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quarta-feira, 30 de dezembro de 2020

Qual é a receita da vida?

Pare por um momento de reflexão: pense em seus olhos lendo isto, seu cérebro assimilando a leitura, ao mesmo tempo que seu corpo queima energia para alimentar estes órgãos. Pergunte-se: como surgiu esta máquina bioquímica complexa e viva? É uma pergunta profunda que tem impulsionado os cientistas por séculos. Charles Darwin respondeu parcialmente a ela com sua teoria da evolução, detalhando como cada espécie emergiu de uma anterior.


Se você traçar a evolução de volta suficientemente longe, deve ter havido um tempo em que as próprias células surgiram pela primeira vez - a origem da vida, que aconteceu há mais de 4 bilhões de anos. Hoje, os pesquisadores estão tentando resolver o enigma de exatamente como isso aconteceu, mas como foi há muito tempo, isso é muito difícil. 

Ilustração que retrata a formação de protocélulas na história inicial de vida na Terra | Créditos Richard Bizley/Science Photo Library

A comparação das formas de vida modernas na Terra fornece um argumento poderoso para a forma como a vida se originou. Nós, humanos, somos parecidos com árvores, insetos, bactérias e todas as outras formas de vida de três formas importantes. 

Primeiro, todas as espécies utilizam moléculas semelhantes para transmitir informações genéticas: ácido ribonucleico (RNA) e ácido desoxirribonucleico (DNA). Em segundo lugar, as células de espécies diferentes parecem mais ou menos semelhantes - mesmo organismos unicelulares compartilham características com as células de organismos maiores. E terceiro, a forma como todas as células obtêm a energia necessária para seus processos bioquímicos através do metabolismo é muito semelhante. Este argumento leva à ideia de que três fatores-chave eram necessários para o desenvolvimento da vida na Terra: ácidos nucleicos (RNA e/ou DNA); uma membrana, um compartimento ou alguma forma de conter o conteúdo da célula; e o metabolismo.

A árvore filogenética dos seres vivos nos mostra que todos os seres vivos em algum momento evolutivo tiveram um ancestral em comum no passado, e que todos os seres vivos existentes e que já existiram compartilham características comuns. 

Os pesquisadores continuamente oferecem novas ideias sobre como a vida poderia ter se originado, mas uma grande causa de argumentos tem sido a questão de qual dos três fatores-chave surgiu primeiro. Mais recentemente, porém, surgiu uma nova ideia que poderia resolver esse argumento: e se todos os três surgissem ao mesmo tempo?


Os primeiros experimentos com a Terra

Já sabemos há algum tempo que moléculas orgânicas podem ser produzidas sob o tipo de condições que poderiam ter sido encontradas no início da Terra. O primeiro passo mais famoso para entender como surgiu a vida é a experiência de Stanley Miller e Harold Urey (Miller e Urey, 1953). A queima de faíscas elétricas em frascos contendo água, amônia, metano e hidrogênio produziu algumas substâncias orgânicas, incluindo aminoácidos. No entanto, isto não explicou muitos aspectos do surgimento da vida, porque não produziu outras moléculas biológicas importantes, tais como ácidos nucléicos.

Esquema do experimento de Miller e Urey

No início dos anos 80, Tom Cech e Sidney Altman fizeram a descoberta, premiada com o Nobel, de enzimas feitas de RNA, chamadas ribozimas. Como o RNA pode codificar informações genéticas e os ribozimas podem manipulá-las, os cientistas sugeriram que o RNA permitia a vida por si só, antes que os outros fatores existissem. Esta ideia é conhecida como a hipótese do 'RNA-primeiro'.

John Sutherland, que agora trabalha no Laboratório de Biologia Molecular do Conselho de Pesquisa Médica (MRC) em Cambridge, Reino Unido, está entre aqueles que encontraram evidências aparentemente apoiando um caso de RNA-primeiro. Em 2009, sua equipe mostrou como um ribonucleotídeo poderia se formar sob condições que poderiam ter existido no início da Terra (Powner et al., 2009).

A equipe de Sutherland então procurou uma maneira melhor de fazer açúcares ribonucleotídeos. Os pesquisadores haviam mostrado que eles podiam ser feitos a partir de formaldeído, mas este caminho era "realmente confuso e difícil", observa Sutherland. Sua equipe explorou uma rota alternativa usando apenas cianeto de hidrogênio, sulfeto de hidrogênio e luz ultravioleta. Além de fabricar os açúcares ribose, eles produziram mais de 50 moléculas diferentes, incluindo algumas que poderiam ajudar a fabricar aminoácidos - que poderiam se reunir para fazer as proteínas que formam a estrutura física e a maquinaria enzimática das células vivas. Fazer açúcares e aminoácidos juntos é um avanço importante, pois as células de hoje quebram os açúcares no metabolismo para obter a energia que necessitam (Ritson & Sutherland, 2013).

Em 2015, a equipe da MRC mostrou que o mesmo sistema químico leva a moléculas lipídicas que podem formar as paredes externas das células, definindo sua forma (Patel et al., 2015). E o sistema também tem semelhanças com o próprio metabolismo. "Ele está consumindo moléculas pequenas e fazendo moléculas maiores", diz Sutherland. "Ele sugere que todos os subsistemas poderiam ter surgido ao mesmo tempo".

Em seguida, Sutherland e seus colegas publicaram um estudo em 2019 sugerindo que o RNA e o DNA poderiam ter surgido ao mesmo tempo, desafiando assim ainda mais a hipótese do RNA-primeira (Xu et al., 2019).

Ilustração mostrando uma protocélula em evolução. Os ácidos graxos (moléculas azuis com cabeças esféricas) formam uma membrana externa. | Créditos: Henning Dalhoff/Science Photo Library


Lugares de origem

Como Sutherland, Frances Westall, do Centro de Biofísica Molecular de Orleans, França, vê os três fatores-chave para a vida como tendo surgido por sorte ao mesmo tempo. Sua opinião é que as reações responsáveis teriam acontecido nas superfícies dos minerais. Os químicos de seu grupo falam de uma 'protocélula', com maquinaria metabólica e RNA contidos em uma minúscula bolsa de minerais. Eventualmente, moléculas lipídicas teriam formado uma parede externa dentro da bolsa, dando às células a forma que reconhecemos hoje. "Dependendo do ambiente", diz Westall, "concentrações de lipídios, proteínas e RNA em matrizes minerais porosas se reuniriam para formar uma célula com uma membrana".

Westall e outros estão procurando o local onde surgiu a vida, estudando poros minerais em aberturas de fumarolas em alto mar que expelem fluido alcalino quente. Sua equipe encontrou possíveis exemplos nas rochas sul-africanas (Westall et al., 2018). "Embora as temperaturas no respiradouro possam ser superiores a 300°C, muito quentes para preservar proteínas e outras moléculas essenciais, a água do mar externa é de 2°C", diz Westall. O gradiente de temperatura impulsiona um fluxo de água que ajuda a mover os compostos, e também pode ajudar a fornecer uma força motriz para o metabolismo. Como explica Westall, "os edifícios de fumarolas estão cheios de minerais reduzidos que podem ser oxidados para fornecer energia para reações prebióticas e superfícies para concentrar os orgânicos, assim como várias combinações e formações estruturais". Outros pesquisadores também sugeriram que, em tais ambientes, as bombas de íons celulares - proteínas que regulam o fluxo de íons através das membranas celulares - poderiam ter evoluído (Lane & Martin, 2012).

Evidências das primeiras formas de vida da Terra foram encontradas em respiradouros hidrotermais. | Crédito NOAA/Wikimedia Commons, domínio público

No entanto, a busca de lugares com a química correta e a energia para impulsionar o metabolismo e permitir a formação de células também inclui locais como áreas vulcânicas costeiras, jangadas de pedra-pomes flutuando no oceano, e gêiseres. Uma ideia mais especulativa acrescenta meteoritos a esta lista: em 2014, rochas da cratera Ries de 24 km de largura no sul da Alemanha, que se formaram a partir de um impacto de meteorito há cerca de 14,6 milhões de anos, foram encontradas contendo formações microscópicas em forma de túbulos, que foram ligadas à atividade biológica (Sapers et al., 2014). Os túbulos são semelhantes a vestígios fósseis de micróbios encontrados no vidro vulcânico, sugerindo que a água que circula dentro das rochas poderia ter permitido que os micróbios os colonizassem. Alguns pesquisadores sugeriram, portanto, que túbulos similares, formados bilhões de anos antes pelos impactos de meteoritos, poderiam ter oferecido um habitat viável para as primeiras formas de vida.


Ciência inusitada

Westall compara a combinação dos diferentes elementos necessários para a origem da vida com o desenvolvimento de receitas de culinária. "Se você quer obter o bolo perfeito, você tem que usar exatamente a quantidade certa de ingredientes específicos e a temperatura e o tempo de cozimento adequados", diz ela. "Por outro lado, se você tiver vontade de experimentar, você muda os ingredientes, as quantidades, a temperatura e o tempo - e vê o que sai".

A ideia dos três fatores críticos para a vida que surgem de uma só vez exige algo mais como a segunda abordagem, acredita Westall, e é um tipo incomum de ciência. "Tentar fazer os experimentos em um cenário realista onde você simplesmente se fixa em todos os ingredientes em um contexto que não pode ser controlado, ele simplesmente corre por si só, é realmente assustador para os químicos", diz ela. "Se algo interessante acontece, é mais difícil descobrir o quê e por quê. Mas este é o caminho a seguir agora".


Fonte:

Baseado na publicação de Scienceinschool
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