Hipóteses sobre a origem da vida

 Pontos Principais:

• A terra se formou há cerca de $4,5$4, comma, 5 bilhões de anos e a vida  provavelmente começou entre $3,5$3, comma, 5 a $3,9$3, comma, 9 bilhões de anos atrás.
• A Hipótese de Oparin-Haldane sugere que a vida surgiu gradualmente a partir de moléculas inorgânicas, com "blocos de construção" como os aminoácidos se formando primeiro e então combinando-se para formar polímeros mais complexos.
• O experimento de Miller-Urey forneceu a primeira evidência de que moléculas orgânicas necessárias à vida poderiam ser formadas a partir de componentes inorgânicos.
• Alguns cientistas apoiam a hipótese do mundo de RNA, que sugere que a primeira vida foi um RNA auto-replicativo. Outros apoiam a hipótese do metabolismo primordial, colocando as redes metabólicas antes do DNA e do RNA.
• Componentes orgânicos simples podem ter vindo para Terra primitiva em meteoritos.

Introdução

Se existisse outra vida(Abre em uma nova janela) lá fora no universo, o quão parecida com a vida na Terra você acha que ela seria? Ela usaria DNA como material genético, como você e eu? Ela seria feita de células?

Nós podemos apenas especular sobre essas questões, uma vez que ainda não encontramos nenhuma forma de vida que vêm de fora da Terra. Mas nós podemos pensar de uma forma mais informada se a vida pode existir em outros planetas (e sob quais condições), considerando como a vida pode ter surgido aqui em nosso planeta.

Nesse artigo, examinaremos ideias científicas sobre a origem da vida na Terra. O quando da origem da vida ($3,5$3, comma, 5 bilhões de anos atrás ou mais) é bem fundamentado pelos fósseis e datação radiométrica. Mas o como é muito menos compreendido. Em comparação ao dogma central ou a teoria da evolução, as hipóteses sobra a origem da vida são muito mais... hipotéticas. Ninguém tem certeza de qual hipótese está correta - ou se a hipótese correta ainda está por aí, esperando para ser descoberta.

Quando a vida surgiu na Terra?

Geólogos estimam que a Terra se formou $4,5$4, comma, 5 bilhões de anos atrás. Essa estimativa foi feita a partir de medidas das idades das rochas mais antigas na Terra, bem como a idade de rochas lunares e meteoritos, por datação radiométrica(Abre em uma nova janela) (na qual o decaimento de isótopos radioativos(Abre em uma nova janela) é usado para calcular o tempo desde a formação de uma rocha).

Por muitos milhões de anos, a Terra primitiva foi atingida por asteroides e outros objetos celestiais. As temperaturas também costumavam ser bem altas (com a água em estado gasoso, não líquido). A primeira vida deve ter surgido durante um intervalo do bombardeamento de asteroides, entre $4,4$4, comma, 4 e $4,0$4, comma, 0 bilhões de anos atrás, quando era frio o suficiente para a água condensar nos oceanos${}^1$start superscript, 1, end superscript. Entretanto, um segundo bombardeio aconteceu aproximadamente a $3,9$3, comma, 9 bilhões de anos atrás. É provável que após o final dessa rodada a Terra se tornou capaz de sustentar a vida.

A primeira evidência fóssil da vida

As primeiras evidências da vida na Terra vem de fósseis descobertos na Austrália Ocidental, que datam de aproximadamente $3,5$3, comma, 5 bilhões de anos atrás. Esses fósseis são estruturas conhecidas como estromatólitos, que são, em muitos casos, formados pelo crescimento de camadas sobre camadas de micróbios unicelulares, como as cianobactérias (Estromatólitos são também feitos por micróbios atuais, não apenas pelos pré-históricos).

Crédito da imgem: "Estromatólito(Abre em uma nova janela)," por Didier Descouens, CC BY-SA 4.0(Abre em uma nova janela).

Os fósseis mais antigos dos próprios micróbios, não apenas o de seus subprodutos, preservam os restos do que os cientistas pensam que são as bactérias metabolizadoras de enxofre. Os fósseis também são encontrados na Austrália e datam de aproximadamente $3,4$3, comma, 4 bilhões de anos atrás${}^2$square.

As bactérias são relativamente complexas, sugerindo que a vida provavelmente começou há um bom tempo antes dos $3,5$3, comma, 5 bilhões de anos atrás. Entretanto, a falta de evidências fósseis anteriores torna a identificação da origem da vida difícil (se não impossível).

Como a vida pode ter surgido?

Nos anos 1920, o cientista russo Aleksandr Oparin e o cientista inglês J. B. S. Haldane propuseram separadamente o que hoje é chamado de Hipótese Oparin-Haldane : que a vida na Terra pode ter surgido gradativamente a partir de matéria não viva, através de um processo de ""evolução química gradual"${}^3$cubed

Oparin e Haldane pensaram que a Terra primitiva tinha uma atmosfera reduzida, o que significa uma atmosfera pobre em oxigênio na qual moléculas tendem a doar elétrons. Sob tais condições, eles sugeriram que:

• Moléculas inorgânicas simples poderiam ter reagido (com energia fornecida pelo sol ou relâmpagos) e formado blocos de construção como os aminoácidos e nucleotídeos, que poderiam ter acumulado nos oceanos, formando uma "sopa primordial".${}^3$cubed
• Os blocos de construção poderiam ter se combinado em outras reações, formando moléculas mais complexas e maiores (os polímeros), como as proteínas e os ácidos nucleicos, talvez dentro de poças à beira d'água.
• Os polímeros podem ter se organizado em unidades ou estruturas que eram capazes de se sustentar e auto-replicar. Oparin pensou que essas poderiam ser "colônias" de proteínas agregadas para realizar metabolismo, enquanto Haldane sugeriu que as macromoléculas se tornaram encapsuladas por membranas para formar estruturas parecidas com as células${}^{4,5}$start superscript, 4, comma, 5, end superscript.

Os detalhes desse modelo provavelmente não estão corretos. Por exemplo, os geologistas atualmente pensam que a atmosfera primitiva não era redutora e não está claro se as poças a beira-mar são locais prováveis para o surgimento da primeira vida. Mas a ideia básica - uma formação gradual, espontânea de moléculas biológicas ou agregados auto-sustentáveis simples e depois mais complexos - ainda está no centro da maioria das hipóteses da origem da vida, hoje em dia.

De compostos inorgânicos a blocos de construção

Em 1953, Stanley Miller e Harold Urey fizeram um experimento para testar as ideias de Oparin e Haldane. Eles descobriram que moléculas orgânicas poderiam ser produzidas espontaneamente sob condições redutoras, que considera-se que se assemelhem às condições da Terra primitiva.

Miller e Urey construíram um sistema fechado contendo água aquecida e uma mistura de gases que se julgava serem abundantes na atmosfera da Terra primitiva (${\text{H}}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript$\text{O}$start text, O, end text, ${\text{NH}}_3$start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript, ${\text{CH}}_4$start text, C, H, end text, start subscript, 4, end subscript, e ${\text{H}}_2$start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript). Para simular os relâmpagos que poderiam ter fornecido a energia para as reações químicas na atmosfera da Terra primitiva, Miller e Urey enviaram descargas elétricas através do sistema experimental.

Representação em desenho do aparato usado por Miller e Urey para simular as condições da Terra primitiva.

Crédito da imagem: "Experimento de Miller e Urey(Abre em uma nova janela)," por CK-12 Foundation, CC BY-NC 3.0(Abre em uma nova janela).

Após deixar o experimento funcionar durante uma semana, Miller e Urey observaram que diversos tipos de aminoácidos, açúcares, lipídios e outras moléculas orgânicas tinham se formado. Moléculas grandes e complexas como DNA e proteínas não tinham se formado, mas o experimento de Miller-Urey mostrou que pelo menos alguns dos blocos de construção dessas moléculas poderiam se formar espontaneamente a partir de compostos simples.

Os resultados de Miller e User foram significativos?

Cientistas agora acreditam que a atmosfera da Terra primitiva era diferente daquela da configuração de Miller e Urey (ou seja, não redutora e não rica em amônia e metano)${}^{6,7}$start superscript, 6, comma, 7, end superscript. Então, é duvidoso que Miller e Urey tenham feito uma simulação precisa das condições da Terra primitiva.

Entretanto, a variedade de experimentos feitos nos anos seguintes mostraram que os blocos de construção orgânicos (especialmente aminoácidos) podem se formar a partir de precursores inorgânicos sob uma ampla variedade de condições${}^8$start superscript, 8, end superscri

A partir desses experimentos, parece razoável imaginar que pelo menos alguns dos blocos de construção da vida poderiam ter se formado abioticamente nos primórdios da Terra. Entretanto, exatamente como (e sob quais condições) ainda é uma questão aberta.

De blocos de construção a polímeros

Como os monômeros (blocos de construção) como os aminoácidos e os nucleotídeos poderiam ter se organizado em polímeros, ou macromoléculas biológicas de fato, nos primórdios da Terra? Nas células, hoje em dia, polímeros são unidos pela ação de enzimas. Mas, uma vez que as próprias enzimas são polímeros, esse é um problema tipo o do ovo e da galinha!

Os monômeros podem ter sido capazes de formar polímeros espontaneamente sob as condições encontradas na Terra primitiva. Por exemplo, nos anos 50, o bioquímico Sidney Fox e seus colaboradores descobriram que se os aminoácidos fosse aquecidos na ausência de água, eles se ligariam para formar proteínas${}^{10}$start superscript, 10, end superscript. Fox sugeriu que, na Terra primitiva, água do oceano carregando aminoácidos poderia ter se esparramado em uma superfície quente como um fluxo de lava, fervendo a água e deixando para trás uma proteína.

Crédito da imagem: "Kusový montmorillonit

(Abre em uma nova janela)

," por Jan Kameníček, CC BY-SA 3.0

(Abre em uma nova janela)

Experimentos adicionais nos anos 90 mostraram que nucleotídeos de RNA poderiam se unir quando expostos à uma superfície argilosa${}^{11}$start superscript, 11, end superscript. A argila atua como um catalizador para formar um polímero de RNA. Mais amplamente, argila e outras superfícies minerais podem ter tido um papel fundamental na formação de polímeros, atuando como suporte ou catalizadores. Os polímeros boiando em solução podem ter sido hidrolisados (quebrados) rapidamente, apoiando assim um modelo de formação de polímeros a partir de uma superfície${}^{12}$start superscript, 12, end superscript.

A imagem acima apresenta uma amostra de um tipo de argila conhecido como montmorilonita. A montmorilonita em particular tem propriedades catalíticas e organizadoras que podem ter sido importantes para a origem da vida, tais como a habilidade de catalizar a formação de polímeros de RNA (e também de agregar vesículas lipídicas semelhantes a células)${}^{13}$start superscript, 13, end superscript.

Qual era a natureza da vida primitiva?

Se imaginarmos que os polímeros foram capazes de se formar nos primórdios da Terra, isso ainda nos deixa com a questão de como os polímeros teriam se tornado auto-replicativos ou capazes de se auto-perpetuar, cumprindo os critérios mais básicos da vida. Essa é uma área em que há muitas ideias, mas pouca certeza sobre a resposta correta.

A hipótese de "genes primeiro"

Uma possibilidade é que as primeiras formas de vida eram ácidos nucleicos auto-replicativos, como o RNA ou DNA e que outros elementos (como as redes metabólicas) foram adicionadas depois à esse sistema básico. Isso é chamado a hipótese de genes primeiro${}^{14}$start superscript, 14, end superscrip.

Muitos cientistas que apoiam essa hipótese pensam que o RNA, não o DNA, foi o primeiro material genético. Isso é conhecido como a hipótese do mundo de RNA. Os cientistas favorecem o RNA sobre o DNA como a primeira molécula genética por diversas razões. Talvez a mais importante é que o RNA pode, além de carregar informação, atuar como catalizador. Por outro lado, não conhecemos nenhuma molécula de DNA de ocorrência natural que seja catalizadora${}^{15,16}$start superscript, 15, comma, 16, end superscri

Os RNAs catalizadores são chamados de ribozimas e eles podem ter desempenhado papeis-chave no mundo de RNA. Um RNA catalítico poderia potencialmente catalizar uma reação química para copiar a si mesmo. Um RNA auto-replicativo como este poderia transmitir material genético de geração para geração, preenchendo o critério mais básico para a vida e, potencialmente, evoluir. De fato, pesquisadores têm sido capazes de produzir sinteticamente pequenas ribozimas capazes de auto-replicação.

É também possível que o RNA não tenha sido a primeira molécula carregadora de informação a servir como material genético. Alguns cientistas acreditam que uma molécula ainda mais simples, semelhante ao RNA, com capacidades catalítica e de transporte de informação possa ter surgido primeiro, e ter catalizado ou servido de molde para a síntese do RNA. Isto algumas vezes chamado de hipótese do "mundo de pré-RNA"${}^{17}$start superscript, 17, end superscript.

A hipótese de "metabolismo primeiro"

Uma alternativa à hipótese de genes primeiro é a hipótese do metabolismo primeiro, que sugere que redes auto-sustentáveis de reações metabólicas podem ter sido o primeiro tipo de vida simples (precedendo os ácidos nucleicos)${}^{14,18}$start superscript, 14, comma, 18, end superscript.

Essas redes podem ter se formado, por exemplo, próximo a respiradouros hidrotermais submarinos que forneceram um suprimento contínuo de precursores químicos, e podem ter sido auto-sustentáveis e persistentes (satisfazendo os critérios básicos da vida). Nesse cenário, caminhos inicialmente simples podem ter produzido moléculas que atuaram como catalizadoras para a formação de moléculas mais complexas${}^{18}$start superscript, 18, end superscript. Eventualmente, as redes metabólicas podem ter sido capazes de construir moléculas grandes como as proteínas e ácidos nucleicos. A formação de "indivíduos" encapsulados por membranas (separados de uma rede comum) teria sido o último passo)${}^{14}$start superscript, 14, end superscript.

Como deve ter sido a aparência das células primitivas?

Uma propriedade básica da célula é a habilidade de manter um ambiente interno diferente do ambiente que a cerca. As células atuais são separadas do ambiente por uma bicamada de fosfolipídio. É improvável que os fosfolipídios estivessem presentes sob as condições em que as primeiras células se formaram, mas têm sido mostrado que outros tipos de lipídios (aqueles que mais provavelmente estariam disponíveis) formam espontaneamente compartimentos de bicamadas${}^{19}$start superscript, 19, end superscript.

No princípio, esse tipo de compartimento poderia circundar uma ribozima auto-replicante ou os componentes de uma via metabólica, formando uma célula muito básica. Apesar de intrigante, esse tipo de ideia não é ainda sustentado por evidências experimentais - ou seja, nenhum experimento foi capaz ainda de gerar espontaneamente uma célula auto-replicante a partir de componentes abióticos (não vivos).

Outra possibilidade: Moléculas orgânicas do espaço sideral

Moléculas orgânicas podem ter se formado espontaneamente a partir de moléculas inorgânicas nos primórdios da Terra à la Miller-Urey. Mas elas poderiam ter vindo do espaço sideral?

A ideia de que moléculas orgânicas poderiam ter viajado para a Terra em meteoritos pode soar como ficção científica, mas ela é sustentada por evidências razoáveis. Por exemplo, cientistas descobriram que moléculas orgânicas podem ser produzidas a partir de precursores químicos simples presentes no espaço, sob condições que poderiam existir no espaço (alta irradiação UV e baixa temperatura)${}^{20}$start superscript, 20, end superscript. Também sabemos que alguns compostos orgânicos são encontrados no espaço e em outros sistemas solares.

Mais importante, vários meteoritos revelaram conter compostos orgânicos (derivados do espaço, não da Terra). Um meteorito, ALH84001, veio de Marte e continha moléculas orgânicas com múltiplas estruturas em forma de anel. Outro meteorito, o meteorito Murchison, carregava bases nitrogenadas (como aquelas encontradas em DNA e RNA), bem como uma ampla variedade de aminoácidos.

Crédito da imagem "meteorito ALH84001, em exposição no Museu de História Natural Smithsonian(Abre em uma nova janela)," por J. L. Stuby, CC BY-SA 3.0(Abre em uma nova janela).

Um meteorito que caiu em 2000 no Canadá continha minúsculas estruturas orgânicas apelidadas de "glóbulos orgânicos". Cientistas da NASA acreditam que esse tipo de meteorito poderia cair frequentemente na Terra, durante a história primitiva do planeta, semeando-o com compostos orgânicos${}^{21}$start superscript, 21, end superscrip

Resumo

Como a vida se originou em nosso planeta é uma questão ao mesmo tempo fascinante e incrivelmente complexa. Nós sabemos mais ou menos quando a vida começou, mas como ainda é um mistério.

• Miller, Urey e outros mostraram que moléculas inorgânicas simples poderiam se combinar para formar blocos de construção orgânicos necessários à vida como a conhecemos.
• Uma vez formados, esses blocos de construção poderiam ter se unido para formar polímeros como as proteínas ou o RNA.
• Muitos cientistas apoiam a hipótese do mundo de RNA, em que o RNA, não o DNA, foi a primeira molécula genética da vida na Terra. Outras ideias incluem a hipótese do mundo de pré-RNA e a hipótese do metabolismo primeiro.
• Compostos orgânicos poderiam ter sido enviados à Terra primitiva por meteoritos e outros objetos celestiais.

Estas não são as únicas ideias científicas sobre como a vida pode ter se originado, nem nenhuma delas é conclusiva. Mantenha seus ouvidos (e mente) abertos à medida que novas informações se tornam disponíveis e novas ideias científicas são propostas em relação à orgiem da vida.

FONTE

https://pt.khanacademy.org/