- Parte um: como fazer uma gaiola -
- Parte dois: Uma divisão nas fileiras dos cientistas -
- Parte três: em busca do primeiro replicador -
- Parte cinco: então como você cria uma célula? -
- Parte Seis: A Grande Unificação -
No capítulo dois, aprendemos como os estudiosos se dividem em três escolas de pensamento, refletindo sobre as origens da vida. Um grupo estava convencido de que a vida começou com uma molécula de RNA, mas não foi capaz de mostrar como o RNA ou moléculas semelhantes poderiam se formar espontaneamente na Terra primitiva e, então, fazer cópias de si mesmas. Seus esforços foram encorajadores no início, mas no final só restou decepção. No entanto, outros pesquisadores da origem da vida, que seguiram caminhos diferentes, chegaram a alguns resultados.
A teoria do mundo do RNA é baseada em uma ideia simples: a coisa mais importante que um organismo vivo pode fazer é se reproduzir. Muitos biólogos concordariam com isso. De bactérias a baleias azuis, todos os seres vivos lutam para ter filhos.
No entanto, muitos pesquisadores da origem da vida não consideram a reprodução como fundamental. Antes que um organismo possa se reproduzir, dizem eles, ele deve se tornar autossuficiente. Ele deve se manter vivo. Afinal, você não pode ter filhos se morrer primeiro.
Nós nos mantemos vivos consumindo alimentos; as plantas verdes fazem isso extraindo energia da luz solar. À primeira vista, a pessoa que come um bife suculento é muito diferente de um carvalho frondoso, mas quando você olha para ele, os dois precisam de energia.
Este processo é denominado metabolismo. Primeiro você precisa obter energia; digamos de produtos químicos ricos em energia como o açúcar. Então você deve usar essa energia para construir algo útil, como células.
Esse processo de uso de energia é tão importante que muitos pesquisadores o consideram o primeiro a partir do qual a vida começou.
A água vulcânica é quente e rica em minerais
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Como seriam esses organismos apenas metabólicos? Uma das suposições mais interessantes foi feita no final dos anos 1980 por Gunther Wachtershauser. Ele não era um cientista em tempo integral, mas sim um advogado de patentes com pouco conhecimento de química.
Wachtershauser sugeriu que os primeiros organismos eram "radicalmente diferentes de tudo que conhecíamos". Eles não eram feitos de células. Eles não tinham enzimas, DNA ou RNA. Não, em vez disso, Wachtershauser imaginou um fluxo de água quente fluindo de um vulcão. Essa água é rica em gases vulcânicos como a amônia e contém vestígios de minerais do coração do vulcão.
Onde a água fluía pelas rochas, as reações químicas começaram a ocorrer. Em particular, os metais da água ajudaram os compostos orgânicos simples a se fundir em outros maiores. O ponto de viragem foi a criação do primeiro ciclo metabólico. É um processo no qual um produto químico é convertido em vários outros produtos químicos até que o original seja finalmente recriado. No processo, todo o sistema acumula energia que pode ser usada para reiniciar o ciclo - e para outras coisas.
Tudo o mais que compõe um organismo moderno - DNA, células, cérebros - apareceu mais tarde, no topo desses ciclos químicos. Esses ciclos metabólicos têm pouca semelhança com a vida. Wachtershauser chamou sua invenção de "precursores de organismos" e escreveu que "dificilmente podem ser chamados de vivos".
Mas os ciclos metabólicos como os descritos por Wachtershauser estão no centro de toda a vida. Suas células são essencialmente fábricas químicas microscópicas, destilando constantemente uma substância em outra. Os ciclos metabólicos não podem ser chamados de vida, mas são fundamentais para a vida.
Durante as décadas de 1980 e 1990, Wachtershauser trabalhou nos detalhes de sua teoria. Ele descreveu quais minerais seriam mais adequados e quais ciclos químicos poderiam ocorrer. Suas ideias começaram a atrair adeptos.
Mas tudo isso era puramente teórico. Wachtershauser precisava de uma descoberta real para apoiar suas idéias. Felizmente, isso já havia sido feito dez anos antes.
Fontes no Pacífico
Em 1977, uma equipe liderada por Jack Corliss, da Oregon State University, mergulhou 2,5 quilômetros no Pacífico Leste. Eles estudaram as fontes termais de Galápagos em lugares onde altas cristas se erguiam do fundo do mar. Essas cristas eram vulcanicamente ativas.
Corliss descobriu que essas cristas eram literalmente pontilhadas de fontes termais. Água quente e rica em produtos químicos sobe do fundo do mar e flui por buracos nas rochas.
Incrivelmente, essas fontes hidrotermais eram densamente povoadas por animais estranhos. Havia enormes mariscos, mexilhões e anelídeos. A água também estava fortemente saturada de bactérias. Todos esses organismos viviam com a energia de fontes hidrotermais.
A descoberta dessas fontes deu um nome a Corliss. E isso me fez pensar. Em 1981, ele sugeriu que tais aberturas existiam na Terra há quatro bilhões de anos e que se tornaram o lugar de origem da vida. Ele dedicou a maior parte de sua carreira ao estudo desse assunto.
As fontes hidrotermais têm uma vida estranha
Corliss sugeriu que as fontes hidrotermais podem criar coquetéis de produtos químicos. Cada fonte, disse ele, era uma espécie de spray de caldo primordial.
À medida que a água quente fluía pelas rochas, o calor e a pressão faziam com que compostos orgânicos simples se fundissem em outros mais complexos, como aminoácidos, nucleotídeos e açúcares. Mais perto da fronteira com o oceano, onde a água não era tão quente, eles começaram a se ligar em cadeias - para formar carboidratos, proteínas e nucleotídeos como o DNA. Então, quando a água se aproximou do oceano e esfriou ainda mais, essas moléculas se reuniram em células simples.
Foi interessante, a teoria chamou a atenção das pessoas. Mas Stanley Miller, cujo experimento discutimos na primeira parte, não acreditou. Em 1988, ele escreveu que as aberturas profundas eram muito quentes.
Embora o calor intenso possa produzir substâncias químicas como aminoácidos, os experimentos de Miller mostraram que também pode destruí-los. Compostos básicos como açúcares "podiam sobreviver por alguns segundos, não mais." Além disso, é improvável que essas moléculas simples se liguem em cadeias, já que a água ao redor as quebraria instantaneamente.
Nesse estágio, o geólogo Mike Russell entrou na batalha. Ele acreditava que a teoria das fontes hidrotermais poderia ser bastante correta. Além disso, parecia-lhe que essas fontes seriam o lar ideal para os precursores do organismo Wachtershauser. Essa inspiração o levou a criar uma das teorias mais amplamente aceitas sobre as origens da vida.
Geólogo Michael Russell
A carreira de Russell teve muitas coisas interessantes - ele fez aspirina em busca de minerais valiosos - e em um incidente notável na década de 1960, coordenou a resposta a uma possível erupção vulcânica, apesar da falta de preparação. Mas ele estava mais interessado em como a superfície da Terra mudou ao longo das eras. Essa perspectiva geológica deu origem a suas idéias sobre a origem da vida.
Na década de 1980, ele encontrou evidências fósseis de um tipo menos turbulento de veia hidrotérmica, onde as temperaturas não ultrapassavam 150 graus Celsius. Essas temperaturas amenas, disse ele, podem permitir que as moléculas da vida vivam mais do que Miller pensava.
Além disso, os restos fósseis dessas aberturas "frias" continham algo estranho: o mineral pirita, composto de ferro e enxofre, havia se formado em tubos de 1 mm de diâmetro. Enquanto trabalhava no laboratório, Russell descobriu que a pirita também podia formar gotículas esféricas. E ele sugeriu que as primeiras moléculas orgânicas complexas poderiam ter se formado dentro dessas estruturas simples de pirita.
Pirita de ferro
Foi nessa época que Wachtershauser começou a publicar suas idéias, que eram baseadas no fluxo de água quente e quimicamente enriquecida fluindo através de minerais. Ele até sugeriu que a pirita estava envolvida.
Russell acrescentou dois mais dois. Ele sugeriu que as fontes hidrotermais profundas no mar, frias o suficiente para permitir a formação de estruturas de pirita, abrigavam precursores de organismos Wachtershauser. Se Russell estivesse certo, a vida começava no fundo do mar - e o metabolismo apareceu pela primeira vez.
Russell reuniu tudo isso em um artigo publicado em 1993, 40 anos após o experimento clássico de Miller. Não gerou o mesmo burburinho na mídia, mas era indiscutivelmente mais importante. Russell combinou duas ideias aparentemente distintas - os ciclos metabólicos Wachtershauser e as fontes hidrotermais de Corliss - em algo realmente atraente.
Russell até ofereceu uma explicação de como os primeiros organismos obtiveram sua energia. Ou seja, ele entendeu como seu metabolismo poderia funcionar. Sua ideia foi baseada no trabalho de um dos gênios esquecidos da ciência moderna.
Peter Mitchell, Prêmio Nobel
Na década de 1960, o bioquímico Peter Mitchell adoeceu e foi forçado a se aposentar da Universidade de Edimburgo. Em vez disso, ele montou um laboratório particular em uma propriedade remota na Cornualha. Isolado da comunidade científica, financiou seu trabalho com um rebanho de vacas leiteiras. Muitos bioquímicos, incluindo Leslie Orgel, cujo trabalho sobre RNA discutimos na parte dois, consideraram as idéias de Mitchell completamente ridículas.
Algumas décadas depois, Mitchell esperava uma vitória absoluta: o Prêmio Nobel de Química de 1978. Ele não se tornou famoso, mas suas idéias estão em todos os livros de biologia hoje. Mitchell passou sua carreira descobrindo o que os organismos fazem com a energia que obtêm dos alimentos. Basicamente, ele se perguntou como todos nós conseguimos nos manter vivos a cada segundo.
Ele sabia que todas as células armazenam sua energia em uma molécula: trifosfato de adenosina (ATP). Uma cadeia de três fosfatos é ligada à adenosina. Adicionar um terceiro fosfato requer muita energia, que é então bloqueada no ATP.
Quando uma célula precisa de energia - por exemplo, quando um músculo se contrai - ela quebra um terceiro fosfato em ATP. Isso converte ATP em adenosidifosfato (ADP) e libera a energia armazenada. Mitchell queria saber como uma célula produz ATP em geral. Como ele armazena energia suficiente no ADP para anexar o terceiro fosfato?
Mitchell sabia que a enzima que faz o ATP estava na membrana. Portanto, presumi que a célula bombeia partículas carregadas (prótons) através da membrana, de modo que muitos prótons estão de um lado, mas não do outro.
Os prótons, então, tentam vazar de volta através da membrana para equilibrar o número de prótons em cada lado - mas o único lugar por onde eles podem passar é a enzima. O fluxo de prótons em fluxo, portanto, fornecia à enzima a energia necessária para criar o ATP.
Mitchell apresentou sua ideia pela primeira vez em 1961. Ele passou os próximos 15 anos defendendo-a de todos os lados, até que as evidências se tornaram irrefutáveis. Agora sabemos que o processo Mitchell é usado por todos os seres vivos na Terra. Agora mesmo, está fluindo em suas células. Como o DNA, está subjacente à vida que conhecemos.
Russell emprestou de Mitchell a ideia de um gradiente de prótons: há muitos prótons de um lado da membrana e poucos do outro. Todas as células precisam de um gradiente de prótons para armazenar energia.
As células modernas criam gradientes bombeando prótons através das membranas, mas isso requer um mecanismo molecular complexo que simplesmente não poderia aparecer por conta própria. Então, Russell deu outro passo lógico: a vida teve que se formar em algum lugar com um gradiente natural de prótons.
Por exemplo, em algum lugar perto de fontes hidrotermais. Mas deve ser um tipo especial de fonte. Quando a Terra era jovem, os mares eram ácidos e havia muitos prótons na água ácida. Para criar um gradiente de prótons, a água da fonte deve ser baixa em prótons: deve ser alcalina.
As fontes de Corliss não se encaixavam. Não só estavam muito quentes, como também azedas. Mas em 2000, Deborah Kelly, da Universidade de Washington, descobriu as primeiras fontes alcalinas.
Cidade perdida
Kelly teve que trabalhar muito para se tornar uma cientista. Seu pai morreu enquanto ela estava terminando o ensino médio e ela foi forçada a trabalhar para continuar na faculdade. Mas ela enfrentou e escolheu vulcões subaquáticos e fontes hidrotermais quentes como o assunto de seu interesse. Este casal a trouxe para o centro do Oceano Atlântico. Nesse ponto, a crosta terrestre se rachou e um cume de montanhas se ergueu do fundo do mar.
Nesta crista, Kelly descobriu um campo de fontes hidrotermais, que ela chamou de "A Cidade Perdida". Eles não se pareciam com os encontrados por Corliss. A água fluía deles a uma temperatura de 40-75 graus Celsius e era ligeiramente alcalina. Os minerais carbonáticos dessa água se aglomeraram em "colunas de fumaça" brancas e íngremes que subiram do fundo do mar como tubos de órgão. Eles parecem assustadores e fantasmagóricos, mas não são: eles são o lar de muitos microorganismos.
Essas aberturas alcalinas se encaixam perfeitamente nas idéias de Russell. Ele acreditava firmemente que a vida apareceu nessas “cidades perdidas”. Mas havia um problema. Como geólogo, ele não sabia muito sobre células biológicas para apresentar sua teoria de forma convincente.
Uma coluna de fumaça da "sala negra de fumantes"
Então, Russell se juntou ao biólogo William Martin. Em 2003, eles apresentaram uma versão aprimorada das ideias anteriores de Russell. E esta é provavelmente a melhor teoria do surgimento da vida no momento.
Graças a Kelly, eles agora sabiam que as rochas das fontes alcalinas eram porosas: elas eram pontilhadas com minúsculos orifícios cheios de água. Esses bolsos minúsculos, sugeriram eles, agiam como "células". Cada bolsa continha produtos químicos básicos, incluindo pirita. Combinado com o gradiente natural de prótons das fontes, eles eram o lugar perfeito para iniciar o metabolismo.
Depois que a vida aprendeu a aproveitar a energia das águas de nascente, afirmam Russell e Martin, ela começou a criar moléculas como o RNA. No final, ela criou uma membrana para si mesma e se tornou uma célula real, escapando da rocha porosa para o mar aberto.
Tal enredo é atualmente considerado uma das principais hipóteses sobre a origem da vida.
Células fogem de fontes hidrotermais
Em julho de 2016, ele ganhou apoio quando Martin publicou um estudo reconstruindo alguns dos detalhes do "último ancestral comum universal" (LUCA). É um organismo que viveu há bilhões de anos e do qual se originou toda a vida existente.
É improvável que algum dia encontremos evidências fossilizadas diretas da existência desse organismo, mas, no entanto, podemos muito bem fazer suposições fundamentadas sobre sua aparência e o que estava fazendo ao estudar os microrganismos de nossos dias. Isso é o que Martin fez.
Ele examinou o DNA de microrganismos modernos de 1930 e identificou 355 genes que quase todo mundo tinha. Esta é uma evidência convincente da transferência desses 355 genes, através de gerações e gerações, de um ancestral comum - na época em que o último ancestral comum universal viveu.
Esses 355 genes ativam alguns para usar o gradiente de prótons, mas não para gerá-lo, como Russell e Martin previram. Além do mais, o LUCA parece ter sido adaptado à presença de produtos químicos como o metano, sugerindo que ele habitava um ambiente semelhante a um respiradouro vulcanicamente ativo.
Os proponentes da hipótese do "mundo do RNA" apontam para dois problemas com essa teoria. Um pode ser consertado; o outro pode ser fatal.
Nascentes hidrotermais
O primeiro problema é que não há evidências experimentais dos processos descritos por Russell e Martin. Eles têm um histórico passo a passo, mas nenhuma dessas etapas foi observada em laboratório.
“As pessoas que acreditam que tudo começou com a reprodução estão constantemente encontrando novos dados experimentais”, diz Armen Mulkidzhanyan. "Pessoas que defendem o metabolismo não."
Mas isso pode mudar, graças ao colega de Martin, Nick Lane, da University College London. Ele construiu um "Reator de Origem da Vida" que simula as condições dentro de uma fonte alcalina. Ele espera ver ciclos metabólicos e talvez até moléculas como o RNA. Mas é muito cedo.
O segundo problema é a localização das fontes no fundo do mar. Como Miller observou em 1988, moléculas de cadeia longa como RNA e proteínas não podem se formar na água sem enzimas auxiliares.
Para muitos cientistas, este é um argumento fatal. “Se você for bom em química, não será subornado com a ideia de nascentes em águas profundas, porque sabe que a química de todas essas moléculas é incompatível com a água”, diz Mulkidzhanian.
No entanto, Russell e seus aliados permanecem otimistas.
Foi apenas na última década que uma terceira abordagem veio à tona, apoiada por uma série de experimentos incomuns. Ele promete algo que nem o mundo do RNA nem as fontes hidrotermais foram capazes de alcançar: uma maneira de criar uma célula inteira do zero. Mais sobre isso na próxima parte.
ILYA KHEL
- Parte um: como fazer uma gaiola -
- Parte dois: Uma divisão nas fileiras dos cientistas -
- Parte três: em busca do primeiro replicador -
- Parte cinco: então como você cria uma célula? -
- Parte Seis: A Grande Unificação -
