Origem da Vida
Definições
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“Um ser vivo é qualquer sistema químico
com capacidades evolutivas ilimitadas.”
(Peretó)
“Sistema químico auto-sustentável capaz de
evolução darwiniana.” (Cientistas da Nasa)
Definições
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“Um membro da classe de fenômenos que são
abertos ou sistemas contínuos capazes de
diminuir sua entropia interna às expensas de
substâncias ou de energia livre tirada do
ambiente e subsequentemente rejeitada em
uma forma degradada.” (John Bernal, Erwin
Schrödinger, Eugene Wigner, John Avery)
“Não existe nenhuma definição com a qual eu
concorde.” (Radu Popa)
Teorias sobre a Origem da Vida
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No início do séc. XIX muitos ainda acreditavam
na origem espontânea da vida. Na década de
1860 , Louis Pasteur demonstrou que vida
provém de vida.
Em 1924, Oparin publicou seu livro The Origin of
Life onde propôs que a vida começou por meio
de sucessiva acumulação de cada vez mais
complicadas populações moleculares dentro de
gotículas de um coacervado.
Teorias sobre a Origem da Vida
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Em 1953, Miller realizou um experimento que
simulava a atmosfera primitiva, bastante
redutora, com hidrogênio, metano, amônia e
vapor de água, os quais passando por
descargas elétricas produziam aminoácidos.
Estes aminoácidos tinham de ser retirados
de onde eram produzidos para não serem
degradados.
Teorias sobre a Origem da Vida
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Hoje acredita-se que a atmosfera primitiva
fosse neutra. Se houvesse sido redutora,
teria desaparecido por ocasião do
bombardeamento da Terra p/ meteoritos há
cerca de 3,8 eons. Rochas sedimentares
datadas deste tempo, compostas de
carbonatos e formas oxidadas de ferro, não
poderiam ter-se formado sob condições
redutoras.
Teorias sobre a Origem da Vida
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Outra evidência seria a raridade de gases
inertes como neon na atmosfera da Terra. O
neon é muito abundante no Universo e em
nuvens como a que teria formado a Terra. Se a
atmosfera houvesse sido redutora, quando se
tornou neutra o neon teria permanecido e seria
tão abundante quanto o nitrogênio.
Teorias sobre a Origem da Vida
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A “teoria” de Oparin sobre a origem da vida
foi popular entre os cientistas por cerca de
meio século, conforme Dyson, “não porque
houvesse qualquer evidência para apoiá-la,
mas, antes, porque ela parecia ser a única
alternativa para o criacionismo bíblico”.
Teorias sobre a Origem da Vida
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Existem hoje, basicamente, duas hipóteses
para a origem da vida através da evolução
química das moléculas: origem através da
replicação e origem metabólica.
Origem através da Replicação
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Até o final da déc. de 1960 dilema: quem surgiu
primeiro, proteínas ou DNA?
Déc. de 1960, Carl Woese, Francis Crick e
Leslie Orgel: moléculas de RNA além da função
informacional, função enzimática.
Déc. de 1970, Harold White III: vida primitiva
baseada em RNA.
Déc. De 1980: Thomas R. Cech e Sidney
Altman: ribozimas.
Células: Compõem os organismos, tamanhos e formas variadas.
Replicação, transcrição e tradução do DNA
O Sonho do Biólogo Molecular
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Bases nucleosídicas + açúcares → reações
prebióticas
Nucleotídeos (bases, açúcares, fosfatos) →
acumularam em pequena poça
Mineral catalisador (montmorilonita) catalisaria
formação de polinucleotídeos
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Riboenzima
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Seleção Natural
Problemas do “Sonho”
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Joyce (2002) : taxa de formação X taxa de
degradação
Produção de açúcar (ribose) purinas (adenina e
guanina) e pirimidinas (citosina e uracil) é
ineficiente.
Síntese de nucleosídeos: de adenina um
produto menor, de citosina a partir de
improvável molécula prebiótica.
Fosforilação de nucleosídeos → mistura
complexa de mono e polifosfatos isoméricos.
Problemas do “Sonho”
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Polimerização de nucleotídeos → produtos com
ligações fosfodiéster mistas
Problemas do “Sonho”
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Polimerização de nucleotídeos → produtos com
ligações fosfodiéster mistas
Problemas do “Sonho”
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Replicação de RNA → inibição cruzada
enantiomérica
Problemas do “Sonho”
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Replicação de RNA → fosforimidazolídeos em
pequena quantidade no ambiente prebiótico.
Riboenzimas: moléculas até 14 nucleotídeos;
produto não pode ser separado da reação de
cópia.
Problemas do “Sonho”
“O principal obstáculo para se entender a
origem da vida baseada em RNA é identificar
um mecanismo plausível para vencer a
bagunça produzida pela química prebiótica.”
(Joyce, 2002.)
Para a maioria dos pesquisadores, a síntese
prebiótica de RNA parece impossível,
procura-se por um outro polímero mais
simples.
“Os aspectos positivos do Mundo de RNA
incentivaram Gerald Joyce do Scripps
Research Institute e Leslie Orgel do Salk
Institute a retratá-lo como 'o sonho do
biólogo molecular' em um volume devotado a
este tópico. Eles também usaram o termo 'o
pesadelo do químico prebiótico' para
descrever outra parte do quadro: como este
primeiro RNA auto-replicante surgiu? “
(Robert Shapiro, 2007.)
“Enormes obstáculos bloqueiam o quadro de
Gilbert da origem da vida, o suficiente para
levar outro ganhador do prêmio Nobel,
Christian De Duve da Rockefeller University,
a perguntar retoricamente: 'Deus fez o
RNA?'” (Robert Shapiro, 2007.)
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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Existem muitas combinações possíveis para
as conexões entre os componentes da
molécula de RNA podendo produzir milhares
de nucleotídeos plausíveis.
Ao contrário do que creem alguns cientistas
(espécie de vitalismo molecular), a natureza
tende a formar moléculas com poucos
carbonos. Moléculas maiores tendem a ser
insolúveis e pobres em hidrogênio.
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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Aminoácidos encontrados em experimentos
com descarga elétrica são muito menos
complexos do que nucleotídeos. Os
aminoácidos e outras subst. produzidos no
experimento de Miller continham 2 ou 3
carbonos. Nenhum nucleotídeo ou
nucleosídeo já foi produzido nestes
experimentos ou encontrado em meteoritos.
Problemas p/ a formação prebiótica
de RNA (Shapiro):
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Foi criada a disciplina Síntese Prebiótica em
que se tentou mostrar que RNA e seus
componentes podem ser criados em
laboratório. Subst. org. produzidas em
experimentos c/ descarga elet. ou
encontradas em meteoritos, em qualquer
quantidade e mesmo como parte de uma
mistura complexa, classificadas como
prebióticas, podem ser usadas de forma pura,
em qualquer quant. em outra reação
prebiótica.
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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Na química sintética tradicional podem se
utilizar kg de material para se obter mg do
produto. Isto demonstra que seres humanos
podem produzir (ineficientemente) subst.
encontradas na natureza. Infelizmente, nem
químicos nem laboratórios estavam
presentes na Terra primitiva para produzirem
RNA.
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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Exemplo de síntese prebiótica (Nature, 1995) :
citosina foi preparada aquecendo-se 2 subst.
a 100 ̊C em um tubo selado p/ cerca de 1 dia.
Cianoacetaldeído, um dos reagentes, pode se
combinar com outras subst. que podiam estar
presentes na Terra primitiva. Estes
competidores foram excluídos e conc.
extrem. alta foi necessária para induzir uréia
(outro reag.) a reagir.
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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Exemplo de síntese prebiótica (cont.): O
produto, citosina, podia se auto-destruir por
simples reação com a água. Qdo. a conc. de
uréia era diminuída ou se permitia que a
reação prosseguisse, toda citosina era
destruída. P/ alta conc. de uréia invocou-se a
noção de lagoa seca. Calcula-se que 1 grande
lagoa teria que evaporar até uma poça sem
perda de conteúdo. “Não existe algo assim”.
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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No mesmo espírito da “lagoa seca”, outros
químicos têm invocado lagos glaciais
congelados, reservatórios de água fresca em
flancos de montanha, correntes fluindo,
praias, desertos secos, aquíferos vulcânicos
e o oceano inteiro (congelados ou aquecidos
qdo. necessário) para apoiar a existência da
sopa de nucleotídeos para a síntese de RNA
na Terra primitiva.
Problemas p/ a formação
prebiótica de RNA (Shapiro):
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Para fugir destas dificuldades, muitos
químicos optaram por um replicador mais
simples que teria surgido primeiro. Foram
propostas variações em que as bases, o
açúcar ou toda a espinha dorsal do RNA
foram substituídos por subst. mais simples.
O aparecimento espontâneo de tal replicador
enfrenta impossibilidades que tornam
diminutas as envolvidas na prepar. de uma
sopa de nucleot.
Dificuldades p/ a formação de
outro replicador :
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Supondo-se que 1 sopa com todos os
componentes de todos estes replicadores se
tivesse reunido sob condições favoráveis a sua
formação, aglomerados de componentes
defeituosos poderiam arruinar a cadeia como
replicador. Uma unidade falha seria um
terminador, 1 componente com apenas 1 “braço”
para apoiar o crescimento da cadeia. Unidades
se combinariam ao acaso produzindo curtos
híbridos em vez da cadeia longa uniforme c/
funções catalit. e de replic.
Analogia (Shapiro)
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Jogador de golfe jogou uma bola através de 1
rota de 18 buracos, então presume que a bola
jogaria a si mesma por esta rota. Ele mostrou a
possibilidade, só é preciso imaginar uma
combinação de forças (terremotos, ventos e
inundações, p.ex.) que produziriam esse
resultado dado tempo suficiente. Nenhuma lei
física precisa ser violada para a formação
espont. de RNA, mas as chances contra são
imensas.
Outra Analogia (Shapiro)
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Um gorila em um imenso teclado conectado
a um processador de palavras. O teclado
contém os símbolos de todas as linguagens
conhecidas armazenados em um
computador. As chances da reunião
espontânea de um replicador no 'pool'
descrito pode ser comparada as do gorila
compor, em inglês, uma receita de chili com
carne.
Origem Metabólica
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Alguns cientistas optaram p/ hipótese de
que a vida teve início por meio de pequenas
moléculas.
Robert Shapiro (prof. de química e
pesquisador na New York Univ.), Freeman
Dyson, Christian De Duve, Stuart Kauffman,
Doron Lancet, Harold Morovitz e Günter
Wächtershäuser.
Origem Metabólica
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Esta abordagem de moléculas pequenas
baseia-se nas idéias de Alexander Oparin.
Dyson propõe o conceito alemão de
metabolismo (stoffwechsel): qualquer
processo químico que ocorra em células.
Idéia básica: ciclo de reações químicas que
acabaria por produzir compostos mais
complexos.
Origem Metabólica
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Shapiro descreveu 5 requisitos comuns às
terorias do metabolismo primeiro:
Necessidade de uma fronteira separando vida
de não vida
Uma fonte de energia para dirigir os processos
de organização.
Mecanismo que acople a liberação de energia
aos processos de organização que produzem e
mantêm a vida.
Origem Metabólica
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Uma rede química precisa ser formada para
permitir adaptação e evolução: 1 reação redox
energ. favorável de 1 mineral ligada à
conversão de um composto A em 1 composto B
dentro de 1 compartimento. A transf. de A em B
é a reação propulsora. Se B se reconverte a A
ou escapa do compart., isto seria 1 desvio de
maior organiz. Uma via de multiplos passos
reabasteceria o suprimento de A.
Origem Metabólica
Origem Metabólica
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A rede deve crescer e se reproduzir: P/
sobreviver e crescer a rede deve adquirir
material a 1 taxa que compense as rotas que o
removem. A difusão de materiais para fora é
favorecida pela entropia, reações secundárias
podem produzir gases ou breu que escaparão
da solução. Exaustão do combustível externo tb
extinguiria a rede. Na Terra primitiva podem ter
ocorrido muitos inícios assim.
Origem Metabólica
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Sistemas de reprodução possíveis: Rede em
uma membrana lipídica poderia ser dividida p/
forças físicas após crescer. Em um mineral
poderia transbordar p/ compartimentos
adjacentes.
A separação em unidades protegeria contra
destruição por evento localizado.
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As unidades poderiam evoluir e competir.
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Vida da materia não viva que se adapta.
Origem Metabólica
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Shapiro diz que ainda não foi demonstrada a
operação de um ciclo completo que
validasse a abordagem do metabolismo
primeiro. Wächtershäuser e seus colegas
demonstraram porções de um ciclo.
Orgel (2002) examinou as possibilidades
destas teorias. Ele utiliza o exemplo do ciclo
do ácido cítrico reverso proposto por
Wächtershäuser.
Ciclo do Ácido Cítrico Reverso
Conclusões a que Orgel chegou:
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É necessária muita habilidade sintética para
desenvolver mesmo o mais simples dos ciclos.
Olhar de perto a versão supersimplificada da
reação da formose revelará as formidáveis
dificuldades para o estabelecim. de 1 ciclo
metab. complexo, não enzim., em sol. aquosa.
A reação da formose não ocorre em 1 taxa
apreciável em condições neutras.
Reação da Formose
Conclusões a que Orgel chegou:
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Mesmo em altos pHs a reação da formose é
ineficiente s/ um íon met. divalente como
catalisador. Cada passo de 1 ciclo deve ocorrer
a 1 taxa razoável e isto depende de um
catalisador apropriado.
Se 1 das reações não ocorre espont. ou p/
influência de 1 catalisador prebiótico, precisase de outra hipótese p/ manter a relevância do
ciclo. Se várias, necessita-se de medidas
desesperadas.
Conclusões a que Orgel chegou:
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Uma possível hipótese salvadora: ciclo
autocatalítico. Mas reações deste tipo em
solução aquosa são desconhecidas. Não existe
razão p/ crer que intermediários do ciclo do
ácido cítrico catalisariam reações do ciclo. O
motivo é que interações não covalentes entre
moléculas peq. em sol. aquosa são geralm.
muito fracas p/ permitir acelerações catalíticas
extensas e regioespecíficas.
Conclusões a que Orgel chegou:
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Postular 1 reação catalisada por 1 íon metálico
pode ser razoável, mas 1 conjunto delas é
apelar p/ mágica.
Outro problema além das reações que não
ocorrem rápido o suficiente p/ tornar o ciclo
prático seriam as reações alternativas que
complicariam ou interromperiam o ciclo.
Conclusões a que Orgel chegou:
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Mesmo p/ 1 ciclo genérico simples não seria
razoável postular a presença de suficientes
catalisadores prebióticos estereoespecíficos p/
1 sequência de reações estereoespecíficas. S/
ajuda de enzimas ou catalisadores “projetados”
tais ciclos parecem improváveis.
A hipótese de Wächtershäuser de ciclos na
sup. de minerais de sulfeto de ferro poderias
vencer as dificul. mencionadas.
Conclusões a que Orgel chegou:
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Não existe justificativa p/ a predição de que um
mineral catalisará um conjunto de muito
diferentes reações.
Qualquer grupo de minerais que incluísse
catalisadores p/ cada etapa do ciclo, incluiria,
provavelmente, catalisadores p/ reações que
interromperiam o ciclo. Transporte eficiente dos
intermediários de um mineral catalítico p/ outro
também seria um problema.
Discussão
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A idéia da geração espontânea foi descartada
no final do séc. XIX, mas a busca p/ origem da
vida através da evolução química das
moléculas é uma metamorfose dela.
O que Orgel evidência em seu artigo é que
mesmo uma origem mais simples p/ a vida é
ainda muito complexa p/ acontecer de forma
espontânea.
Discussão
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Se fosse alcançada a síntese de 1 ciclo
metabólico completo o que isto significaria?
“Que seres humanos podem produzir, ainda
que ineficientemente, substâncias
encontradas na natureza”, como disse
Shapiro. Mas, como ele acrescentou: “Nem
químicos nem laboratórios estavam
ṕresentes na Terra primitiva”.
Discussão
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“Um entendimento dos passos iniciais que
levaram a vida não revelariam os eventos
específicos que levaram aos atuais organismos
familiares baseados em DNA, RNA e
proteínas.” (Shapiro)
A auto-organização de um ciclo complexo
(como o ciclo do ácido cítrico reverso) “embora
logicamente possível é muito improvável.
(Orgel)
Discussão
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“Nenhuma lei física precisa ser quebrada
para a formação espontânea de RNA
acontecer, mas as chances contra ela são
tão imensas, que a sugestão implica em que
o mundo não vivo têm um desejo inato de
gerar RNA”. (Shapiro)
Parafraseando Futuyma: “Assim, a origem
da vida continua não premiando os esforços
dos químicos.”