A origem da vida é um dos maiores desafios da ciência. Ela transcende as fronteiras disciplinares convencionais, mas tem sido abordada dentro desses limites há gerações. Não é de surpreender que estas tradições tenham enfatizado diferentes aspectos da questão.

Ou melhor, perguntas. A origem da vida é, na verdade, um continuum alargado desde a mais simples química pré-biótica até às primeiras células em reprodução, com máquinas moleculares codificadas por genes – máquinas como os ribossomas, as fábricas de construção de proteínas encontradas em todas as células. A maioria dos cientistas concorda que estas nanomáquinas são um produto de seleção – mas seleção para quê, onde e como?

Não há consenso sobre o que procurar ou onde. Nem há sequer acordo sobre se toda a vida deve ser baseada no carbono – embora toda a vida conhecida na Terra o seja. Os meteoritos trouxeram células ou material orgânico do espaço sideral? A vida começou na Terra nas águas quentes dos sistemas hidrotermais terrestres ou nos mares profundos?

As observações por si só não podem restringir estas possibilidades. Os poucos vestígios geológicos que sugerem o início da vida são enigmáticos. Uma impressão semelhante a uma bactéria é realmente um fóssil ou alguma estrutura geoquímica? Uma assinatura fraca de isótopos de carbono na superfície de um mineral é uma impressão digital de vida (que acumula o carbono-12 mais leve) ou o resultado de outro tipo de atividade química?

Os genes também não são diretamente úteis. A comparação de sequências genéticas em organismos modernos permite aos investigadores reconstruir uma “árvore da vida” que remonta a algumas das primeiras células que possuem genes. Embora a composição genética exata desta população ancestral seja contestada, por definição ela já tinha genes e proteínas e por isso pouco nos pode dizer sobre como surgiram.

Nada disto impede a compreensão da origem da vida, mas torna difícil provar ou refutar hipóteses concorrentes de forma inequívoca. Combine isso com a importância abrangente da questão e fica claro por que o campo está cercado de reivindicações excessivas e contra-alegações, que por sua vez distorcem o financiamento, a atenção e o reconhecimento.

Este contexto fragmentou o campo. Pontos de vista fortemente opostos coexistiram durante décadas sobre questões básicas como a fonte de energia e carbono, a necessidade de luz e se a seleção atua sobre genes, redes químicas ou células.

Para compreender como a vida pode ter começado, os investigadores devem parar de escolher a dedo os mais belos fragmentos de dados ou os passos isolados aparentemente mais convincentes, e explorar as implicações destas profundas diferenças de contexto. Dependendo do ponto de partida, cada hipótese tem diferentes previsões testáveis. Por exemplo, se a vida começou num lago quente em terra, a sucessão de passos que conduzem da química pré-biótica às células com genes é surpreendentemente diferente daqueles que devem ser postulados se as primeiras células emergiram em fontes hidrotermais profundas.

A construção de quadros coerentes — nos quais todas as etapas do continuum se encaixem — é essencial para obter progressos reais. Para perceber porquê, destacamos aqui dois dos enquadramentos mais proeminentes, que propõem ambientes radicalmente distintos para a origem da vida.

Sopa prebiótica

A maioria das pessoas já ouviu falar de sopa prebiótica. Isso ocorre em parte porque a hipótese se baseia na química que funciona melhor para produzir muitos dos blocos de construção dos seres vivos. Na versão moderna dessa ideia, a síntese das moléculas orgânicas começa com derivados do cianeto, energizados pela radiação ultravioleta. Esta química pode produzir produtos relevantes, como os blocos de construção de nucleotídeos dos genes, com altos rendimentos – embora diferentes reações ocorram em ambientes distintos, variando de equivalentes laboratoriais da atmosfera a lagoas e riachos geotérmicos. 1 .

De onde veio todo esse cianeto? Os impactos dos meteoritos podem ser uma das fontes, mas há pouco acordo sobre isso entre os geólogos. Esta abordagem também não explica como é que estes “reservatórios de material… ganham vida quando as condições mudam” 2 . Isto é, como os compostos que se formaram sob condições díspares poderiam persistir por longos períodos (potencialmente milhões de anos) antes de de alguma forma se unirem e se automontarem em células em crescimento.

Esta estrutura postula que os nucleotídeos estão concentrados em um pequeno lago. Para formar o RNA, o material genético mais simples e versátil, os nucleotídeos devem polimerizar. Isso é mais facilmente conseguido secando-os (a polimerização é um tipo de reação de desidratação). Os proponentes imaginam uma sucessão de ciclos úmido-seco, nos quais o lago seca para formar polímeros de RNA, depois se enche novamente com água contendo mais nucleotídeos e assim por diante, ciclo após ciclo, produzindo cada vez mais RNA. 3 .

Mas este conceito levanta algumas questões difíceis. Coloca a responsabilidade sobre um “mundo do ARN”, no qual o ARN actua tanto como catalisador (de forma semelhante às enzimas) como como modelo genético que pode ser copiado. Os problemas são que há poucas evidências de que o RNA possa catalisar muitas das reações que lhe são atribuídas (como as necessárias para o metabolismo); e a cópia do RNA “nu” (que não está encerrado em compartimentos como as células) favorece as cadeias de RNA que se replicam mais rapidamente. Longe de criar complexidade, estes tendem a ficar menores e mais simples com o tempo. Pior ainda, ao secar tudo regularmente, os ciclos úmido-seco continuam formando agrupamentos aleatórios de RNA (na verdade, genomas aleatórios). As melhores combinações, que codificam múltiplos catalisadores úteis, são imediatamente perdidas novamente pela re-randomização na próxima geração, impedindo a “herança vertical” que é necessária para que a evolução construa a novidade.

Se a seleção de RNA em lagoas de secagem pudesse de alguma forma gerar maior complexidade, o que ela deveria alcançar? Para fazer as células crescerem e se reproduzirem, o RNA deve codificar o metabolismo: a rede de centenas de reações que mantém todas as células vivas. As reações metabólicas modernas não têm nenhuma semelhança com a química do cianeto que produz os nucleotídeos neste modelo. A evolução necessitaria, portanto, de substituir cada passo do metabolismo, e não há provas de que tal substituição generalizada seja possível.

Ao contrário da evolução de um olho, um processo no qual os intermediários têm função, codificando apenas metade das etapas de uma via metabólica (ou metade das vias necessárias para uma célula de vida livre) tem pouco ou nenhum benefício. Os genes que codificam múltiplas vias metabólicas podem ter surgido ao mesmo tempo? As probabilidades contra isso são tão grandes que o astrofísico Fred Hoyle certa vez comparou isso a um tornado passando por um ferro-velho e montando um jato jumbo. Não basta afirmar que a evolução encontrará um caminho: uma explicação real precisa especificar como.

Em suma, diríamos que a química prebiótica começando com o cianeto pode produzir os blocos de construção da vida, mas a maioria das etapas subsequentes previstas por esta estrutura permanecem problemáticas.

Sistemas hidrotérmicos

Nosso cenário preferido é que a química da vida reflita as condições sob as quais a vida começou, em sistemas hidrotermais de águas profundas na Terra primitiva. 4 . Em linhas gerais, isso significa que gases como o dióxido de carbono (a fonte quase universal de carbono nas células hoje) e o hidrogênio alimentam uma rede de reações com uma topologia semelhante ao metabolismo. Genes e proteínas surgem dentro desse protometabolismo espontâneo e promovem o fluxo de materiais através da rede, levando ao crescimento e reprodução celular. Também há muitos problemas aqui, mas eles diferem daqueles da estrutura da sopa prebiótica.

O primeiro problema é que o H2 e o CO2 não são particularmente reativos – na verdade, a sua química foi largamente ignorada durante décadas, embora o crescente interesse pela química verde esteja a mudar isso. Mas as fontes de águas profundas são labirintos de poros interligados, que têm uma topologia semelhante a células – ácidas por fora e alcalinas por dentro. O fluxo de prótons de fora para dentro desses poros pode impulsionar o trabalho da mesma maneira que o fluxo de prótons para dentro pode impulsionar a fixação de CO 2 nas células hoje. 5 . Pesquisas nos últimos anos mostram que essas condições podem impulsionar a síntese de ácidos carboxílicos 6 e ácidos graxos de cadeia longa 7 , que pode se automontar em estruturas semelhantes a células delimitadas por membranas de bicamada lipídica 5 .

Mas muitos químicos estão preocupados com a ideia de que, na ausência de enzimas que sirvam como catalisadores, o fluxo hidrotérmico poderia conduzir inúmeras reações através de uma rede que prefigura o metabolismo, desde o CO2 até aos nucleótidos. A química Leslie Orgel certa vez rejeitou este cenário como um “apelo à magia”. Certamente, são necessários mais dados, de apoio ou não. Demonstrou-se agora que múltiplas etapas ocorrem espontaneamente nas principais vias metabólicas (como o ciclo de Krebs e a biossíntese de aminoácidos) sem serem impulsionadas por enzimas 8 , mas isso ainda está longe de demonstrar fluxo em toda a rede.

A polimerização é outro obstáculo. Os nucleotídeos foram polimerizados em água em superfícies minerais 9 , mas isto levanta questões semelhantes às observadas para os ciclos úmido-seco sobre como a seleção poderia agir. Se o problema fosse resolvido pela polimerização de nucleotídeos dentro de proto células em crescimento, as superfícies minerais não estariam disponíveis. A polimerização teria então de acontecer em condições semelhantes às das células (gel aquoso), mas sem enzimas. Se tentativas sérias de sintetizar RNA nessas condições falharem, a estrutura geral precisará ser modificada.

Uma chaminé de carbonato de 13 m de altura no Campo Hidrotérmico de Lost City

Uma chaminé de carbonato de 13 metros de altura no campo hidrotérmico de Lost City, no Oceano Atlântico. Crédito: Deborah Kelley e Mitch Elend, Universidade de Washington

Por outro lado, se estes problemas difíceis forem resolvidos, então o cenário hidrotérmico oferece um caminho promissor para o surgimento da informação genética, superando o argumento do jato jumbo de Hoyle. Os padrões no código genético sugerem interações físicas diretas entre os aminoácidos e os nucleotídeos que os codificam, especialmente para aqueles formados mais facilmente pelo metabolismo. 5 . Tais associações significam que sequências aleatórias de RNA poderiam atuar como modelos para peptídeos não aleatórios que têm uma função no crescimento de protocélulas. Os primeiros genes não teriam que codificar o metabolismo, mas apenas aumentar o fluxo através de um protometabolismo espontâneo – por exemplo, permitindo a reação entre H 2 e CO 2 .

Assim, em resumo, os dois enquadramentos têm vantagens e desvantagens diferentes, e é prematuro descartá-los.

As descobertas podem ser verdadeiras, mas irrelevantes

Da mesma forma, questões investigativas se aplicam a outros cenários de origens da vida. Se moléculas orgânicas fossem entregues do espaço – por exemplo, em condritos carbonáceos como o meteorito Murchison 10 - então como e onde eles se juntaram, como se polimerizaram e assim por diante? A entrega de produtos orgânicos a partir do espaço simplesmente armazena uma sopa e não resolve a maioria dos problemas posteriores – com a questão adicional de que é improvável que tal método de entrega tenha sido confiável e consistente em locais específicos.

Se a vida começou como gotículas conhecidas como coacervados, nas quais líquidos imiscíveis se separam em fases distintas que promovem diferentes tipos de química, então devemos perguntar de onde vieram todos os precursores que alimentaram o seu crescimento. E como essas gotículas separadas por fases se transformaram em células com topologia diferente, nas quais essas químicas distintas agora ocorrem principalmente sob condições de gel aquoso?

Perguntas semelhantes podem ser feitas sobre o “congelamento eutético” (no qual os cristais de gelo em crescimento concentram a sopa circundante) e os minerais ou poros em camadas nas rochas vulcânicas, como o basalto ou a pedra-pomes flutuante, que catalisam a síntese orgânica.

Todos estes fragmentos de cenários são “verdadeiros”, na medida em que existem evidências empíricas que apoiam cada momento instantâneo. Mas o facto de ser possível produzir aminoácidos através da passagem de descargas eléctricas através de uma mistura joviana de gases, como fez o famoso químico norte-americano Stanley Miller há 70 anos, não significa que foi assim que a vida começou - apenas que esta química é possível. Da mesma forma, o facto de uma química análoga poder ocorrer em sistemas hidrotérmicos, ou a partir de cianeto em sistemas geotérmicos terrestres, ou no espaço interestelar, não significa que todos estes ambientes foram necessários para o início da vida, apenas que esta química é favorecida em muitas condições. . A pergunta é sempre: o que acontece a seguir?

Se nenhum destes cenários estiver “errado”, então há espaço no campo para prosseguir múltiplos enquadramentos. Ninguém precisa abandonar suas posições privilegiadas (ainda). Mas as reivindicações impetuosas de um avanço sobre a origem da vida são ruídos inúteis se não surgirem no contexto de um quadro mais amplo. Em última análise, o problema só terá resposta se toda a questão for levada a sério.

Look for convergence points

Uma característica importante destas estruturas concorrentes é que, em última análise, devem convergir para células com genes e proteínas – para a vida tal como a conhecemos na Terra. Esta convergência oferece novas possibilidades de colaboração, porque qualquer resposta provavelmente apresentará aspectos de mais de um framework. Exatamente onde essas convergências ocorrerão dependerá de quais etapas hipotéticas serão refutadas.

Os cofatores oferecem um possível ponto de convergência. Eles receberam esse nome porque trabalham juntos com uma enzima para catalisar uma reação. Mas do ponto de vista das origens da vida, o termo é enganoso porque os cofatores geralmente catalisam a mesma reação por si próprios, embora de forma mais lenta. Muitos cofatores derivam de nucleotídeos, como o dinucleotídeo de nicotinamida adenina. Isto pode ser difícil de fazer quando se começa com CO 2 . Será que os cofatores foram inicialmente sintetizados a partir do cianeto, mas, uma vez em circulação, tenderam a catalisar a química do CO 2 , conduzindo agora um protometabolismo semelhante à vida que incluía a sua própria síntese 11 ?

Talvez, mas esta ideia também mostra como é importante testar primeiro as previsões dentro de uma estrutura específica. No cenário mais simples, toda a bioquímica começa a partir do CO 2 num sistema hidrotérmico, enquanto o cenário alternativo exige pelo menos dois locais e dois tipos de química – o que resulta em muito mais incerteza. A navalha de Occam diz que o cenário mais simples deve ser testado minuciosamente primeiro. Se for demonstrado que a química mais simples não funciona — isto é, se não for possível sintetizar cofatores a partir de CO2 sem cofatores — então a alternativa pode ser levada a sério.

Esta questão poderia ser abordada experimentalmente ou usando ferramentas modernas de química computacional, mas de qualquer forma, a melhor maneira de progredir é testar primeiro a ideia mais simples até a destruição. Se for possível demonstrar que não funciona, então o ponto de convergência poderá ser real e deverá ser explorado seriamente.

Em direção a uma resposta

O campo das origens da vida enfrenta os mesmos problemas com a cultura e os incentivos que afligem toda a ciência – ideias exageradas para publicação e financiamento, muito pouco terreno comum entre grupos concorrentes e talvez demasiado orgulho: um apego demasiado forte a cenários favorecidos, e muito pouca disposição para provar que estava errado. Estes incentivos são amplificados pela dificuldade de refutar hipóteses complexas e inter-relacionadas que envolvem diferentes disciplinas quando há tão poucas provas directas – nenhuma “arma fumegante” a ser descoberta.

Mudar esta cultura exigirá algum trabalho, dada a realidade política da ciência – a pressão incansável para publicar, para garantir financiamento, estabilidade ou promoção – mas é necessário se a área quiser continuar a atrair estudantes. Isto exige que os cientistas, mas também os editores e financiadores, estejam conscientes das questões que fragmentaram o campo e trabalhem para superá-las. Destacamos quatro prioridades para começar a caminhar na direção certa.

Formar cientistas interdisciplinares. A prossecução de hipóteses para além das fronteiras disciplinares convencionais exige uma nova geração de cientistas — estudantes de doutoramento, investigadores de pós-doutoramento e investigadores principais (PI) em início de carreira — com uma vasta experiência e uma vontade de testar hipóteses específicas dentro de quadros mais amplos e coerentes. A área beneficiará claramente de uma formação de doutoramento que enfatize a colegialidade, a interdisciplinaridade e o teste rigoroso e aberto de hipóteses concorrentes.

Promova uma boa comunicação. Para promover tal cultura, um de nós (JCX) co-fundou a Origin of Life Early-career Network (OoLEN) em 2020, que cresceu para mais de 200 investigadores internacionais, desde estudantes a PIs em início de carreira. É administrado por voluntários e não possui vínculos institucionais, financeiros ou outros. Os membros participam de debates por meio de reuniões regulares (online ou presenciais), divulgam pesquisas e escrevem artigos em conjunto. Ainda não faltam divergências, mas isso faz parte da pesquisa científica e a OoLEN promove uma abordagem saudável para elas 12 .

Para investigadores em fase final de carreira, as conferências poderiam ajudar a superar as divisões de formas semelhantes. As reuniões de física forneceram exemplos. Num deles, os proponentes da gravidade quântica em loop e da teoria das cordas mudaram de lado num debate, enquadrando argumentos bem-humorados mas fortes contra a sua própria posição numa forma construtiva de “tripulação de aço”.

Abrace a ciência aberta. Aceitar que hipóteses específicas serão refutadas e que os quadros serão reformulados exige a publicação de resultados negativos – muitas vezes subvalorizados e não publicados. Mas é claramente importante para a área saber se, por exemplo, as tentativas de sintetizar cofactores a partir do CO 2 falham – e, especificamente, em que condições.

A divulgação de dados negativos poderia ser promovida de diversas maneiras. O mais valioso é um uso mais sistemático de bases de conhecimento de acesso aberto e dirigidas pela comunidade, que hospedariam e fariam a curadoria de dados. Isto ajudaria a comparar as condições experimentais, destacar lacunas genuínas nas evidências empíricas e permitir a análise de grandes conjuntos de dados através de estudos de aprendizagem automática.

Melhorar as práticas de publicação. Os investigadores devem aspirar a contextualizar as suas descobertas em cartas de apresentação, artigos e comunicados de imprensa, para dar uma ideia de como o trabalho se enquadra num quadro mais amplo. Abster-se de exageros pode parecer irrealista, mas poderia funcionar se os investigadores implementassem esta prática nos seus papéis de revisores pares de artigos e subvenções, bem como de autores.

Os editores de revistas e os organismos que concedem subvenções também devem considerar o quão polarizado é o campo para garantir revisões justas. Uma forma de melhorar o processo de revisão por pares seria recrutar mais investigadores em início de carreira, que tendem a estar menos enraizados nas suas posições. A revisão transparente por pares (na qual relatórios anônimos são publicados com um artigo) também poderia reduzir o preconceito, porque permite críticas construtivas sem esconder preconceitos.

É demasiado cedo para procurar o consenso ou a unidade, e a questão é demasiado grande; o campo precisa de desunião construtiva. A adoção de múltiplos quadros rigorosos para a origem da vida, como defendemos aqui, promoverá a objetividade, a cooperação e a falsificabilidade — boa ciência — ao mesmo tempo que permitirá aos investigadores concentrarem-se naquilo que mais lhes interessa. Sem isso, a ciência perde o brilho e a criatividade, nunca mais importantes do que aqui. Com isso, o campo poderá um dia chegar perto de uma resposta.