A origem da vida foi uma casualidade? Ou leis da física?

Compreender a origem da vida é indiscutivelmente uma das missões mais atraentes para a humanidade. Esta missão inevitavelmente moveu-se para além do enigma da vida na Terra e nos impeliu a procurar saber se há vida...

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Compreender a origem da vida é indiscutivelmente uma das missões mais atraentes para a humanidade. Esta missão inevitavelmente moveu-se para além do enigma da vida na Terra e nos impeliu a procurar saber se há vida em outro lugar do universo. Mas a vida na Terra é um acaso? Ou a vida é tão natural quanto as leis universais da física?

De Ian O’Neill, editor de ciência do Live Science

Jeremy England, um biofísico no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), está tentando responder a essas perguntas profundas. Em 2013, ele formulou a hipótese de que a física pode desencadear espontaneamente produtos químicos para se organizam de maneiras que semeiam qualidades “parecidas com a vida”.

Agora, uma nova pesquisa de England e um colega sugerem que a física pode naturalmente produzir reações químicas autorreplicantes, um dos primeiros passos para a criação da vida, a partir de substâncias inanimadas.

Isso pode ser interpretado como a vida que se origina diretamente das leis fundamentais da natureza, removendo assim a sorte da equação. Mas isso já seria antecipar os acontecimentos.

A vida devia ter vindo de alguma coisa, já que nem sempre houve biologia. A biologia nasceu de componentes químicos em estado natural e sem vida que, de algum modo, se organizaram em compostos prebióticos, criaram os blocos fundamentais para a vida, formaram micróbios básicos e, em seguida, evoluíram para o conjunto espetacular de criaturas que existem em nosso planeta hoje.

A abiogênese é quando algo não biológico se transforma em algo biológico e England pensa que a termodinâmica pode fornecer o contexto que impulsiona o surgimento da vida em produtos químicos sem vida. No entanto, esta pesquisa não é a ligação entre as qualidade para o surgimento da vida a partir de um sistema físico com os processos biológicos em si, disse England.

“Eu não diria que fiz qualquer coisa para investigar a ‘origem da vida’ per se”, disse England ao site Live Science. “Eu acho que o que é interessante para mim é a prova do princípio — quais são os requisitos físicos para o surgimento de comportamentos semelhantes a vida?”

Auto-organização em sistemas físicos

Quando energia é aplicada a um sistema, as leis da física dita como essa energia se dissipa. Se uma fonte de calor externa for aplicada a esse sistema, ela se dissipará e alcançará o equilíbrio térmico com seus arredores, como uma xícara de café resfriada deixada em uma mesa. A entropia, ou a quantidade de desordem no sistema, aumentará à medida que o calor dissipa. Mas alguns sistemas físicos podem estar suficientemente fora de equilíbrio para se “auto-organizar” para fazer o melhor uso de uma fonte de energia externa, desencadeando reações químicas autossustentadas interessantes que impedem o sistema de alcançar o equilíbrio termodinâmico e, portanto, mantendo um estado fora de equilíbrio, England especula. (É como se aquela xícara de café produza espontaneamente uma reação química que sustente um ponto quente no centro do fluido, evitando que o café esfriasse para um estado de equilíbrio.) Ele chama essa situação de “adaptação orientada para a dissipação” e esse mecanismo é o que transmite atributos para vida no sistema físico de England que, de outra, estaria sem forma de vida.

Um comportamento chave para um comportamento com atributo de vida é a autorreplicação, ou (de um ponto de vista biológico) a reprodução. Isto é a base para toda forma de vida: começa simples, replica, torna-se mais complexo e replica novamente. Acontece que a autorreplicação também é uma forma muito eficiente de dissipar o calor e aumentar a entropia nesse sistema.

Em um estudo publicado em 18 de julho na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, England e o coautor Jordan Horowitz testaram a hipótese. Eles realizaram simulações em computador usando um sistema fechado (ou um sistema que não troca calor ou matéria com seus arredores) contendo uma “sopa” de 25 produtos químicos. Embora sua configuração seja muito simples, um tipo similar de sopa pode ter sido produzido na superfície de uma Terra primordial e sem vida. Se, digamos, esses produtos químicos são concentrados e aquecidos por uma fonte externa — um respiradouro hidrotermal, por exemplo — o conjunto de produtos químicos precisaria dissipar esse calor de acordo com a segunda lei da termodinâmica. O calor pode se dissipar e a entropia do sistema inevitavelmente aumentará.

Sob determinadas condições iniciais, ele descobriu que esses produtos químicos podem otimizar a energia aplicada ao sistema auto-organizando e sofrendo reações intensas até a autorreplicação. Os produtos químicos se ajustaram naturalmente. Essas reações geram calor que obedece à segunda lei da termodinâmica; a entropia sempre aumentará no sistema e os produtos químicos se auto-organizam e exibem o comportamento de autorreplicação semelhante à vida.

“Essencialmente, o sistema tenta um monte de coisas em pequena escala, e uma vez que uma delas começa a receber feedback positivo, não demora muito para assumir o caráter de organização no sistema”, disse a England ao Live Science.

Este é um modelo muito simples do que se passa na biologia: a energia química é queimada em células que estão — por sua natureza — fora do equilíbrio, conduzindo os processos metabólicos que mantêm a vida. Mas, como England admite, há uma grande diferença entre encontrar atributos de vida em uma sopa química virtual e a própria vida.

Sara Imari Walker, física teórica e astrobióloga da Arizona State University, que não esteve envolvida na pesquisa atual, concorda.

“Há uma ponte de dois sentidos que precisa ser cruzada para tentar a conexão entre biologia e física; um caminho é entender como se obtém qualidades semelhantes à vida a partir de sistemas físicos simples e a outro é entender como a física pode dar origem à vida”, disse Imari Walker ao Live Science. “Você precisa seguir os dois para entender realmente quais propriedades são únicas para a vida e quais propriedades são características de coisas que você considera estar quase vivas […] como um sistema prebiótico”.

Surgimento da vida além da Terra?

Antes que possamos começar a responder a grande questão de saber se esses sistemas físicos simples podem influenciar o surgimento da vida em outro lugar do universo, seria melhor entender primeiro onde esses sistemas existem na Terra.

“Se, quando você diz vida, você quer dizer coisas tão impressionantes como uma bactéria ou qualquer outra coisa com polimerases e DNA, meu trabalho ainda não nos diz nada sobre o quão fácil ou difícil é fazer algo complexo, então eu não deveria especular sobre o que é provável que encontremos em outro lugar senão a Terra”, disse England. (As polimerases são proteínas que compõem DNA e RNA.)

Esta pesquisa não identifica especificamente como a biologia emerge de sistemas não biológicos, apenas que, em algumas situações químicas complexas, ocorre uma surpreendente auto-organização. Essas simulações não consideram outras qualidades para a vida, como a adaptação ao meio ambiente ou a reação aos estímulos. Além disso, este teste de termodinâmica em um sistema fechado não considera o papel da reprodução da informação nas origens da vida, disse Michael Lässig, físico estatístico e biólogo quantitativo da Universidade de Colônia, na Alemanha.

“Este trabalho é, de fato, um resultado fascinante para redes químicas sem equilíbrio, mas ainda está longe de uma explicação física para as origens da vida, que requer a reprodução de informações”, disse ao Live Science Lässig, que não esteve envolvido na pesquisa.

Há um papel crítico para a informação em sistemas vivos, acrescentou Imari Walker. Só porque parece haver auto-organização natural em uma sopa de produtos químicos, não significa necessariamente organização viva.

“Eu acho que há muitos estágios intermediários que temos que passar de simples pedidos para ter uma arquitetura completa de processamento de informações como em uma célula viva, que exige algo como memória hereditária”, disse Imari Walker. “Nós podemos obter clara organização em sistemas físicos não equilibrados, mas isso não significa necessariamente que seja vida”.

Dizer que o trabalho de England poderia ser a “smoking gun” ou a prova concreta para a origem da vida é prematuro, e há muitas outras hipóteses sobre como a vida pode ter surgido do nada, disseram os especialistas. Mas é uma visão fascinante de como os sistemas físicos podem se auto-organizar na natureza. Agora que os pesquisadores têm uma ideia geral sobre como este sistema termodinâmico se comporta, seria um bom passo identificar sistemas físicos suficientemente fora de equilíbrio que ocorrem naturalmente na Terra, disse England.

Texto originalmente publicado no Live Science.

Referências:

  1. Jordan M. Horowitza, and Jeremy L. England. Spontaneous fine-tuning to environment in many-species chemical reaction networks2017, Proceedings of the National Academy of Sciences.
  2. Ian O’Neill. Was the Origin of Life a Fluke? Or Was It Physics? 28 de agosto de 2017, Live Science. Acesso em 31 de agosto de 2017.
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