parte das reações sendo testadas em pH próximo de 3 (ácido) por causa da presença de hidroxiácidos e dos aminoácidos, a formação de despipeptídeos também ocorreu em pH com valores de 5, 7 e 9. A formação desses oligômeros englobou vários dos monômeros reagentes, incluindo glicina, ácido glicólico, L-alanina, D-alanina, L-ácido lático, L-leucina e L-serina.


         Além de encontrarem que a formação de depsipeptídeos ocorreu rápido e em abundância em um ambiente terrestre pré-biótico, os pesquisadores mostraram que alguns dos depsipeptídeos evoluíram quimicamente em novas variedades em apenas alguns dias - em apenas 4 dias de ciclo, centenas de novas variedades foram encontradas, sendo que em muitas cadeias quase não se encontravam mais hidroxiácidos, se aproximando bastante de reais peptídeos. Essa habilidade pode ter acelerado o nascimento de longas moléculas de peptídeos, base para a síntese de proteínas. Aliás, os depsipeptídeos podem ser encontrados hoje em sistemas biológicos, sendo que muitos antibióticos, por exemplo, são representantes desse tipo de composto. No total, foram mais de 650 depsipeptídeos formados, e isso porque foi usado três de cada monômero (aminoácidos e hidroxiácidos). Caso fossem 10 de cada, poderíamos ter um número de combinação em torno de 1013! Em uma Terra pré-biótica, o número pode ter sido absurdamente grande, e quanto mais diversidade, mais espaço para a evolução química e formação de peptídeos e proteínas cada vez mais complexas.

            E como a replicação não enzimática do RNA parece ter sido um processo crítico para a origem da vida, segundo hipóteses recentes, e que um estudo de 2016 (Ref.11) mostrou que peptídeos oligoargininas podem ter tido papel essencial de ajuda nesse processo, conseguir provar um método bastante plausível para a síntese de peptídeos a partir da evolução química de despeptídeos facilmente alcançáveis com uma química pré-biótica só nos mostra que estamos indo no caminho certo.

           Com o trabalho, os pesquisadores agora sabem como peptídeos podem se formar facilmente em condições pré-bióticas - talvez até mesmo peptídeos catalíticos ou autocatalíticos -, e o próximo passo será descobrir o que é necessário para se alcançar o nível de uma proteína funcional. Além disso, outras moléculas e ligantes, como ácidos proto-nucleicos, proto-lipídeos, proto-glicanos e espécies inorgânicas diversas, podem também ser introduzidas no sistema para verificar quais tipos de reações são possíveis, já que uma co-evolução desses compostos com proto-peptídeos pode ter ocorrido.

       R18

          E em estudo publicado nesta semana na Royal Society Open Science (Ref.19), pesquisadores trouxeram mais um reforço e alta plausibilidade para a hipótese do Mundo RNA e uma boa resposta para como a vida pode ter iniciado no nosso planeta. Analisando a riboenzima R18 - composta por aproximadamente 200 nucleotídeos - e 6 pedaços da mesma, eles mostraram que todas elas foram capazes de ligar substratos aos seus finais 5´. O menor pedaço molecular obtido (R18-T4), com 40 nucleotídeos de comprimento, mostrou uma atividade de ligação mínima, mas possivelmente crucial para a emergência da vida na Terra - apesar dos seus mecanismos de catálise ainda não serem precisamente entendidos.

           A tão simples R18-T4 representa, portanto, um exemplar das pequenas moléculas que podem ter existido no mundo pré-biótico - no início do Mundo RNA - capazes de aumentar seu próprio tamanho e complexidade ao juntar variáveis oligonucleotídeos à sua própria terminação. Desse modo, essas moléculas podem muito bem ter sido gerados por simples chance no meio de reações orgânicas diversas envolvendo nucleotídeos - considerando seu pequeno tamanho e simplicidade - e podem ter sido o passo inicial para a formação de ligases (e polimerases relacionadas) maiores e mais complexas essenciais para a evolução de um sistema auto-sustentável de replicação baseado em RNA em direção às primeiras células vivas.


   CONCLUSÃO

            Aos poucos, estamos avançando cada vez mais nessa fascinante exploração da nossa origem primordial. Segundo o atual consenso científico, o planeta Terra surgiu há cerca de 4,54 bilhões de anos e a vida pode ter quase acompanhado seu nascimento, talvez em torno de 440 milhões de anos depois, segundo apontam evidências fósseis e especulações mais recentes.  Mesmo com diversos experimentos científicos diferindo significativamente entre si  ao longo da história - por adotarem diferentes parâmetros pré-bióticos -, os resultados dos mesmos deixam claro que a síntese de blocos essenciais à vida a partir do meio abiótico, mesmo sem a interferência humana, é comum, prática e diversificada. Apesar da origem da vida parecer algo fantástico demais para ser científico, basta uma análise um pouco mais paciente, persistente e criativa para mostrar o contrário.

           E a busca incessante pela nossa origem não é algo que fica meramente na curiosidade, já que a busca de vida em outros planetas é facilitada pelos novos avanços nessa área (melhor referência pré-biótica ao analisar planetas e satélites diversos) e o nosso próprio entendimento da Química Orgânica, especialmente da Bioquímica, acaba sendo muito otimizado.


LEMBRETE: Este artigo continuará  adicionando atualizações à medida que novos avanços na área da Evolução Química Pré-Biótica forem sendo alcançados e publicados em periódicos.



Artigos Recomendados:

REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://www.pnas.org/content/114/37/E7652.abstract 
  2. http://www.rh.gatech.edu/news/595443/was-primordial-soup-hearty-pre-protein-stew 
  3. https://www.researchgate.net/publication/319344348 
  4. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2964185/ 
  5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26841066 
  6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28503790 
  7. https://oceanservice.noaa.gov/facts/vents.html 
  8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26876/ 
  9. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9841/ 
  10. https://www.nasa.gov/vision/universe/starsgalaxies/life%27s_working_definition.html 
  11. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5061144/
  12. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2829962/
  13. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5153646/
  14. https://www.nasa.gov/content/the-lost-city-formation/#.Wb8zbtSGPIU
  15. https://www.nature.com/scitable/content/alkaline-hydrothermal-vents-at-lost-city-in-14457123
  16. https://nai.nasa.gov/articles/2016/3/9/lifes-building-blocks-form-in-replicated-deep-sea-vents/
  17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4247476/
  18. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3920166/ 
  19. http://rsos.royalsocietypublishing.org/content/4/9/170376