YouTube

Artigos Recentes

A Origem da Vida: O que sabemos até agora?


- Artigo atualizado no dia 21 de novembro de 2019 -

Compartilhe o artigo:



          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 CIENTÍFICO), mas os alicerces que permitiram que a vida se originasse de um meio não-vivo (abiótico) 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). Desses estudos, já temos acumuladas evidências suficientes que deixam um ponto bem claro: a base para a vida não só é possível em uma Terra pré-biótica como vem sendo demonstrada exaustivamente em experimentos laboratoriais..


 
CONTEÚDO:
  • HISTÓRIA: Desde Friedich Wöhler até as pesquisas espaciais, um resumo por trás do desenvolvimento histórico do campo de estudo da origem da vida.
  • ASTEROIDES, FONTES TERMAIS E ATMOSFERA NEUTRA: Avanços mais recentes sobre a origem dos blocos de construção da vida.
  • MODELOS PRÉ-BIÓTICOS: Descrição dos principais modelos propostos para a emergência do primeiro sistema vivo, incluindo o Mundo RNA, Mundo Lipídico e Mundo RNA/DNA
  • CONCLUSÃO


- Continua após o anúncio -


 


           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 pensamento consensual até essa época, sendo impossível conceber que a vida poderia se originar de algo não vivo.


          Porém, um ano depois, o ex-estudante de Berzelius, 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 notório 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

          Voltando um pouco, 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 por simples princípios da 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 como pré-requisito crucial: a geração espontânea.

           Ora, para naturalmente tornar cabível a Evolução Biológica, torna-se necessário a existência de um ser primordial (ancestral comum) 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 sentido, 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 (pelo menos como ela era concebida na época, ou seja, sem uma evolução química inicial).

           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 este 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 dessas estruturas, caso o frasco fosse tombado, permitindo que o líquido entrasse em contato com as paredes contaminadas, microrganismos passavam a crescer no meio antes isolado. 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 que carregavam bactérias, vírus, e outros microrganismos patológicos), o experimento de Pasteur - 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, trazida para cá através de cometas e asteroides. Porém, isso continuava não explicando como microrganismos supostamente trazidos para o nosso planeta ('cosmozoas') teriam surgido em outro planeta ou quaisquer outros corpos espaciais habitáveis.



      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 nessa hipótese, 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" submetida a uma evolução química.

        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 (ou similar) 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 (proto-células). 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 essas estruturas orgânicas 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 a ideologia Soviética. 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 praticamente 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 quase por completo quaisquer traços de como era a química do nosso jovem planeta. No entanto, existem estudos hoje que já avançaram no desenvolvimento de métodos de análise que possibilitem diferir entre estruturas carbônicas oriundas de organismos vivos ou apenas de processos geológicos inorgânicos, o que pode abrir caminhos para explorar, se não o início, os passos que a vida traçou nos seus primórdios, há mais de 4 bilhões de anos (Ref.36).

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 barreira 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 abarrotado 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.



          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.

            Em um estudo de 2017 realizado por pesquisadores no Instituto de Tecnologia da Georgia em afiliação com a NASA (Ref.16), 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 o consenso científico mais recente, 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.

           Desde esse estudo, 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 já sendo trabalhado é descobrir os componentes necessários 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.

          E enquanto a maior parte dos açúcares associados com uma origem extraterrestre não são necessariamente essenciais para a emergência da vida, mais recentemente cientistas confirmaram a existência de açúcares essenciais em meteoritos primitivos. Em um estudo publicado na PNAS (Ref.37) pesquisadores analisaram três meteoritos condritos carbonáceos via cromatografia gasosa acoplada com espectrometria de massas (GC/MS) e encontraram ribose e outros açúcares importantes para a formação de bi-polímeros funcionais, como o RNA. Uma análise isotópica reforçou que a origem dos açúcares encontrados era extraterrestre, devido ao alto conteúdo de carbono-13 presente nos carboidratos identificados. Isso soma mais uma evidência da importância dos meteoroides e outros corpos espaciais para a química pré-biótica da Terra primitiva.




ATUALIZAÇÃO (17/12/17): Novo estudo mostra que a abundância de matéria orgânica complexa no ambiente espacial pode ser muito maior do que o imaginado. Para saber mais, acesse: Pesquisadores demonstram que os blocos de construção da vida podem ser facilmente formados no Espaço

----------
OBSERVAÇÃO: Sobre a substancial abundância dos elementos básicos necessários à vida na Terra - carbono, nitrogênio e enxofre em específico - existe a hipótese de que esses tenham origem em grande parte da colisão com um planeta do tamanho de Marte durante o processo de formação da Lua, há mais de 4,4 bilhões de anos (1). Esse planeta teria um núcleo metálico rico em enxofre, nitrogênio e carbono, e simulações realizadas recentemente (Ref.29) dão suporte para esse cenário.

(1) Leitura recomendada: Erros mais comuns sobre a Lua
----------

         Sem sombra de dúvidas, 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. Porém, aliado aos corpos extraterrestres em choque com a Terra, temos outras potenciais fontes terrestres de fomento à construção do primeiro sistema vivo. No caso da atmosfera primitiva não ser tão redutora quanto se pensava (pequenas quantidades de H2 e CH4, por exemplo), pesquisas nas últimas décadas já mostram que é possível a criação de compostos orgânicos diversos, incluindo aminoácidos, mesmo em condições atmosféricas neutras, incluindo no ambiente em torno de fontes hidrotermais nos oceanos - especialmente as fontes hidrotermais alcalinas.


          Ainda no ambiente das fontes hidrotermais, um estudo publicado na Science Advances (Ref.36) mostrou que à medida que minerais metálicos precipitam em torno dessas fontes, canais começam a ser formados para a água quente sendo jorrada. Como os minerais metálicos entre os precipitados são condutores elétricos e a composição da água quente jorrada e a água marinha possuem diferentes composições, um gradiente elétrico é criado - como uma espécie de bateria natural - com o fluxo de elétrons (corrente elétrica) gerado indo da água quente e passando pelos minerais precipitados. Vários sulfetos metálicos presentes nos sistemas hidrotermais (FeS, Ag2S, CuS e PbS) passam por uma conversão - em uma escala de horas a dias - aos metais correspondentes a potenciais menores ou iguais a 0,7V (relativo ao eletrodo padrão de hidrogênio). Nesse sentido, os pesquisadores, através de experimentos controlados em laboratório, mostraram que essas correntes geradas podem reduzir os metais presentes nesses minerais e esses metais reduzidos (não oxidados, ou seja, sem ou com menos elétrons arrancados) podem por sua vez reduzir e catalisar diversas reações orgânicas para a formação de moléculas cada vez mais complexas.



           Para exemplificar, um conjunto formado por FeS-F0 (sulfeto de ferro e seu metal reduzido) promovem várias reações, incluindo certos passos no ciclo redutivo do ácido tricarboxílico com eficiências muito superiores àquelas devido ao FeS puro.


ATUALIZAÇÃO (25/06/19): Em um estudo publicado na Nature (Ref.25), pesquisadores associados à NASA revelaram compostos de cianeto em meteoritos primitivos, junto com monóxido de carbono, ligados com ferro formando estáveis compostos. Usando HPLC, eles identificaram complexos ciano-carbonilas similares a porções dos locais ativos de hidrogenases, enzimas utilizadas por bactérias e Archaea para quebrar gás hidrogênio (H2) na busca por energia, ou seja, reforçando um cenário onde as primeiras via metabólicas emergiram nas fontes hidrotermais. De fato, acredita-se que as hidrogenases são uma das primeiras enzimas do planeta. Essas funções catalíticas podem se somar ao envolvimento do cianeto na síntese não-biológica de compostos orgânicos como aminoácidos e nucleobases, blocos de construção da vida.


ATUALIZAÇÃO (29/11/2018): Em um estudo publicado no periódico Chemistry Select (Ref.27) mostrou que, em meio aquoso, um sistema reacional contendo cianeto de hidrogênio (HCN), amônia (NH3), sais de cloreto (Cl-) e exposição a radiações altamente energéticas (radiólise gama em específico) - um cenário plausível no mundo pré-biótico, onde tínhamos uma maior prevalência de elementos radioativos na superfície do planeta, em depósitos de minerais contendo monazita e uraninita, fornecendo altos fluxos locais de radiação alfa, beta e gama - gera uma variedade de compostos úteis para a síntese de RNA: cloreto de cianogeno (ClCN), cianamida (H2NCN) e percursores nitrila para carboidratos simples. O rendimento radiolítico de cianamida mostrou ser proporcional à concentração de cloreto (incluindo cloreto de sódio, NACl).




   MUNDO DE RNA 

             Com matéria-prima abundante em mãos, a disputa ainda continua acirrada entre os modelos genéticos e metabólicos. No primeiro, amplamente mais aceito e suportado com inúmeros experimentos laboratoriais, 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 ou um pré-RNA surgiu) emergiram. Já a proposta de que um sistema metabólico foi o primeiro a surgir ainda continua sendo defendida, apesar das suas grandes limitações. Existem opiniões acadêmicas de que ambos podem ter se desenvolvido juntos.

           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 é também auxiliado por proteínas pré-existentes. Para entender 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. Nesse cenário , 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 vários estudos nos últimos anos 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.


          Em um estudo publicado na Scientific American (Ref.33), pesquisadores encontraram que os heterocíclicos de nitrogênio (N-heterocíclicos) - moléculas orgânicas amplamente disponíveis no meio pré-biótico - são os componentes mais plausíveis de terem iniciado a evolução química ao encontro do Mundo RNA. No estudo, os pesquisadores realizaram experimentos laboratoriais via o aparato de descargas elétricas de Miller-Urey, sob uma atmosfera redutora ou neutra (simulando o máximo possível uma plausível superfície terrestre pré-biótica), e visando analisar os produtos reacionários oriundos de uma mistura aquosa de N-heterocíclicos. O próximo passo foi utilizar espectrometria de massa e ressonância magnética nuclear (RMN) para elucidar os produtos de reação e elucidar os mecanismos de síntese. Eles encontraram que os N-heterocíclicos ganharam cadeias laterais curtas de carbonila, formando subunidades aduzidas de um percursor proposto para o RNA (pré-RNA) durante a evolução química: ácidos nucleicos petídicos (PNAs).


            No geral, para o modelo metabólico fazer sentido, é preciso que seja confirmado que rotas metabólicas - ou proto-metabólicas - sejam capazes de se replicar e evoluir. Nesse sentido, apesar da base empírica esbarrar hoje em robustas limitações experimentais, modelos computacionais conseguem dar certo suporte para esse tipo de modelo, em particular o proposto Mundo Lipídico. 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, é geralmente argumentado que apenas isso não é suficiente para explicar um caminho em direção a um sistema metabólico cíclico anterior ao genético.


   MUNDO LIPÍDICO

          Nesse modelo, proposto há duas décadas pelo pesquisador Doron Lancet e colaboradores, do Departamento de Genética Molecular, do Instituto de Ciências Weizmann, Israel, a vida teria tido início antes mesmo do RNA e do DNA, através de compostos lipídicos. Nesse cenário, a vida teria começado com redes catalíticas mútuas de pequenas moléculas orgânicas, capazes de auto-replicação e evolução. Alternativamente, compostos ainda mais simples podem compor esse sistema, os quais não são individualmente auto-replicantes mas coletivamente formam um conjunto auto-catalítico. Essa rede catalítica seria formada por um número de moléculas que catalisam umas às outras, podendo estabelecer produção recursiva.

          Esse modelo - englobado no cenário onde o metabolismo emerge primeiro e baseado em simulações computacionais (GARD em específico) - ganha a vantagem por não requerer uma sofisticada herança nucleica de alta-fidelidade baseada em complexos biopolímeros que marca o Mundo RNA, especialmente considerando um caótico cenário pré-biótico. Basicamente, a interação de várias e diferentes moléculas anfifílicas de lipídios possibilitaria a transmissão de informações, acúmulo de informações e replicação, além de simplificar a emergência da primeira proto-célula: as moléculas anfifílicas por terem uma parte apolar (hidrofóbica) e polar (hidrofílica) geram naturalmente compartimentos fechados em meio aquoso, facilitando a diminuição da entropia para as funções de auto-organização.


          Entre as vantagens de um conjunto lipídico como base inicial da vida, temos:

- Forma-se espontaneamente a partir de soluções diluídas;
- Fluídico: permite trocas fáceis com o ambiente;
- Oportunístico: quaisquer lipídios podem fazer parte;
- Fase orgânica condensada: promove interações;
- Pode comportar informação composicional;
- Pode manifestar significativa catálise;
- Submete-se facilmente a fissões;
- Permite continuidade evolucionária no sentido de uma proto-célula;
- Estabilidade térmica: permitindo a emergência de vida na Terra jovem.
- Permite uma ponte mais plausível para a emergência dos sistemas baseados em RNA e DNA, eliminando uma evolução química mais complexa;


          Em um estudo publicado por Lancet et al. (2018) (Ref.24), os autores realizaram uma extensa revisão da literatura acadêmica para validar os composomos gerados pelo modelo GARD como candidatos válidos para o primeiro sistema vivo da Terra. A capacidade de auto-replicação e auto-catálise já havia sido demonstrada em simulações e foi reafirmada. Eles encontraram que o sistema lipídico anfifílico pode passar por um processo evolutivo, permite catálise de ligações covalentes (incluindo funções biológicas envolvendo a catálise lipídica de ligações peptídicas) - permitindo a formação de estruturas cada vez mais complexas, envolvendo dímeros e polímeros lipídicos - e que também era caracterizado por ser um sistema dissipativo. Além disso, eles reportaram um banco de dados contendo 30 mil diferentes tipos de estruturas lipídicas - mais do que o necessário para suportar funções diversas no processo de catálise mútua - e também argumentaram que os composomos replicadores efetivos podem ter emergido tão logo os oceanos terrestres se formaram há mais de 4 bilhões de anos.

          Um sistema dissipativo é um sistema termodinamicamente aberto, o qual opera longe do equilíbrio em meio a um ambiente com o qual é trocado energia e/ou matéria. Esses sistemas manifestam auto-organização, com a capacidade de manter baixa entropia local. Nesses sistemas, organização pode emergir através de uma quebra espontânea de simetria (espacial e temporal), que pode levar à geração de complexas estruturas. No caminho entre abiótico para biótico, um sistema dissipativo é consensualmente previsto.

          Na transição de um sistema lipídico de informações (informação composicional) para o sistema oligonucleotídico (cópia sequencial de polímeros)  que coordena os seres vivos como hoje os conhecemos (RNA e DNA), nucleotídeos tradicionais ou nucleotídeos lipídicos (presentes em certas bactérias) - junto com aminoácidos, cofatores, metais quelantes, tióis, oligo-fosfatos e numerosos outros compostos - podem ter sido capturados do ambiente ou sido sintetizados pelos composomos durante a crescente evolução e complexação desses últimos ao longo de milhões de anos, levando subsequentemente à formação catalizada das fitas oligopoliméricas de RNA e de DNA, e de outras funções metabólicas mais modernas.

           O Mundo Lipídico foi também reforçado em 2018 com a descoberta de que Encélado, um dos satélites naturais de Saturno, possui um oceano sub-glacial repleto com compostos apolares (hidrofóbicos) constituídos de 7 a 15 carbonos (1). Isso reforça que nos primórdios do nosso planeta, a presença de moléculas orgânicas anfifílicas nos oceanos era bastante provável. Aliás, isso aumenta as chances de existir sistemas vivos - lipídicos ou oligonucleotídicos - em Encélado.

---------
(1) Para mais informações, acesse: Encélado: O satélite em Saturno capaz de sustentar vida


          Lancet et al. vem trabalhando em uma versão mais robusta do GARD - 'M-GARD' - onde estão melhor simulando processos metabólicos nos sistemas lipídicos propostos, incluindo os processos catalíticos e não-catalíticos para a síntese de ligações covalentes, a qual não é energeticamente favorável.


   MUNDO DNA E RNA

          Como já dito, o Mundo RNA é a hipótese de principal consenso na comunidade científica, porém muitos questionamentos referentes a essa hipótese ainda não foram muito bem esclarecidos. Entre eles - válido também para o Mundo Lipídico -, talvez o mais crucial seria como exatamente ocorreu a transição de RNA para DNA e a pré-eminência de todos os polímeros codificantes da vida. A transição para o mais complexo mas mais estável DNA permitindo uma contínua replicação e um contínuo armazenamento de informações requer o desenvolvimento de uma redutase ribonucleotídea para a obtenção dos desoxirribonucleotídeos a partir de ribonucleotídeos. Tanto esse passo, quanto um passo alternativo envolvendo a síntese de DNA a partir de moléculas abióticas, é ainda desconhecido.

           Nesse sentido, Químicos da Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU), em Munique, Alemanha, encontraram recentemente que o DNA pode ter emergido muito antes do que o pensado, talvez junto com o RNA e via um caminho reacional bem simples e tangível para um cenário pré-biótico. A hipótese, com suporte de evidências empíricas, foi descrita em um estudo publicado em junho de 2019 no periódico Angewandte Chemie (Ref.31).



          No estudo, os pesquisadores demonstraram a formação de desoxirribonucleosídeos em água e em alta regio- e estereoseletividade, começando de moléculas pré-bioticamente disponíveis e simples, para todas as bases canônicas pirimidina e purina, via condensação com precursores acetaldeído e formadores de açúcares. O sistema reacional aquoso foi submetido a temperaturas variando de 40°C a 70°C com 50°C definido como o ideal, exibindo pH de neutro a alcalino. Os aditivos acetato de sódio e fosfato dissódio de hidrogênio foram utilizados e garantiram uma taxa de formação otimizada, mas não foram necessários como um componente essencial para os produtos visados serem formados.

          Em outras palavras, a partir de um ambiente pré-biótico, as unidades estruturais do DNA podem ter sido formadas de forma independente em relação ao RNA ou terem acompanhado a evolução química do RNA.


   LIMITAÇÕES E DEBATES

              Apesar do mais aceito modelo de protagonismo do RNA, descoberta de riboenzimas, rotas químicas plausíveis para o DNA, 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, qual foi o caminho reacional mais lógico 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? Ou o Mundo Lipídico deve receber uma maior atenção?

          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.

           Para exemplificar, só recentemente um estudo realizado por pesquisadores da Universidade de Oslo (Ref.32) mostrou que sobre superfícies de sílica (mineral abundante na crosta terrestre), lipídios anfifílicos (cabeças polares e caudas apolares) similares aos presentes na membrana celular de bactérias se organizam espontaneamente para formar estruturas proto-celulares, prontas para abrigarem RNA e outros elementos cruciais para o desenvolvimento de uma célula viva. Esse conhecimento teria facilitado muitos modelos de evolução biótica a partir de um meio pré-biótico.

           Outro fator, por exemplo, que precisa ser levado em conta é a Segunda Lei da Termodinâmica. Apesar dessa lei 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 um pouco desfavorecida, requerendo condições físico-químicas ótimas para facilitar reações favoráveis no sentido de estruturas complexas de transmissão e armazenamento de informações. Mas, assim, como é falacioso falar que a 2° Lei impede evolução biológica, é também falacioso dizer que ela impede a Evolução Química, já que, para início de conversa, a Terra não é um sistema fechado (troca matéria e energia com o espaço inter e intra-estelar, principalmente com o Sol) e, mesmo se a Terra fosse fechada, entropia pontual pode ocorrer espontaneamente, caso a entropia total do sistema não seja diminuída.


            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 não muito práticas devido à tendência de difusão em direção à desordem estabelecida pela Segunda Lei da Termodinâmica. Com um confinamento mínimo, ligações químicas favoráveis e interações intermoleculares dão facilmente conta do resto do trabalho. Aliás, como mencionado, esse é um ponto a favor do Mundo Lipídico, como já mencionado, apesar do Mundo RNA ser o modelo hoje mais plausível e aceito.

           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 de auto-organização celular.

5. A Evolução Química pré-biótica e a Evolução Biológica podem estar interligadas em termos de 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 as simulações 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), apesar dos supercomputadores hoje estarem cada vez mais potentes e acessíveis, e os computadores quânticas uma realidade cada vez mais próxima.

          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?

         Outro campo de pesquisa sendo fortemente explorado na última década é o conceito de separação de fases em meio líquido (Ref.21). Estruturas no meio celular, incluindo a organização dos ácidos nucleicos, podem estar sendo orientadas e formadas pela ação das forças intermoleculares dos solventes, as quais estariam agindo, por exemplo, para transformar proteínas soltas em estruturas sólidas. Esse efeito, visto por exemplo quando óleo é misturado com água (formando gotas de óleo confinadas devido às diferenças de polaridade no sistema), ocorre a todo momento no meio abiótico e pode ter sido uma das principais ferramentas de ajuda na construção das células. Evidências que corroboram o  crucial papel da separação de fases nos sistemas biológicas estão se acumulando desde 2009.

          Nesse caminho, temos um excelente exemplo de meio concentrador proto-celular descrito em julho de 2019 em uma publicação na PNAS (Ref.34). Como já exaustivamente explorado, membranas do tipo celular se organizam espontaneamente em meio aquoso a partir de surfactantes pré-bióticos simples, no caso, ácidos graxos. No entanto, membranas de ácidos graxos são instáveis em soluções contendo sais que muito certamente estavam presentes no ambiente pré-biótico, como aqueles contendo íons magnésio (Mg2+). No estudo, os pesquisadores mostraram via experimentos práticos que essas membranas fortemente se estabilizam ao se ligarem a aminoácidos, resistindo a desidratações e hidratações, e à interação com íons Mg2+, este o qual também é importante para diversas funções biológicas. Além disso, com a estabilização, mais moléculas orgânicas de variadas complexidades eram capazes de serem absorvidas pelas membranas, potencialmente auxiliando também a eventual formação de proteínas.


         Ainda com foco na resolução do problema entrópico, podemos voltar aos substratos rochosos e minerais. Por exemplo, poros de rochas vulcânicas podem ter agido como importantes substratos catalíticos para reações em meio aquoso, ajudando também a concentrar moléculas orgânicas pré-bióticas. Um estudo publicado na Nature Chemistry (Ref.35) explorou como bolhas de gás em água submetidas a um gradiente térmico - um provável cenário dentro rochas crustais máficas na Terra pré-biótica - orientam um complexo e contínuo enriquecimento de moléculas pré-bióticas. No experimento realizado para o estudo, percursores de RNA, monômetros, riboenzimas ativas, oligonuleotídeos e lipídios mostraram:

I. Ciclar entre estados secos e molhados, possibilitando o passo central para a fosforilação do RNA;
II. Acumular na interface gás-água para drasticamente aumentar a atividade riboenzimática;
III. Condensar na forma de hidrogéis;
IV. Formar cristais puros;
V. Encapsular na forma de agregados de vesículas protetoras que subsequentemente passaram por fissão.

          Todos os efeitos listados ocorreram em menos de 30 minutos no sistema reacional. Além disso, demonstraram condições físicas que foram cruciais para a emergência química de biopolímeros, ou seja, via concentração em microbolhas aquecidas que podem ter abrigado os primeiros ciclos da evolução química.

          Outra proposta envolvendo minerais é o modelo de condensação pré-biótica através de ciclos do tipo seco-e-molhado regulados por deliquescência (Ref.39). Como já mencionado, esses ciclos podem ter sido um importante meio para fomentar a condensação (como a conversão de aminoácidos em peptídeos) e o confinamento de reações para gerar misturas de biopolímeros de importância biótica. No entanto, existe uma limitação nesse sistema: a imprevisibilidade de eventos de reidratação, como tempestades de chuva. Outra desvantagem é que na fase 'molhada', eventos como chuvas podem entregar água em excesso, trazendo prejuízos para as reações pré-bióticas quando membranas celulares ou proto-celulares ainda não existiam. Com o uso de minerais deliquescentes - os quais são abundantes na superfície terrestre (I) e capazes de absorverem grandes quantidades de umidade no ar -, as misturas reacionais evaporam até secarem em altas temperaturas e espontaneamente readquirem vapor de água para formar soluções aquosas em baixas temperaturas. Misturas deliquescentes podem otimizar a oligomerização em mais de dez vezes do que em sistemas não-deliquescentes. Isso porque as misturas deliquescentes fortemente regulam o conteúdo de umidade, algo crucial já que pouca água dificulta a dissolução de reagentes e muita água favorece hidrólise.



           Somando-se a isso, esse modelo deliquescente ainda pode explicar a razão pela qual a vida evoluiu de forma a favorecer um conteúdo intracelular rico em potássio: para que sistemas vivos possam adquirir e reter água suficiente para servir como um solvente em reações bioquímicas. Ânions comumente encontrados em biopolímeros modernos - como fosfatos e carboxilatos - possuem umidades críticas para o fenômeno da deliquescência ocorrer bem menores quando o cátion associado é o K+ em comparação com o Na+. Nesse sentido, a preferência da vida por potássio pode ser, em parte, devido à regulação deliquescente de umidade ideal à medida que a vida se desenvolveu e evoluiu.

----------
(I) Na região hiper-árida do Deserto do Atacama, no Chile, à primeira vista inóspita para a vida, existem comunidades microbianas endolíticas que residem em depósitos de halita, um mineral deliquescente. A atividade fotossintética atinge seu máximo nessas comunidades microbiológicas quando a umidade relativa fica acima de 70%, tornando o ambiente deliquescente (>RH0), ou seja, o mineral altamente higroscópico absorve tanta água que acaba dissolvido em uma solução resultante. Cloreto de magnésio (MgCl2) e cloreto de cálcio (CaCl2) são também exemplos de substâncias deliquescentes bastante comuns na superfície terrestre.
----------

         Também é válido lembrar que mesmo com as ferramentas laboratoriais existe um limite possivelmente intransponível. Nunca saberemos com 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 -



     ATUALIZAÇÕES (Reforçando ou questionando os modelos)

      R18

          E em estudo publicado em 2017 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 dela -, 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.

ATUALIZAÇÃO (18/05/18): Cientistas conseguiram um fantástico feito: eles criaram a primeira riboenzima que é capaz de replicar fitas dobradas de RNA, incluindo a si mesma! Apesar do RNA conseguir catalisar sua própria replicação na forma de riboenzima, esta não consegue catalisar o RNA dobrado, sendo exatamente essa a forma como o RNA está presente na riboenzima. Isso cria um paradoxo impedindo a auto-replicação das riboenzimas, e era a principal limitação da hipótese do Mundo RNA. Normalmente, quando copiando o RNA, uma enzima adiciona bases únicas (C, G, A ou U) uma de cada vez, mas a nova riboenzima criada pelos pesquisadores usa tripletos (GAU, CGA, etc.), permitindo a cópia de RNA dobrado. Isso porque os tripletos se ligam ao RNA muito mais fortemente, forçando-o a se desdobrar (mesmo as mais estáveis estruturas secundárias). Apesar dos seres vivos hoje não utilizarem tripletos no processo enzimático de replicação genética, a síntese de proteínas via ribossomos usa (1), sugerindo uma possível herança ou convergência do sistema primordial que trouxe a primeira auto-replicação e possibilitou a emergência do primeiro ser vivo. Os experimentos foram detalhados em uma publicação na eLife (Ref.22) e foram carregados à uma temperatura de -7°C em meio aquoso, condição que otimiza essa ação enzimática específica.



ATUALIZAÇÃO (10/01/18): Considerando ambos os modelos pré-bióticos (mundo RNA e mundo metabólico), certos ciclos reacionais cruciais podem se tornar quase impossíveis de terem surgido no ambiente sem a presença de enzimas específicas. O Ciclo do Ácido Cítrico (CAC) - ou Ciclo de Krebs - é um dos maiores exemplos. Presente nos organismos aeróbicos, desde bactérias até elefantes, o CAC é comum em quase todos os seres vivos. Via uma série de reações catalisadas por enzimas específicas, dióxido de carbono (CO2) e energia química na forma de ATP são gerados, além de precursores de certos aminoácidos  e o agente redutor NADH (usado em inúmeras reações bioquímicas). Nas células eucarióticas, o CAC ocorre nas mitocôndrias, enquanto que nas células procarióticas ele ocorre no citoplasma. Mas como tal complexo e essencial ciclo metabólico primeiro surgiu?


         Para responder essa pergunta, pesquisadores esta semana, em um estudo publicado na Nature Communications (Ref.20), descreveram duas sequências reacionais (ciclos HKG e Malonato) a partir de carboxilatos e alfa-cetoácidos simples que podem ter operado em condições pré-bióticas, de forma plausível, e sem a necessidade de enzimas! No lugar de modernas coenzimas redox, foi usado peróxido de hidrogênio (H2O2), um produto da oxidação fotoquímica da água, para a base de dois ciclos protometabólicos, onde cada um deles oxida glioxilato em CO2 e gera intermediários que são compartilhados com o moderno ciclo CAC - servindo inclusive como uma fonte de aminoácidos via precursores. Sob temperaturas de 23°C a 50°C e pH neutro, ambos os ciclos não precisam ser catalisados, sendo perfeitos em um mundo pré-biótico ou sem a presença de enzimas específicas para esse trabalho. Com o surgimento de polipeptídeos cada vez mais complexos e funcionais, esse ciclo protometabólico proposto pelos pesquisadores pode ter sido gradualmente substituído por um mais complexo, até chegar ao moderno CAC.



ATUALIZAÇÃO (02/07/18): Um estudo publicado na Nucleic Acids Research (Ref.23) trouxe fortes evidências de que o sistema compreendendo 20 RNA-transportadores (RNAt) teve origem de um simples sistema de apenas 2 RNAt. Proteínas nos humanos e na maioria das outras formas de vida são feitas a partir de 20 diferentes aminoácidos, e, portanto, são 20 distintos tipos de moléculas de RNAt, cada uma delas capaz de se ligar a um particular aminoácido. Junto com cada RNAt, existe uma enzima sintetase, cujo trabalho é carregar o RNAt com o aminoácido correto. Através de modelos teóricos de simulação, e levando em conta que só existem três variações de bases (letras) na região de ligação sintetase-RNAt, os pesquisadores sugeriram que as primeiras formas de vida usavam apenas dois aminoácidos transportados via dois pares de sintetase-RNAt. Além disso, o estudo também mostrou que a longa distância entre a região do anticódon e do local de ligação sintetase-RNAt teve provável origem de uma única região englobando os dois locais. Mutações ao longo de vários milhões de anos foram diversificando essas enzimas e o RNAt, mas conservando algumas características ancestrais mais simples de operação.


ATUALIZAÇÃO (03/10/18): Em um estudo publicado no periódico ACS Nano (Ref.26), pesquisadores mostraram que em altas concentrações, sequências curtas de RNA (6 ou 12 nucleotídeos de comprimento) espontaneamente ficam ordenadas em fases de cristais líquidos. Na presença de íons magnésio (Mg2+), essa transição de fase era acelerada (maior estabilização dos cristais) ou de polietileno glicol, o qual mostrou sequestrar RNA em micro-domínios altamente concentrados. Uma vez juntos na forma de cristais líquidos, um ativador químico conseguia eficientemente juntar suas terminações para a formação de longas cadeias e sem a ocorrência de cadeias fechadas. Essas longas cadeias facilmente suportam a emergência de riboenzimas de 16-150 nucleotídeos. Apesar de polietileno glicol e o ativador químico utilizados provavelmente não terem existido no mundo pré-biótico, outras espécies moleculares podem ter atuado de forma a realizarem um papel similar, mesmo que menos eficiente. O achado fortalece o modelo de Mundo RNA.


ATUALIZAÇÃO (03/08/19): Na hipótese do Mundo RNA, pesquisadores já conseguiram estabelecer percursores para os nucleotídeos citosina, adenina e a uracila. Porém, para a guanina, a questão permanece elusiva. Nesse sentido, um estudo publicado na PNAS (Ref.28) propôs a primeira 'guanina' (G) pode ter sido uma molécula similar, no caso, a inosina, ou seja, as primeiras formas de vida possuíam um material genético A, U, C e I. A inosina já tinha sido sintetizada em laboratório através de sistemas reacionais simulando um cenário pré-biótico. No novo estudo, os pesquisadores testaram se um RNA constituído por inosina ao invés de uracila conseguiria se replicar. O resultado foi positivo, e o RNA modificado (A, U, C e I) foi capaz de se replicar com relativa alta velocidade (60% daquela de um RNA com G) e poucos erros.



ATUALIZAÇÃO (24/01/19): Sem sombra de dúvidas, o DNA evoluiu diretamente do RNA, mas em relação à essa última molécula, será que o seu formato em espiral (hélice) emergiu primeiro ou só mais tarde após a emergência da cadeia polimérica? Quando sua homoquiralidade exclusiva (D, destrógiro) surgiu? Em um estudo publicado no periódico Angewandte Chemie (Ref.30), pesquisadores associados à NASA propuseram e trouxeram evidências de que a primeira molécula primitiva de RNA era formada por proto-nucleotídeos, como a triaminopirimidina (TAP) e derivados do ácido cianúrico (CA). Ao invés de realizarem ligações covalentes entre si para a cadeia polimérica (como ocorre entre as nucleobases do RNA moderno), esses proto-nucleotídeos são mantidos unidos via ligações intermoleculares. Em solução aquosa a temperatura ambiente, os pesquisadores observaram a formação espontânea de domínios macroscópicos homoquirais de polímeros supramoleculares a partir de CA e TAP. A adição de pequenas quantidades de uma molécula quiral derivada do CA gerou estruturas homoquirais exclusivas, eventualmente exibindo estruturas de uma hélice. E ao misturarem CA com ribonucleotídeos (L-, D-pTARC) e TAP, após a reação desses dois últimos, estruturas ainda mais semelhantes aos atuais ácidos nucleicos RNA emergiram espontaneamente. Somando os resultados, temos mais uma forte evidência de que homoquiralidade dos ácidos nucleicos foram um resultado de quebra de simetria no nível polimérico supramolecular.


ATUALIZAÇÃO (21/11/19): Em um estudo publicado no periódico Small (Ref.38), pesquisadores reportaram outro candidato para a estrutura das protocélulas: ciclofosfolipídios. Eles mostraram que ciclofosfolipídios de monoacila formam robustas vesículas que se mantêm bem estáveis em soluções com uma ampla variedade de pH e altas concentrações de íons Mg2+, Ca2+ e Na+. Nesse sentido, esses compostos - ou outros com estruturas similares, - podem ter atuado de forma crucial para a emergência da evolução Darwiniana.

- Continua após o anúncio -





            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 à primeira vista 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 com os exaustivos experimentos.


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
  20. https://www.nature.com/articles/s41467-017-02591-0
  21. https://www.nature.com/articles/d41586-018-03070-2
  22. https://elifesciences.org/articles/35255
  23. https://academic.oup.com/nar/article/46/18/9667/5054862
  24. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2018.0159
  25. https://www.nature.com/articles/s41467-019-10866-x
  26. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.8b05821
  27. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/slct.201802242
  28. https://www.pnas.org/content/115/52/13318
  29. https://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaau3669
  30. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201812808
  31. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201903400
  32. https://www.biophysics.org/news-room/science-at-bps-2019-scientists-discover-how-surfaces-may-have-helped-life-on-earth-begin
  33. https://www.nature.com/articles/s41598-019-45310-z
  34. https://www.pnas.org/content/early/2019/08/06/1900275116
  35. https://www.nature.com/articles/s41557-019-0299-5
  36. https://nature.com/articles/s41586-019-1436-4
  37. https://www.pnas.org/content/early/2019/11/12/1907169116
  38. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201903381
  39. https://www.nature.com/articles/s41467-019-11834-1