Em Um Pequeno Lago Está A Confirmação Da última Teoria De Darwin

Em condições de laboratório, químicos obtiveram estruturas de substâncias não biológicas que são capazes de se alimentar e se multiplicar independentemente. E os físicos provaram: as primeiras células que surgiram dessa forma, muito provavelmente, apareceram em reservatórios que secavam periodicamente. Assim, a teoria de Charles Darwin de geração espontânea de vida em um pequeno lago foi confirmada.

Células elementares da vida

Todos os organismos da Terra são compostos de células – as células elementares da vida. As principais funções que distinguem coisas vivas de não vivas – metabolismo, crescimento, respostas a estímulos, adaptação, reprodução e transmissão de informação genética – são realizadas devido a processos físicos e químicos que ocorrem nas células.

Mas para tudo isso funcionar, a própria célula tinha que aparecer. Segundo os cientistas, isso foi precedido pelo acúmulo de substâncias orgânicas no meio ambiente e pelo surgimento no processo de sua síntese de formas prebióticas – as protocélulas, que se tornaram um elo de ligação entre matéria viva e não viva.

Não há vestígios deles no registro geológico. Mesmo porque as rochas com três e meio à quatro bilhões de anos não sobreviveram para contar a história. Ou seja, durante esse período, a vida nasceu na Terra.

As protocélulas deveriam conter pelo menos dois elementos essenciais: uma molécula capaz de se auto-replicar com informações hereditárias e uma casca que a protegesse do meio ambiente. A estrutura genética das protocélulas era muito primitiva – os cientistas acreditam que até certo ponto elas apenas se alimentavam e se multiplicavam, sem se alterar em nada.

Em 2011, biólogos da Universidade de Tóquio criaram análogos sintéticos de protocélulas em um laboratório a partir de um conjunto de substâncias orgânicas. Como resultado da reação em cadeia da polimerase (PCR), foi possível atingir sua divisão espontânea plena – semelhante ao que ocorre em condições naturais.

As estruturas celulares recém-formadas que surgiram durante a divisão eram completamente idênticas às primárias: junto com a membrana, herdaram das “células” da mãe todo o conjunto de genes que determinam suas funções.

Esses “organismos” ainda não podem ser chamados de vivos, porque não possuem um componente evolutivo. Mas eles são muito semelhantes às formas mais simples que surgiram há bilhões de anos.

Para preparar o substrato primário das estruturas protocelulares, ou, cientificamente, coacervado (N.T. é um aglomerado de moléculas proteicas envolvidas por água em sua forma mais simples), os autores pegaram dezenas de componentes orgânicos, cuja proporção foi previamente calculada em um computador. Depois de combinadas, essas substâncias formaram bolhas coacervadas no substrato com uma bainha catiônica e elementos de DNA em seu interior.

Apesar da natureza inovadora do estudo, seus resultados não comprovam a possibilidade de abiogênese – teoria da geração espontânea que explica a origem da vida a partir da matéria bruta, ou seja, de uma matéria sem vida. O fato é que as enzimas, peptídeos e ácidos nucléicos que os cientistas usavam como componentes eram de origem biológica – ou seja, formados por organismos vivos.

O DNA não é capaz de se auto reproduzir sem a participação de certas enzimas – proteínas específicas que catalisam todas as etapas de sua replicação. Cientistas japoneses conseguiram criá-lo em laboratório, mas, novamente, usando componentes biológicos.

Material para as primeiras células

Em um novo estudo, cientistas do Instituto de Ciências da Terra e da Vida do Instituto de Tecnologia de Tóquio, em colaboração com colegas da Malásia, República Tcheca, Estados Unidos e Índia, decidiram encontrar mecanismos potenciais para a formação das primeiras células “do zero” – apenas por processos químicos, sem a participação da biologia.

Eles estudaram uma ampla gama de compostos que podem ter se formado como resultado de reações prebióticas na Terra primitiva.

E eles descobriram que muitas dessas substâncias – éteres, aminas, azidas, imidas e outras – sob certas condições polimerizam mais facilmente do que compostos biológicos. E alguns até criam espontaneamente estruturas semelhantes a células – compartimentos. Segundo os autores, as cadeias de polímeros dentro de tais compartimentos, torcidas, poderiam formar formas tridimensionais únicas – protótipos de proteínas ou RNA.

© Jim Cleaves, ELSI Compartimentos – agregados macromoleculares auto organizados em um polímero seco de glicina e ácido glicólico

Como você sabe, as proteínas, que são cadeias flexíveis de aminoácidos polimerizados, desempenham o papel de catalisadores de reações químicas nas células. Em organismos vivos, eles são sintetizados usando o código universal embutido no RNA. Como e quando apareceu, os cientistas ainda não sabem. Mas os resultados da pesquisa indicam que muitas moléculas polimerizadas podem formar cadeias semelhantes e formas catalíticas semelhantes.

© Paul Adamski et al. / Nature Reviews Chemistry, 2020 Exemplo de um ciclo de polimerização auto-replicante de produtos químicos não biológicos

Para obter cadeias de polímero em laboratório, os autores usaram alternância periódica de condições secas e úmidas. A evaporação da solução diluída, via de regra, deu início ao processo de polimerização, mas nem todos os polímeros formados resistiram à secagem. Alguns se desfizeram. Outros, com a adição de água, continuaram um ciclo de síntese auto replicante. Nisso, os autores veem o primeiro, mesmo no nível das moléculas, uma manifestação da seleção evolutiva, que mais tarde se tornou uma característica integral de todos os organismos vivos.

Depois de examinar esses polímeros “evolutivamente fortes” sob um microscópio, os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que alguns haviam formado compartimentos do tamanho de uma gaiola contendo de dez a vinte átomos. De acordo com os cientistas, ao longo do tempo, esses agregados semelhantes a células, após longas transformações químicas, podem se tornar células completas – estruturas auto organizadas que já consistem em milhões de átomos.

© Kuhan Chandru Os estágios de emergência das primeiras estruturas celulares de substâncias não biológicas nas condições da Terra primitiva: 1 – a mudança periódica das condições secas e úmidas em um reservatório raso criou um ambiente para a polimerização de produtos químicos; 2 – a cada etapa da secagem, coágulos (compartimentos) poliméricos foram formados no substrato; 3 – subsequente divisão espontânea e automontagem de compartimentos levou ao surgimento de protocélulas

A instabilidade é uma condição para a vida

O fato de a alternância cíclica dos períodos úmido e seco contribuir para o surgimento de complexos compostos prebióticos no sistema químico também é confirmado pelos físicos.

Cientistas americanos da Universidade da Pensilvânia, junto com colegas da Pritzker School of Molecular Engineering da University of Chicago, estudaram no síncrotron APS do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos Estados Unidos quais mudanças de fase os compartimentos de polímero sofrem nos ciclos de hidratação-desidratação.

Os autores investigaram coacervatos polieletrólitos em meio líquido com a mesma composição da água de um lago. Eles simularam as condições em que o “lago” seca e depois se enche de água da chuva. E descobriram: no primeiro caso, a concentração de ácidos nucléicos e sais aumenta, no segundo diminui. Não houve mudança dentro dos compartimentos de polímero.

Isso indica que nas estruturas semelhantes a células primárias, o ambiente era constante, o que ajudava a manter os ciclos das reações químicas. De acordo com os pesquisadores, isso se tornou um fator chave na formação gradual de compostos poliméricos complexos que se auto-reproduzem, como o RNA, dentro das protocélulas.

Hoje, os químicos sabem que, na natureza, ciclos repetidos de hidratação-desidratação facilitam a montagem de blocos de construção moleculares – aminoácidos e nucleotídeos – em peptídeos e proteínas, diminuindo a barreira termodinâmica que normalmente impede a polimerização. Exemplos de tais sistemas naturais são corpos d’água rasos em regiões onde as chuvas periodicamente dão lugar a secas, ou fontes termais ocasionais, como gêiseres.

Mas é surpreendente que a primeira ideia da origem da vida em um “lago raso e aquecido pelo sol” tenha sido expressa por Charles Darwin em meados do século XIX.