Como a primeira vida na Terra sobreviveu à sua maior ameaça - a água
A vida pode ter começado em corpos d'água na terra, talvez em crateras semelhantes ao Lago Manicouagan do Canadá, formado por um impacto antigo. Crédito: Planet Observer / Universal Images Group / Getty
Em 18 de fevereiro do próximo ano, uma espaçonave da NASA mergulhará na atmosfera marciana, disparará seus retro-foguetes para interromper sua queda e, em seguida, colocará à superfície um rover de seis rodas chamado Perseverance . Se tudo correr de acordo com o planejado, a missão pousará na cratera de Jezero , um corte de 45 quilômetros de largura perto do equador do planeta que pode ter abrigado um lago de água líquida.
Entre a multidão de terráqueos torcendo pela Perseverança, John Sutherland estará prestando atenção especial. Sutherland, bioquímico do Laboratório MRC de Biologia Molecular em Cambridge, Reino Unido, foi um dos cientistas que pressionou a NASA para visitar a cratera de Jezero, porque se encaixa em suas ideias sobre onde a vida pode ter se originado - em Marte e na Terra.
A escolha do local de pouso reflete uma mudança no pensamento sobre as etapas químicas que transformaram algumas moléculas nas primeiras células biológicas. Embora muitos cientistas especulem há muito tempo que essas células pioneiras surgiram no oceano, pesquisas recentes sugerem que as moléculas-chave da vida, e seus processos principais, podem se formar apenas em lugares como Jezero - um corpo de água relativamente raso alimentado por riachos.
Isso porque vários estudos sugerem que os produtos químicos básicos da vida requerem a formação de radiação ultravioleta da luz do sol e que o ambiente aquoso deve ficar altamente concentrado ou até mesmo secar completamente às vezes. Em experimentos de laboratório, Sutherland e outros cientistas produziram DNA, proteínas e outros componentes centrais das células aquecendo suavemente produtos químicos simples à base de carbono, submetendo-os à radiação ultravioleta e secando-os intermitentemente. Os químicos ainda não foram capazes de sintetizar uma gama tão ampla de moléculas biológicas em condições que imitam a água do mar.
A evidência emergente fez com que muitos pesquisadores abandonassem a ideia de que a vida surgiu nos oceanos e se concentrassem em ambientes terrestres, em lugares que eram alternadamente úmidos e secos. A mudança dificilmente é unânime, mas os cientistas que apoiam a ideia de um começo terrestre dizem que ela oferece uma solução para um paradoxo há muito reconhecido: embora a água seja essencial para a vida, ela também é destrutiva para seus componentes essenciais.
Os lagos e poças d'água são altamente promissores, diz David Catling, cientista planetário da Universidade de Washington em Seattle. “Há muito trabalho feito nos últimos 15 anos que apoiaria essa direção.”
Sopa primordial
Embora não haja uma definição padronizada de vida, a maioria dos pesquisadores concorda que ela precisa de vários componentes. Um são as moléculas que transportam informações - DNA, RNA ou qualquer outra coisa. Deve ter havido uma maneira de copiar essas instruções moleculares, embora o processo fosse imperfeito para permitir erros, as sementes da mudança evolutiva. Além disso, os primeiros organismos devem ter tido uma maneira de se alimentar e se manter, talvez usando enzimas baseadas em proteínas. Finalmente, algo mantinha essas partes díspares juntas, mantendo-as separadas de seu ambiente.
Quando as pesquisas de laboratório sobre as origens da vida começaram para valer na década de 1950, muitos pesquisadores presumiram que a vida começou no mar, com uma rica mistura de produtos químicos à base de carbono apelidados de sopa primordial.
Essa ideia foi proposta de forma independente na década de 1920 pelo bioquímico Alexander Oparin, na então União Soviética, e pelo geneticista JBS Haldane, no Reino Unido. Cada um imaginou a jovem Terra como uma enorme fábrica química, com uma infinidade de produtos químicos à base de carbono dissolvidos nas águas dos primeiros oceanos. Oparin argumentou que partículas cada vez mais complicadas se formavam, culminando em carboidratos e proteínas: o que ele chamou de “a base da vida”.
Em 1953, um jovem pesquisador chamado Stanley Miller, da Universidade de Chicago, em Illinois, descreveu um experimento agora famoso que foi visto como uma confirmação dessas ideias 1 . Ele usou um frasco de vidro contendo água para simular o oceano, e outro frasco contendo metano, amônia e hidrogênio para simular a atmosfera primitiva. Tubos conectavam os frascos e um eletrodo simulava um raio. Alguns dias de aquecimento e choques elétricos foram suficientes para produzir glicina, o aminoácido mais simples e um componente essencial das proteínas. Isso sugeriu a muitos pesquisadores que a vida surgiu perto da superfície do oceano.
Em experimentos na década de 1950, Stanley Miller criou aminoácidos a partir de blocos de construção simples. Crédito: Bettmann / Getty
Mas muitos cientistas hoje dizem que há um problema fundamental com essa ideia: as moléculas fundamentais da vida se decompõem na água. Isso ocorre porque as proteínas e os ácidos nucléicos, como DNA e RNA, são vulneráveis em suas articulações. As proteínas são feitas de cadeias de aminoácidos e os ácidos nucleicos são cadeias de nucleotídeos. Se as correntes forem colocadas na água, ela ataca os elos e eventualmente os quebra. Na química do carbono, “a água é um inimigo a ser excluído o mais rigorosamente possível”, escreveu o falecido bioquímico Robert Shapiro em seu livro totêmico Origins de 1986 , que criticava a hipótese do oceano primordial 2 .
Este é o paradoxo da água. Hoje, as células resolvem isso limitando o movimento livre da água em seu interior, diz a bióloga sintética Kate Adamala, da Universidade de Minnesota, em Minneapolis. Por esse motivo, as imagens populares do citoplasma - a substância dentro da célula - costumam estar erradas. “Aprendemos que o citoplasma é apenas uma bolsa que contém tudo e que tudo está girando”, acrescenta. “Isso não é verdade, tudo é incrivelmente estruturado em células, e é estruturado em um gel, não em uma bolsa de água.”
Se os seres vivos mantêm a água controlada, a implicação, dizem muitos pesquisadores, é óbvia. A vida provavelmente se formou na terra, onde a água estava presente apenas intermitentemente.
Land start
Algumas das principais evidências a favor dessa ideia surgiram em 2009, quando Sutherland anunciou que ele e sua equipe haviam feito com sucesso dois dos quatro nucleotídeos que compõem o RNA 3 . Eles começaram com fosfato e quatro produtos químicos simples à base de carbono, incluindo um sal de cianeto chamado cianamida. Os produtos químicos estavam totalmente dissolvidos em água, mas eram altamente concentrados e etapas cruciais exigiam radiação ultravioleta. Essas reações não poderiam ocorrer no fundo do oceano - apenas em uma pequena piscina ou riacho exposto à luz do sol, onde os produtos químicos poderiam ser concentrados, diz ele.
Desde então, a equipe de Sutherland mostrou que as mesmas substâncias químicas iniciais, se tratadas de forma sutilmente diferente, também podem produzir precursores de proteínas e lipídios 4 . Os pesquisadores sugerem que essas reações podem ter ocorrido se a água contendo sais de cianeto secasse pelo Sol, deixando uma camada de produtos químicos relacionados ao cianeto que foi então aquecida por, digamos, atividade geotérmica. No ano passado, sua equipe produziu os blocos de construção do DNA - algo anteriormente considerado implausível - usando a energia da luz solar e alguns dos mesmos produtos químicos em altas concentrações 5 .
Esta abordagem foi estendida pelo bioquímico Moran Frenkel-Pinter do NSF – NASA Center for Chemical Evolution em Atlanta, Georgia, e seus colegas. No ano passado, eles mostraram que os aminoácidos se ligavam espontaneamente para formar cadeias semelhantes a proteínas, se fossem secos 6 . E esses tipos de reação eram mais prováveis de ocorrer com os 20 aminoácidos encontrados nas proteínas hoje, em comparação com outros aminoácidos. Isso significa que a secagem intermitente pode ajudar a explicar por que a vida usa apenas esses aminoácidos, dentre centenas de possibilidades. “Vimos a seleção dos aminoácidos de hoje”, diz Frenkel-Pinter.
Molhado e seco
A secagem intermitente também pode ajudar a conduzir esses blocos de construção moleculares a se reunirem em estruturas mais complexas e semelhantes à vida.
Um experimento clássico nesse sentido foi publicado em 1982 pelos pesquisadores David Deamer e Gail Barchfeld, então na University of California, Davis 7 . O objetivo era estudar como os lipídios, outra classe de moléculas de cadeia longa, se auto-organizam para formar as membranas que circundam as células. Eles primeiro fizeram vesículas: bolhas esféricas com um núcleo aquoso rodeado por duas camadas de lipídios. Em seguida, os pesquisadores secaram as vesículas e os lipídios se reorganizaram em uma estrutura de várias camadas, como uma pilha de panquecas. Fios de DNA, antes flutuando na água, ficaram presos entre as camadas. Quando os pesquisadores adicionaram água novamente, as vesículas se reformaram - com DNA dentro delas. Este foi um passo em direção a uma célula simples.
Um cenário sobre a origem da vida sugere que ela começou em torno de aberturas no fundo do mar que expelem águas quentes alcalinas, como a formação de 'Cidade Perdida' no Oceano Atlântico. Crédito: Imagem cortesia de D. Kelley e M. Elend / Universidade de Washington
“Esses ciclos úmido-seco estão por toda parte”, diz Deamer, que agora está na Universidade da Califórnia, em Santa Cruz. “É tão simples como a evaporação da água da chuva nas rochas molhadas.” Mas quando eles são aplicados a produtos químicos biológicos como lipídios, diz ele, coisas notáveis acontecem.
Em um estudo de 2008, Deamer e sua equipe misturaram nucleotídeos e lipídios com água e depois os submeteram a ciclos úmido-seco. Quando os lipídios formaram camadas, os nucleotídeos se ligaram em cadeias semelhantes a RNA - uma reação que não ocorreria na água sem ajuda 8 .
Outros estudos estão apontando para um fator diferente que parece ser uma parte fundamental das origens da vida: a luz. Essa é uma das conclusões da equipe do biólogo sintético Jack Szostak, do Hospital Geral de Massachusetts, em Boston, que trabalha com 'protocélulas' - versões simples de células que contêm um punhado de produtos químicos, mas podem crescer, competir e se replicar. As protocélulas apresentam comportamentos mais realistas se forem expostas a condições semelhantes às da terra. Um estudo, do qual Adamala foi coautor, descobriu que as protocélulas podiam usar a energia da luz para se dividir, em uma forma simples de reprodução 9 . Da mesma forma, Claudia Bonfio, agora também no Laboratório de Biologia Molecular do MRC, e seus colegas mostraram em 2017 que a radiação UV impulsiona a síntese de clusters de ferro-enxofre 10, que são cruciais para muitas proteínas. Isso inclui aqueles na cadeia de transporte de elétrons, que ajuda a alimentar todas as células vivas, conduzindo a síntese da molécula de armazenamento de energia ATP. Os aglomerados de ferro-enxofre se quebrariam se fossem expostos à água, mas a equipe de Bonfio descobriu que eles eram mais estáveis se os aglomerados fossem cercados por peptídeos simples de 3 a 12 aminoácidos de comprimento.
Água, mas não muito
Esses estudos deram impulso à ideia de que a vida começou em uma superfície bem iluminada com uma quantidade limitada de água. No entanto, ainda há debate sobre a quantidade de água envolvida e que papel ela desempenhou no início da vida.
Como Deamer, Frenkel-Pinter argumenta que os ciclos úmido-seco foram cruciais. Condições secas, diz ela, forneceram uma oportunidade para a formação de moléculas em cadeia, como proteínas e RNA.
Mas simplesmente fazer RNA e outras moléculas não é vida. Um sistema dinâmico e autossustentável deve se formar. Frenkel-Pinter sugere que a capacidade de destruição da água pode ter ajudado a impulsionar isso. Assim como as presas evoluíram para correr mais rápido ou secretar toxinas para sobreviver aos predadores, as primeiras moléculas biológicas podem ter evoluído para lidar com os ataques químicos da água - e até mesmo para aproveitar sua reatividade para sempre.
Em um estudo nas fontes termais de Hell's Gate perto de Rotorua, Nova Zelândia, amostras de piscinas hidrotermais passaram por ciclos de secagem e reumedecimento, o que promoveu reações químicas que produziram moléculas semelhantes ao RNA. Crédito: Westend61 / Getty
Este ano, a equipe de Frenkel-Pinter deu continuidade a seu estudo anterior 6, mostrando que a secagem fez com que os aminoácidos se ligassem espontaneamente. A equipe descobriu que suas protoproteínas poderiam interagir com o RNA, e que ambas se tornaram mais estáveis na água como resultado 11 . Com efeito, a água agiu como uma pressão de seleção: apenas aquelas combinações de moléculas que poderiam sobreviver na água continuariam, porque as outras seriam destruídas.
A ideia é que, a cada ciclo de umedecimento, as moléculas mais fracas, ou que não conseguiam se proteger ligando-se a outras, fossem destruídas. Bonfio e sua equipe demonstraram isso em um estudo neste ano 12 , no qual tentaram converter ácidos graxos simples em lipídios mais complexos, semelhantes aos encontrados nas membranas celulares modernas. Os pesquisadores criaram misturas de lipídios e descobriram que os mais simples eram destruídos pela água, enquanto os maiores e mais complexos se acumulavam. “Em algum momento, você teria o suficiente desses lipídios para que eles formassem membranas”, diz ela. Em outras palavras, pode haver uma quantidade de água Goldilocks: não tanto que as moléculas biológicas sejam destruídas muito rapidamente, mas não tão pouco que nada mude.
Pequenos lagos quentes
Onde tudo isso pode ter acontecido? Nesse ponto, há uma divisão geracional no campo. Muitos pesquisadores seniores estão comprometidos com um cenário ou outro, enquanto os pesquisadores mais jovens costumam argumentar que a questão está em aberto.
O oceano aberto é inviável, diz Frenkel-Pinter, porque não há como os produtos químicos se concentrarem. “Isso é realmente um problema”, concorda Bonfio.
Uma ideia alternativa marinha é defendida desde os anos 1980 pelo geólogo Michael Russell, um pesquisador independente que trabalhava no Jet Propulsion Laboratory em Pasadena, Califórnia. Russell argumenta que a vida começou em aberturas no fundo do mar , onde água alcalina quente emana das formações geológicas abaixo. As interações entre a água quente e as rochas forneceriam energia química que acionaria primeiro ciclos metabólicos simples, que mais tarde começariam a produzir e usar substâncias químicas como o RNA.
Russell critica a abordagem de Sutherland. “Ele está fazendo todas essas peças fantásticas de química”, diz ele, mas para Russell, nada disso é relevante. Isso porque os organismos modernos usam processos químicos completamente diferentes para fazer substâncias como o RNA. Ele argumenta que esses processos devem ter surgido primeiro, não as próprias substâncias. “A vida escolhe moléculas muito particulares. Mas você não pode pegá-los do banco. Você tem que fazê-los do zero e é isso que a vida faz. ”
Sutherland rebate que, uma vez que o RNA, as proteínas e assim por diante se formaram, a evolução teria assumido o controle e permitido que os proto-organismos encontrassem novas maneiras de fazer essas moléculas e assim se sustentar.
Enquanto isso, muitos pesquisadores expressaram ceticismo sobre a hipótese da ventilação alcalina de Russell, argumentando que ela carece de suporte experimental.
Em contraste, experimentos químicos que simulam as condições de superfície criaram os blocos de construção de ácidos nucléicos, proteínas e lipídios. “Nada dessa síntese existe naquela hipótese da fonte hidrotérmica do fundo do mar. Simplesmente não foi feito, e possivelmente porque não pode ser feito ”, diz Catling.
Frenkel-Pinter também critica a ideia do respiradouro, porque as moléculas com que ela trabalha não sobreviveriam por muito tempo nessas condições. “A formação desses protopeptídeos não é muito compatível com as fontes hidrotermais”, diz Frenkel-Pinter.
Uma possível solução foi proposta em maio pela geoquímica Martina Preiner, pós-doutoranda na Universidade de Düsseldorf, na Alemanha, e seus colegas. Ela argumenta que nas rochas abaixo das fontes hidrotermais, o calor e as reações químicas aglutinam as moléculas de água ou as quebram - criando espaços secos 13 . “Existem interações rocha-água eliminando a água até certo ponto”, diz ela. Intermitentemente, mais água do mar gotejava, dando “algo como um ciclo úmido-seco”. Isso deve tornar as rochas do fundo do mar muito mais adequadas para a formação de moléculas-chave, argumenta Preiner, embora ela reconheça que isso ainda é uma hipótese. “Claro, você ainda tem que fazer os experimentos de acordo para provar que isso pode causar certas reações.”
No momento, entretanto, essa evidência não existe. Enquanto isso, cresce o suporte experimental para a ideia de que a vida começou em pequenos corpos d'água na terra.
Sutherland favorece uma cratera de impacto de meteorito, aquecida pelo Sol e pela energia residual do impacto, com vários fluxos de água escorrendo pelas laterais inclinadas e, finalmente, encontrando-se em uma piscina no fundo. Este teria sido um ambiente 3D complexo com superfícies minerais para atuar como catalisadores, onde produtos químicos à base de carbono poderiam ter sido alternadamente dissolvidos em água e secos ao sol. “Você pode dizer com certo grau de confiança que precisamos estar na superfície, não podemos estar nas profundezas do oceano ou 10 quilômetros abaixo na crosta”, diz Sutherland. “Então precisamos de fosfato, precisamos de ferro. Muitas dessas coisas são facilmente entregues por meteoritos de ferro-níquel. ” O cenário de impacto tem outra vantagem: os impactos de meteoritos chocam a atmosfera, produzindo cianeto, diz Sutherland.
Deamer há muito defende uma sugestão diferente: fontes termais vulcânicas. Em um estudo este ano, ele e seu colega Bruce Damer argumentaram que os lipídios teriam formado protocélulas em águas quentes 14 , como seus experimentos anteriores indicaram. Os ciclos úmido-seco nas bordas das piscinas teriam conduzido a formação e cópia de ácidos nucléicos como o RNA.
Deamer conduziu vários experimentos em fontes termais vulcânicas modernas para testar suas idéias. Em 2018, sua equipe mostrou que as vesículas poderiam se formar na água termal 15 e até encerrar os ácidos nucléicos - mas não se formariam na água do mar. Um estudo de acompanhamento no ano passado descobriu que, quando as vesículas resultantes secaram, os nucleotídeos se ligaram para formar fitas semelhantes ao RNA 16 .
O rover Perseverance da NASA procurará por sinais de vida na cratera de Jezero em Marte. Crédito: ESA / FU-Berlin
Para restringir o local onde a vida começou, será necessário compreender o quadro mais amplo da química pré-biótica: como as muitas reações se encaixam e a gama de condições sob as quais ocorrem. Essa tarefa gigantesca foi tentada por um grupo liderado pela química Sara Szymkuć, presidente da empresa start-up Allchemy em Highland, Indiana. A equipe publicou um estudo abrangente em setembro, que usou um algoritmo de computador para explorar como uma vasta rede de reações prebióticas conhecidas poderia ter produzido muitas das moléculas biológicas usadas na vida hoje 17 .
A rede era altamente redundante, então os principais compostos biológicos ainda podiam se formar, mesmo se várias reações fossem bloqueadas. Por esse motivo, Szymkuć argumenta que é muito cedo para descartar qualquer um dos cenários de onde a vida se originou. Isso exigirá o teste sistemático de uma variedade de ambientes diferentes, para ver quais reações ocorrem e onde.
Além da terra
Se experimentos como o de Sutherland apontam o caminho de como a vida começou na Terra, eles também podem ajudar a explorar onde a vida pode ter começado em outro lugar do cosmos.
Marte atraiu mais atenção, porque há evidências claras de que já teve água líquida em sua superfície. O local de pouso do rover Perseverance da NASA, a cratera Jezero, foi escolhido em parte porque parece ter sido um lago - e poderia ter hospedado a química que Sutherland estudou. Ele ajudou a escrever uma apresentação de 2018 para a NASA liderada por Catling, que resumiu as descobertas da química pré-biótica e aconselhou sobre onde a Perseverança deveria olhar. “Apresentamos essa química e dissemos que esta cratera de Jezero, que é a que eles escolheram, é aquela onde havia a maior probabilidade de ocorrer essa química”, disse Sutherland.
Levará dois meses até que o Perseverance chegue a Marte - e anos antes que as amostras que coleta sejam devolvidas à Terra por uma missão futura ainda sem nome. Portanto, ainda há uma longa espera antes de descobrirmos se Marte abriga vida, ou se já o fazia bilhões de anos atrás. Mas, mesmo que não existisse, poderia revelar traços da química pré-biótica.
O melhor caso, diz Catling, é que o Perseverance encontra complicadas moléculas baseadas em carbono nas camadas de sedimentos marcianos, como lipídios ou proteínas, ou seus restos degradados. Ele também espera por evidências de ciclos úmido-seco. Isso pode vir na forma de camadas de carbonato que se formaram quando um lago secou e voltou a encher várias vezes. Ele suspeita que “a vida não foi muito longe em Marte”, porque não vimos nenhum sinal óbvio dela, como fósseis claros ou folhelhos negros ricos em carbono. “O que estamos procurando é muito simples, talvez até o ponto de ser pré-biótico, e não as próprias células”.
Pode ser que Marte tenha dado apenas os primeiros passos químicos em direção à vida e não tenha ido até o fim. Nesse caso, podemos encontrar fósseis - não de vida, mas de pré-vida.
Nature 588 , 210-213 (2020)
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