Debate raivas entre biólogos e químicos sobre se a vida começou em terra ou debaixo do mar. Rachel Brasil olha para os argumentos

A pergunta ‘Como a vida começou?’ está intimamente ligada à pergunta ‘Onde a vida começou? A maioria dos especialistas concorda sobre ‘quando’: 3,8-4 bilhões de anos atrás. Mas ainda não há consenso quanto ao ambiente que poderia ter fomentado este evento. Desde a sua descoberta, as fontes hidrotermais do mar profundo têm sido sugeridas como o local de nascimento da vida, particularmente as fontes alcalinas, como as encontradas no campo da “Cidade Perdida”, no meio do Atlântico. Mas nem todos estão convencidos de que a vida começou no mar – muitos dizem que a química simplesmente não funciona e estão à procura de um local de nascimento em terra. Com várias hipóteses em jogo, a corrida está prestes a replicar as condições que permitiram o surgimento da vida.

Em 1977, o primeiro respiradouro hidrotérmico de águas profundas foi descoberto na crista do Pacífico Oriental, no meio do Oceano Pacífico. Chamados “fumantes negros”, os respiradouros emitem água aquecida geotermicamente até 400°C, com altos níveis de sulfetos que precipitam em contato com o oceano frio para formar a fumaça negra. Isto foi seguido em 2000 pela descoberta de um novo tipo de respiradouro hidrotermais alcalino de mar profundo encontrado um pouco fora do eixo a partir das cristas do médio-oceano. O primeiro campo, conhecido como Cidade Perdida, foi descoberto no fundo do mar do Maciço Atlantis no meio do Atlântico.

Os respiradouros são formados por um processo conhecido como serpentinização. As rochas do fundo do mar, em particular a olivina (silicato de ferro magnésio) reage com água e produz grandes volumes de hidrogênio. Na Cidade Perdida, quando os fluidos alcalinos quentes (45-90°C e pH 9-11) são misturados com água do mar, eles criam chaminés de carbonato de cálcio branco de 30-60m de altura.

Em 1993, antes da descoberta dos respiradouros alcalinos, o geochemista Michael Russell do Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da Nasa na Califórnia, EUA, sugeriu um mecanismo pelo qual a vida poderia ter começado em tais respiradouros.1 Suas idéias, atualizadas em 2003,2 sugerem que a vida veio do aproveitamento dos gradientes de energia que existem quando a água dos respiradouros alcalinos se mistura com água do mar mais ácida (pensava-se que os primeiros oceanos continham mais dióxido de carbono do que agora).

Isso espelha a forma como as células aproveitam a energia. As células mantêm um gradiente de prótons bombeando prótons através de uma membrana para criar um diferencial de carga de dentro para fora. Conhecida como a força motriz do próton, isto pode ser igualado a uma diferença de cerca de 3 unidades de pH. É efetivamente um mecanismo para armazenar energia potencial e esta pode então ser aproveitada quando os prótons podem passar através da membrana para fosforilato difosfato de adenosina (ADP), fazendo ATP.

A teoria de Russell sugere que poros nas chaminés de ventilação hidrotermais forneceram modelos para as células, com a mesma diferença de 3 unidades de pH através das paredes minerais finas dos microporos de ventilação interligados que separam a ventilação e a água do mar. Esta energia, juntamente com os minerais catalíticos de sulfato de ferro-níquel, permitiu a redução do dióxido de carbono e a produção de moléculas orgânicas, depois moléculas auto-replicáveis, e eventualmente células verdadeiras com suas próprias membranas.

Jardins químicos

A quimista Laura Barge, também cientista pesquisadora da JPL, está testando esta teoria usando jardins químicos – um experimento que você poderia ter feito na escola. Olhando para os jardins químicos ‘você acha que sua vida, mas definitivamente não é’, diz Barge, que é especialista em sistemas químicos auto-organizadores. O clássico jardim químico é formado pela adição de sais metálicos a uma solução reactiva de silicato de sódio. O metal e os ânions de silicato precipitam-se para formar uma membrana gelatinosa coloidal semi-permeável que envolve o sal metálico. Isto estabelece um gradiente de concentração que dá o impulso para o crescimento de colunas ocas semelhantes a plantas.

‘Começámos a simular o que se pode obter com um fluido de ventilação e o oceano e podemos cultivar pequenas chaminés – são essencialmente como jardins químicos’, explica Barge. Para imitar o oceano precoce ela injetou soluções alcalinas em soluções ácidas ricas em ferro, fazendo chaminés de hidróxido de ferro e sulfato de ferro. A partir dessas experiências, sua equipe ilustrou que eles podem gerar eletricidade: pouco menos de um volt de quatro jardins, mas o suficiente para alimentar um LED,3 mostrando que o tipo de gradientes de prótons que fornecem energia em aberturas de mar profundo pode ser replicado.

Nick Lane, um bioquímico do University College London, no Reino Unido, também tem tentado recriar sistemas geo-eletroquímicos prebióticos com suas origens de reator de vida. Ele favorece a teoria de Russell, embora não esteja satisfeito com o rótulo de ‘metabolismo primeiro’ que é dado frequentemente, em oposição à teoria da ‘informação primeiro’ que supõe que a síntese da replicação de moléculas de RNA foi o primeiro passo para a vida. Elas são retratadas como sendo opostas, mas eu acho que isso é bobagem’, diz Lane. Como eu vejo isto, nós estamos tentando trabalhar para fora como você chega a um mundo onde você tem seleção e pode dar origem a algo como nucleotides.’

Lane foi persuadido por quão perto a geoquímica e a bioquímica alinham. Por exemplo, minerais como a greigite (Fe3S4) são encontrados dentro de respiradouros e mostram algumas relações com os clusters de enxofre de ferro encontrados em enzimas microbianas. Eles poderiam ter agido como enzimas primitivas para a redução do dióxido de carbono com hidrogênio e a formação de moléculas orgânicas. Há diferenças também, as barreiras são mais espessas e assim por diante, mas a analogia é muito precisa e assim a pergunta se torna “É viável para estes gradientes de prótons naturais quebrar a barreira para a reação entre hidrogênio e dióxido de carbono?”‘

O reator de vida simples de bancada, de fluxo aberto4 está simulando condições de respiro hidrotermais. De um lado de uma barreira catalítica semicondutora ferro-níquel-enxofre, um fluido alcalino é bombeado para simular fluidos de ventilação e, do outro lado, uma solução ácida que simula a água do mar. Assim como as taxas de fluxo, as temperaturas podem ser variadas em ambos os lados. Através da membrana, ‘O primeiro passo é tentar fazer com que o dióxido de carbono reaja com hidrogênio para fazer orgânicos, e parecemos ter sucesso em produzir formaldeído dessa forma’, diz Lane.

Até agora, os rendimentos têm sido muito baixos, mas Lane considera que eles têm ‘prova de princípio’. Eles estão trabalhando em replicar seus resultados e provar que o formaldeído visto não vem de outra fonte, como a degradação da tubulação. Das mesmas condições, Lane diz que eles também foram capazes de sintetizar baixos rendimentos de açúcares, incluindo 0,06% de ribose, de formaldeído, embora não na concentração de formaldeído produzido apenas pelo reator.

Escavando mais fundo

Investigando respiradouros hidrotermais, o geochemista Frieder Klein do Woods Hole Oceanographic Institution nos EUA descobriu uma variação na história da origem do mar profundo. Ele encontrou evidências de vida em rochas abaixo do fundo do mar que poderiam ter fornecido o ambiente certo para a vida começar.

Klein e colegas estavam olhando para amostras de núcleos perfurados da margem continental ibérica ao largo da costa de Espanha e Portugal em 1993. As amostras vieram da rocha 760m abaixo do actual fundo do mar, que teria ficado 65m abaixo do solo oceânico inicial não sedimentado. Ele viu algumas veias de aspecto incomum nas amostras, compostas de minerais também encontrados no sistema hidrotermais da Cidade Perdida. Isso foi intrigante para mim porque esse conjunto mineral só se forma quando se mistura fluidos hidrotermais com água do mar”, diz Klein. Isto sugere que uma química semelhante pode estar acontecendo abaixo do fundo do mar.

Com estas veias, datadas de 120 milhões de anos atrás, a equipe de Klein encontrou a inclusão de micróbios fossilizados. Ele sugere que as propriedades dessecantes do mineral bruto (Mg(OH)2) podem explicar a preservação de moléculas orgânicas dos micróbios. Estas incluíam aminoácidos, proteínas e lipídios que foram identificados por espectroscopia confocal Raman. Klein diz que estava inicialmente cético, mas a análise das amostras extraídas confirmou biomarcadores lipídicos únicos para bactérias redutoras de sulfato e arquebactérias, que também são encontrados no sistema de respiradouros hidrotermais de Lost City.5 As imagens SEM mostraram inclusões de carbono que ele diz que ‘pareciam ser micro-colônias de microorganismos’

Embora obviamente essas amostras sejam muito mais jovens, ‘A presença desses micróbios está nos dizendo que a vida é possível em ambientes do fundo do mar em sistemas hidrotermais, que provavelmente estavam presentes e ativos em grande parte da terra primitiva’, observa Klein. O piso submarino representa outro ambiente mais protegido.’

Landlocked

Mas nem todos concordam que a vida começou em sistemas hidrotermais profundos do mar. Armen Mulkidjanian da Universidade de Osnabruck na Alemanha diz que existem vários grandes problemas com a ideia, sendo um deles as concentrações relativas de sódio e potássio encontradas na água do mar em comparação com as células.

Mulkidjanian invoca o que ele chama o princípio da conservação da química – uma vez estabelecido em qualquer ambiente, os organismos irão reter e desenvolver mecanismos para proteger a sua arquitectura bioquímica fundamental. Ele diz, portanto, que não faz sentido que células que contêm 10 vezes mais potássio do que sódio tenham sua origem na água do mar, que tem 40 vezes mais sódio do que potássio. Sua suposição é que as protocélulas devem ter evoluído em um ambiente com mais potássio que sódio, desenvolvendo apenas bombas de íons para remover o sódio indesejado quando seu ambiente mudou.

Mulkidjanian pensa que a vida poderia ter surgido de sistemas geotérmicos, como os campos geotérmicos Kamchatka siberianos no Extremo Oriente russo. Começamos a procurar onde poderíamos encontrar condições com mais potássio do que sódio e as únicas coisas que encontramos foram sistemas geotérmicos, particularmente onde você tem vapor saindo da terra”, explica ele. São apenas as piscinas criadas a partir de respiradouros de vapor que têm mais potássio do que sódio; aquelas formadas a partir de respiradouros líquidos geotérmicos ainda têm mais sódio do que potássio. Um punhado desse sistema existe hoje, na Itália, nos EUA e no Japão, mas Mulkidjanian sugere que na terra mais quente e precoce você esperaria muito mais.

David Deamer da Universidade da Califórnia Santa Cruz, nos EUA, tem estudado macromoléculas e membranas lipídicas por mais de 50 anos. Ele vem para o campo de um ângulo ligeiramente diferente, que alguns chamaram de ‘membrana primeiro’. Mas, diz ele, “tenho a certeza que a melhor maneira de entender a origem da vida é perceber que é um sistema de moléculas que trabalham todas juntas, tal como fazem na vida de hoje”. O local ‘chega a um julgamento de plausibilidade da minha parte’, ele muses.

Um dos maiores argumentos contra uma origem do mar profundo é o fato de tantas macromoléculas serem encontradas na biologia. O DNA, RNA, proteínas e lipídios são todos polímeros e se formam através de reações de condensação. Você precisa de um ambiente flutuante que às vezes é úmido e às vezes seco – um período úmido para que os componentes se misturem e interajam e depois um período seco para que a água seja removida e esses componentes possam formar um polímero”, diz Mulkidjanian. Não há maneira de este tipo de coisa acontecer na ventilação hidrotérmica porque não se pode ter ciclos molhados e secos lá”, acrescenta Deamer. Ciclos úmidos e secos ocorrem todos os dias em campos hidrotermais continentais. Isto permite a concentração de reagentes bem como a polimerização.

A suposição de que a selecção natural é incapaz ao longo de 4 mil milhões de anos de chegar a uma melhoria penso que é louca

Deamer tem tentado criar os seus próprios protócélulas em laboratório – misturando lípidos e componentes de RNA adenosina monofosfato e uridina monofosfato. Quando secos, os lípidos se auto-montam em estruturas semelhantes a membranas e, se os nucleotídeos estiverem presos entre as camadas lipídicas, serão submetidos a esterificação para produzir polímeros semelhantes ao RNA. Ao longo de múltiplos ciclos húmidos e secos o rendimento aumenta para 50%.6

Deamer confirmou a presença destes polímeros dentro das ‘protocélulas’ através de técnicas de sequenciamento directo do RNA. Nós realmente temos moléculas de fio único que estão na faixa de tamanho do RNA biológico, mas Deamer adverte que não é RNA como é em um organismo biológico. Ele criou uma mistura de RNA, alguns com grupos de fosfato ligados como eles estão na natureza, mas alguns ligados ‘nãoaturalmente’, que ele conclui então ‘deve ter sido sujeito a seleção e evolução nestes pequenos protocélulas’.

Mas o campo de ventilação hidrotermais profundo do mar não está pronto para jogar a toalha ainda. Barge diz que o ambiente de ventilação poderia permitir a concentração de reagentes e reações de condensação. Você tem géis em todo o fundo do mar, você tem minerais que absorvem coisas e na própria membrana há géis, então você pode ter condições de reação desidratante mesmo que todo o sistema seja aquoso.’

Lane também repreende a idéia de que os níveis de potássio ou íons sódio podem fixar futuros processos metabólicos. A suposição de que a seleção natural é incapaz ao longo de 4 bilhões de anos de chegar a uma melhoria, acho que é uma loucura”, explica Lane. Na minha opinião, a selecção conduz ao equilíbrio iónico intracelular”. Ele acha que a vida teria sido bastante capaz de evoluir num ambiente rico em sódio e ao longo do tempo desenvolver as bombas de remoção de íons que criam as atuais células ricas em potássio.

Vendo a luz

Um outro ponto de discórdia é a presença ou ausência de luz ultravioleta (UV). Isto poderia ser uma forte influência num cenário de origem terrestre sem camada protectora de ozono na terra inicial, mas completamente ausente na teoria do mar profundo. A relativa estabilidade UV dos nucleotídeos de RNA sugere que a seleção ocorreu na luz UV – na superfície da terra e não no mar.

Isto também apoiaria a síntese inovadora de 2009 de RNA proposta7 por John Sutherland do Laboratório de Biologia Molecular do Conselho de Pesquisa Médica do Reino Unido em Cambridge e sua síntese sugerida em 2015 de precursores de ácido nucléico começando apenas com cianeto de hidrogênio (HCN), sulfeto de hidrogênio (H2S) e luz UV.8 A iluminação com luz UV durante 10 dias enriqueceu os rendimentos dos nucleotídeos biológicos, acrescentando peso à sua selecção, sendo favorecida pela luz UV. Mulkidjanian também sugeriu que os precipitados de sulfureto de zinco poderiam ter actuado como catalisadores para a redução do dióxido de carbono utilizando a luz UV – uma forma precoce de fotossíntese que ele chama de cenário do ‘mundo do zinco’

Mas, de acordo com Lane, ‘Há um grande problema com a evolução da vida com a luz UV, que é dizer que hoje não há vida que utilize o UV como fonte de energia – ele tende a destruir moléculas em vez de promover a bioquímica’. Ele também argumenta que a química sintética proposta em tal esquema terrestre simplesmente não se parece com a vida tal como a conhecemos. Começa com cianetos ou com a fotossíntese de sulfato de zinco e você acaba com uma espécie de química de Frankenstein”, diz Lane. A química pode funcionar, mas para juntar isso à vida tal como a conhecemos, eu diria que é impossível ‘

Divisão disciplinar

Looking closer, the divide between those who support a terrestre and those supporting an oceanic origin is split between disciplines. Os químicos sintéticos geralmente favorecem uma origem continental e os geólogos e biólogos, na sua maioria, hidrotermais de alto mar. Os químicos argumentam que é impossível fazer a química em respiradouros hidrotermais, enquanto os biólogos argumentam que a química terrestre proposta simplesmente não é como nada visto na bioquímica e não reduz a lacuna entre geoquímica e bioquímica.

Então existe uma maneira de unir as disciplinas? No momento não há muito terreno comum entre essas idéias’, diz Lane. Deamer concorda. Neste ponto, tudo o que podemos dizer é que todos têm o direito de fazer um julgamento de plausibilidade com base em suas idéias, mas então eles também devem fazer testes experimentais e observacionais.’

Os problemas menores serão resolvidos – isso é o que me tira da cama pela manhã

O que é necessário é aquela prova ou experimento assassino que poderia unir os pontos e explicar como e onde a vida começou a partir de um mundo prebiótico. Seria realmente um grande avanço se pudéssemos encontrar uma ribozima entre todos esses trilhões de polímeros aleatórios que estamos fazendo’, sugere Deamer. Ribozimas são catalisadores de RNA que fazem parte da maquinaria da proteína-síntese da célula, mas são candidatos para as primeiras moléculas auto-replicáveis.

Outras evidências para apoiar as origens da vida em fontes hidrotermais do mar profundo centram-se em mostrar um conjunto plausível de passos metabólicos que levam a moléculas complexas. No JPL, eles estão olhando para como os aminoácidos se comportam em seus jardins químicos, de acordo com Barge. Estamos trabalhando para fazer um aminoácido, e depois ver se você fica preso nas chaminés e se você pode concentrá-los e talvez fazer alguns peptídeos.’

‘Há problemas e dificuldades’, reconhece Lane. Podemos realmente fazer dióxido de carbono reagir com hidrogênio para fazer moléculas mais complexas como aminoácidos e nucleotídeos? Eu estou bastante confiante que nós podemos fazer isso, mas eu estou ciente que nós não demonstramos isso ainda’. Outras questões difíceis incluem se as membranas lipídicas podem ser estabilizadas na água do mar com suas altas concentrações de íons cálcio e magnésio. Mas diz Lane, o grande problema da força motriz termodinâmica é resolvido por respiradouros hidrotermais. O que me dá confiança de que os problemas menores também serão resolvidos nesse contexto, mesmo que pareçam difíceis agora – é isso que me tira da cama pela manhã.’

De certeza que há uma outra possibilidade – que a vida não tenha começado na terra. Panspermia – a teoria de que a vida foi semeada do espaço, parece excêntrica, mas nem todos a contam. Pode-se argumentar que a vida realmente começou em Marte’, de acordo com Deamer, porque foi a primeira a esfriar até uma temperatura que pudesse suportar a vida.

Se este for o caso ou não, a vida em outro lugar é certamente viável. A lua de Júpiter Europa e a lua de Saturno Enceladus são candidatas porque ambas têm oceanos debaixo de conchas geladas. Nos próximos cinco anos, a Nasa planeja enviar uma sonda espacial a ambas as luas para procurar por sinais de vida. Entender nossa própria história de origem poderia nos ajudar a descobrir onde procurar.

1 M J Russell, R M Daniel e A J Hall, Terra Nova, 1993, 5, 343 (DOI: 10.1111/j.1365-3121.1993.tb00267.x)

2 W Martin e M J Russell, Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 2003, 358, 59 (DOI: 10.1098/rstb.2002.1183)

3 L M Barge et al, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2015, 54, 8184 (DOI: 10.1002/anie.201501663)

4 B Herschy et al, J. Mol. Evol., 2014, 79, 213 (DOI: 10.1007/s00239-014-9658-4)

5 F Klein et al, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, 112, 12036 (DOI: 10.1073/pnas.1504674112)

6 L Da Silva, M C Maurel e D Deamer, J. Mol. Evol., 2015, 80, 86 (DOI: 10.1007/s00239-014-9661-9)

7 M W Powner, B Gerland e J D Sutherland, Nature, 2009, 459, 239 (DOI: 10.1038/natureza08013)

8 B H Patel et al, Nat. Chem., 2015, 7, 301 (DOI: 10.1038/natureza08013)

Este artigo é reproduzido com permissão do Chemistry World. O artigo foi publicado pela primeira vez em 16 de abril de 2017.