Como a primeira vida na Terra sobreviveu à sua maior ameaça – água

Em 18 de Fevereiro do próximo ano, uma nave espacial da NASA cairá através da atmosfera marciana, disparará os seus retro-rocks para quebrar a sua queda e depois baixará um rover de seis rodas chamado Perseverança para a superfície. Se tudo correr como planeado, a missão irá aterrar na cratera de Jezero, um gás de 45 quilómetros de largura perto do equador do planeta que uma vez poderá ter segurado um lago de água líquida.

entre as multidões de terráqueos aplaudindo a Perseverança, John Sutherland estará particularmente atento. Sutherland, um bioquímico do Laboratório de Biologia Molecular do MRC em Cambridge, Reino Unido, foi um dos cientistas que pressionou a NASA a visitar a Cratera de Jezero, porque se enquadra nas suas ideias sobre a origem da vida – em Marte e na Terra.

A escolha do local de aterragem reflecte uma mudança no pensamento sobre os passos químicos que transformaram algumas moléculas nas primeiras células biológicas. Embora muitos cientistas tenham há muito especulado que essas células pioneiras surgiram no oceano, pesquisas recentes sugerem que as moléculas chave da vida, e seus processos centrais, podem se formar apenas em lugares como Jezero – um corpo relativamente superficial de água alimentado por córregos.

Isso porque vários estudos sugerem que as substâncias químicas básicas da vida requerem radiação ultravioleta da luz solar para se formar, e que o ambiente aquoso teve que se tornar altamente concentrado ou mesmo secar completamente às vezes. Em experiências de laboratório, Sutherland e outros cientistas produziram DNA, proteínas e outros componentes essenciais das células através do aquecimento suave de produtos químicos simples à base de carbono, submetendo-os à radiação UV e secando-os de forma intermitente. Os químicos ainda não foram capazes de sintetizar uma gama tão ampla de moléculas biológicas em condições que imitam a água do mar.

As evidências emergentes levaram muitos pesquisadores a abandonar a idéia de que a vida emergiu nos oceanos e, em vez disso, focar em ambientes terrestres, em lugares que eram alternadamente úmidos e secos. A mudança não é unânime, mas os cientistas que apoiam a idéia de um começo terrestre dizem que ela oferece uma solução para um paradoxo há muito reconhecido: que embora a água seja essencial para a vida, ela também é destrutiva para os componentes centrais da vida.

Lagos de superfície e poças são altamente promissores, diz David Catling, um cientista planetário da Universidade de Washington em Seattle. “Há muito trabalho que tem sido feito nos últimos 15 anos que apoiaria essa direção”

Sofa primária

Embora não haja uma definição padronizada de vida, a maioria dos pesquisadores concorda que ela precisa de vários componentes. Um é moléculas portadoras de informação – DNA, RNA ou outra coisa. Deve ter havido uma forma de copiar estas instruções moleculares, embora o processo tivesse sido 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 manteve essas partes díspares juntas, mantendo-as separadas de seu ambiente.

Quando a pesquisa laboratorial sobre as origens da vida começou a sério nos anos 50, muitos pesquisadores assumiram que a vida começou no mar, com uma rica mistura de produtos químicos à base de carbono dublado a sopa primordial.

Esta idéia foi proposta independentemente nos anos 20 pelo bioquímico Alexander Oparin, no que era então a União Soviética, e pelo geneticista J. B. S. Haldane no Reino Unido. Cada um imaginava a jovem Terra como uma enorme fábrica química, com multidões de 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 na Universidade de Chicago, em Illinois, descreveu um experimento agora famoso que foi visto como confirmando essas idéias1. Ele usou um frasco de vidro segurando água para imitar o oceano, e outro frasco contendo metano, amônia e hidrogênio para simular a atmosfera inicial. Tubos conectaram os frascos e um eletrodo simulou um relâmpago. Alguns dias de aquecimento e choques elétricos foram suficientes para fazer a glicina, o aminoácido mais simples e um componente essencial das proteínas. Isto sugeriu a muitos pesquisadores que a vida surgiu perto da superfície do oceano.

Mas muitos cientistas de hoje dizem que há um problema fundamental com essa ideia: as moléculas da pedra angular da vida quebram-se na água. Isto é porque proteínas, e ácidos nucléicos como DNA e RNA, são vulneráveis nas articulações deles/delas. As proteínas são feitas de cadeias de aminoácidos, e ácidos nucléicos são cadeias de nucleotídeos. Se as cadeias são colocadas em água, ele ataca os elos e eventualmente quebra eles. Em química de carbono, “água é um inimigo para ser excluído tão rigorosamente quanto possível”, escreveu o bioquímico tardio Robert Shapiro no livro Totemic 1986 dele Origens, que criticou a hipótese primordial de oceano2.

Este é o paradoxo de água. Hoje, as células o resolvem limitando o livre movimento da água em seus interiores, diz a bióloga sintética Kate Adamala na Universidade de Minnesota, em Minneapolis. Por esta razão, as imagens populares do citoplasma – a substância dentro da célula – estão muitas vezes erradas. “Nos ensinam que o citoplasma é apenas um saco que segura tudo, e tudo está nadando ao redor”, acrescenta ela. “Isso não é verdade, tudo é incrivelmente andaimes nas células, e é andaimes num gel, não num saco de água”

Se os seres vivos mantêm o controle da água, então a implicação, dizem muitos pesquisadores, é óbvia. A vida provavelmente se formou em terra, onde a água estava apenas intermitentemente presente.

Land start

Uma das principais evidências a favor desta ideia surgiu em 2009, quando Sutherland anunciou que ele e sua equipe tinham feito com sucesso dois dos quatro nucleotídeos que compõem o RNA3. Eles começaram com fosfato e quatro produtos químicos simples à base de carbono, incluindo um sal cianeto chamado cianamida. Os produtos químicos foram dissolvidos em água ao longo de todo o processo, mas eram altamente concentrados, e passos cruciais exigiam radiação UV. Tais reações não poderiam ocorrer nas profundezas do oceano – apenas em uma pequena piscina ou riacho exposto à luz solar, onde as substâncias químicas poderiam ser concentradas, diz ele.

A equipe do Sutherland mostrou desde então que as mesmas substâncias químicas iniciais, se forem tratadas sutilmente de forma diferente, também podem produzir precursores de proteínas e lipídios4. Os investigadores sugerem que estas reacções poderiam ter ocorrido se a água contendo sais de cianeto fosse seca pelo Sol, deixando uma camada de químicos secos, relacionados com o cianeto, que depois era aquecida, digamos, pela actividade geotérmica. No ano passado, sua equipe produziu os blocos de construção do DNA – algo antes considerado implausível – usando energia da luz solar e alguns dos mesmos produtos químicos em altas concentrações5,

Esta abordagem foi estendida pelo bioquímico Moran Frenkel-Pinter no NSF-NASA Center for Chemical Evolution em Atlanta, Geórgia, e seus colegas. No ano passado, eles mostraram que os aminoácidos se ligavam espontaneamente para formar cadeias semelhantes a proteínas se fossem secos6. E esses tipos de reação eram mais prováveis de ocorrer com os 20 aminoácidos encontrados nas proteínas hoje em dia, em comparação com outros aminoácidos. Isso significa que a secagem intermitente poderia ajudar a explicar porque a vida usa apenas esses aminoácidos, entre centenas de possibilidades. “Nós vimos seleção para os aminoácidos de hoje”, diz Frenkel-Pinter.

Molhado e seco

Secagem intermitente também pode ajudar a impulsionar esses blocos de construção molecular para montar em estruturas mais complexas, como a vida.

Um experimento clássico nesse sentido foi publicado em 1982 pelos pesquisadores David Deamer e Gail Barchfeld, então na Universidade da Califórnia, Davis7. Seu objetivo era estudar como os lipídeos, outra classe de moléculas de cadeia longa, se auto-organizam para formar as membranas que envolvem as células. Primeiro fizeram vesículas: bolhas esféricas com um núcleo aquoso rodeado por duas camadas lipídicas. Depois os pesquisadores secaram as vesículas, e os lipídios reorganizaram-se em uma estrutura de várias camadas como uma pilha de panquecas. Cordões de DNA, anteriormente 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.

“Estes ciclos húmidos e secos estão em todo o lado”, diz Deamer, que está agora na Universidade da Califórnia, Santa Cruz. “É tão simples como a água da chuva a evaporar nas rochas molhadas.” Mas quando eles são aplicados a produtos químicos biológicos como os lipídios, ele diz, coisas notáveis acontecem.

Em um estudo de 2008, Deamer e sua equipe misturaram nucleotídeos e lipídios com água, e depois os colocaram em ciclos úmido-seco. Quando os lípidos formaram camadas, os nucleotídeos se ligaram em cadeias semelhantes ao RNA – uma reação que não aconteceria na água sem ajuda8.

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 Massachusetts General Hospital em Boston, que trabalha com ‘protócélulas’ – versões simples de células que contêm um punhado de produtos químicos, mas que podem crescer, competir e se replicar. As protocélulas exibem comportamentos mais vivos se forem expostas a condições semelhantes às da terra. Um estudo, no qual Adamala foi co-autor, descobriu que as protocélulas poderiam usar energia da luz para dividir, numa forma simples de reprodução9. Da mesma forma, Claudia Bonfio, agora também no Laboratório de Biologia Molecular da MRC, e seus colegas mostraram em 2017 que a radiação UV impulsiona a síntese de clusters de enxofre de ferro10, que são cruciais para muitas proteínas. Estas incluem as da cadeia de transporte de electrões, que ajudam a alimentar todas as células vivas, conduzindo a síntese da molécula de armazenamento de energia ATP. Os aglomerados de enxofre de ferro se separariam se fossem expostos à água, mas a equipe de Bonfio descobriu que eles eram mais estáveis se os aglomerados fossem cercados por simples peptídeos 3-12 aminoácidos de comprimento.

Água, mas não muito

Aqueles estudos deram impulso à idéia de que a vida começou em uma superfície bem iluminada com uma quantidade limitada de água. No entanto, ainda há debate sobre quanta água estava envolvida e que papel desempenhou no início da vida.

Como Deamer, Frenkel-Pinter argumenta que os ciclos húmidos e secos foram cruciais. Condições secas, diz ela, proporcionaram uma oportunidade para moléculas de cadeia como proteínas e RNA formarem.

Mas simplesmente fazer RNA e outras moléculas não é vida. Um sistema auto-sustentável, dinâmico tem que formar. Frenkel-Pinter sugere que a destrutividade da água poderia ter ajudado a conduzir isso. Assim como os animais de presa 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 o bem.

Este ano, a equipa da Frenkel-Pinter seguiu o seu estudo anterior6 mostrando que a secagem fazia com que os aminoácidos se ligassem espontaneamente. A equipe descobriu que suas proto-proteínas podiam interagir com RNA, e que ambas se tornaram mais estáveis na água como resultado11. De fato, a água atuou como uma pressão de seleção: só aquelas combinações de moléculas que poderiam sobreviver na água continuariam, porque as outras seriam destruídas.

A idéia é que, com cada ciclo de molhar, as moléculas mais fracas, ou aquelas que não poderiam se proteger ligando a outras, foram destruídas. Bonfio e sua equipe demonstraram isso em um estudo deste ano12, no qual tentaram converter ácidos graxos simples em lipídios mais complexos, parecidos com os encontrados nas membranas celulares modernas. Os pesquisadores criaram misturas de lipídios, e descobriram que os simples foram destruídos pela água, enquanto os maiores e mais complexos foram acumulados. “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.

Poças de água quente

Onde tudo isso pode ter acontecido? Sobre este ponto, há uma divisão geracional no campo. Muitos pesquisadores seniores estão comprometidos com um ou outro cenário, enquanto pesquisadores mais jovens frequentemente argumentam que a questão é bem aberta.

O mar aberto é inviável, diz Frenkel-Pinter, porque não há como os químicos se concentrarem. “Isso é realmente um problema”, concorda Bonfio.

Uma ideia marinha alternativa tem sido defendida desde os anos 80 pelo geólogo Michael Russell, um pesquisador independente anteriormente no Jet Propulsion Laboratory, em Pasadena, Califórnia. Russell argumenta que a vida começou em respiradouros no fundo do mar, onde a água quente alcalina infiltra-se a partir de formações geológicas abaixo. As interações entre água morna e rochas forneceriam energia química que primeiro impulsionaria ciclos metabólicos simples, que mais tarde começariam a fazer e usar produtos químicos como RNA.

Russell é crítico da abordagem de Sutherland. “Ele está fazendo todos esses fantásticos pedaços de química”, diz ele, mas para Russell, nada disso é relevante. Isso é 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 substâncias em si. “A vida, escolhe moléculas muito particulares. Mas não se pode escolhê-las da bancada. Você tem que fazê-los do zero e é isso que a vida faz”

Contra que uma vez RNA, proteínas e assim por diante tinham se formado, a evolução teria tomado conta e permitido aos proto-organismos encontrar novas maneiras de fazer estas moléculas e assim se sustentarem.

Meanwhile, many researchers have expressed scepticism about Russell’s alkaline-vent hypothesis, argumentando que falta o suporte experimental.

Por contraste, experimentos químicos que simulam condições de superfície fizeram os blocos de construção de ácidos nucléicos, proteínas e lipídios. “Nenhuma dessa síntese existe naquela hipótese de respiro hidrotermais profundo do mar. Simplesmente não foi feito, e possivelmente porque não pode ser feito”, diz Catling.

Frenkel-Pinter também é crítico da idéia de respiro, porque as moléculas com que ela trabalha não sobreviveriam por muito tempo naquelas condições. “A formação desses protopeptídeos não é muito compatível com as aberturas hidrotermais”, diz Frenkel-Pinter.

Uma possível solução foi proposta em maio pela geochemista Martina Preiner, uma pós-doutora na Universidade de Düsseldorf, na Alemanha, e seus colegas. Ela argumenta que nas rochas por baixo das aberturas hidrotermais, o calor e as reacções químicas ligam as moléculas de água ou separam-nas – criando espaços secos13. “Há interações entre água e rocha se livrando da água até certo ponto”, diz ela. Intermitentemente, mais água do mar se infiltraria, dando “algo como uma ciclagem úmida e seca”. Isto deve tornar as rochas do mar profundo muito mais adequadas para a formação de moléculas chave, argumenta Preiner, embora ela reconheça que esta ainda é uma hipótese. “É claro que ainda é preciso fazer as experiências de acordo para provar que isto poderia fazer certas reacções”

No presente, no entanto, essa evidência não existe. Entretanto, cresce o apoio experimental para a idéia de que a vida começou em pequenos corpos de água em terra.

Sutherland favorece uma cratera de impacto de meteorito, aquecida pelo Sol e pela energia residual do impacto, com múltiplas correntes de água correndo pelos lados inclinados, e finalmente se encontrando em uma piscina no fundo. Este teria sido um ambiente complexo, em 3D, com superfícies minerais para actuar como catalisadores, onde os químicos à base de carbono poderiam ter sido dissolvidos alternadamente na água e secados no Sol. “Você pode dizer com algum 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 muito facilmente entregues por meteoritos de ferro-níquel”. O cenário de impacto tem uma vantagem adicional: os impactos dos meteoritos chocam a atmosfera, produzindo cianeto, diz Sutherland.

Deamer há muito tempo defende uma sugestão diferente: as fontes termais vulcânicas. Em um estudo deste ano, ele e seu colega Bruce Damer argumentaram que os lipídios teriam formado protócélulas nas águas quentes14 , como suas experiências anteriores indicaram. Os ciclos molhado-seco nas bordas das piscinas teriam impulsionado a formação e cópia de ácidos nucléicos como RNA.

Deamer conduziu vários experimentos em fontes quentes vulcânicas modernas para testar as idéias dele. Em 2018, a equipe dele mostrou que vesículas poderiam se formar em água quente de fonte15, e até mesmo fechar ácidos nucléicos – mas eles não se formariam em água do mar. Um estudo de seguimento no ano passado descobriu que quando as vesículas resultantes foram secas, nucleotídeos ligados para formar filamentos semelhantes a RNA16.

Narrow down the location where life started will require understanding of the broader picture of prebiotic chemistry: how the many reactions fits together, and the range of conditions under which they occur. Essa tarefa gigantesca foi tentada por um grupo liderado pela química Sara Szymkuć, presidente da empresa iniciante 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 hoje17.

A rede era altamente redundante, então compostos biológicos chave ainda poderiam se formar mesmo que múltiplas reações fossem bloqueadas. Por esta razão, Szymkuć argumenta que é muito cedo para descartar qualquer um dos cenários para onde a vida se originou. Isso exigirá testar sistematicamente uma variedade de ambientes diferentes, para ver quais reações ocorrem onde.

Além da Terra

Se experiências como a de Sutherland apontam o caminho para como a vida começou na Terra, elas também podem ajudar a explorar onde a vida poderia ter começado em outro lugar no cosmos.

Mars tem atraído mais atenção, porque há evidências claras de que uma vez teve água líquida em sua superfície. O local de desembarque do Perseverance Rover 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 prebiótica e aconselhou sobre onde a Perseverança deveria procurar. “Nós apresentamos esta química e dissemos que esta Cratera Jezero, que é a que eles eventualmente escolheram, é aquela onde havia a maior probabilidade de que esta química estivesse a funcionar”, diz Sutherland.

Serão dois meses até que a Perseverança chegue a Marte – e anos antes que as amostras que ela recolhe 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 o fez há bilhões de anos. Mas mesmo que não o fizesse, poderia revelar traços de química prebiótica.

O melhor caso, diz Catling, é que a Perseverança encontra moléculas complicadas à base de carbono nas camadas de sedimentos marcianos, tais como lipídios ou proteínas, ou os seus restos degradados. Ele também espera por evidências de ciclos de seca úmida. Isto pode vir na forma de camadas de carbonato que se formaram quando um lago secou e reabasteceu muitas vezes. Ele suspeita que “a vida não chegou particularmente longe em Marte”, porque não vimos nenhum sinal óbvio disso, tais como fósseis claros ou xistos negros ricos em carbono. “O que procuramos é bastante simples, talvez até ao ponto de ser prebiótico e não as próprias células”

Pode ser que Marte tenha dado apenas os primeiros passos químicos em direcção à vida, e não tenha ido até ao fim. Nesse caso, poderíamos encontrar fósseis – não de vida, mas de pré-vida.