As origens da vida

A vida na Terra

A idade da Terra tem sido indicada como sendo de 4500 milhões de anos, mas até cerca de 500 milhões de anos depois da sua formação não teria sido possível qualquer tipo de vida. Na realidade, de início a Terra não era, provavelmente, mais do que um amontoado disperso de rochas. No entanto, as reacções nucleares de elementos radioactivos instáveis dentro das rochas provocou um aumento de temperatura e, à medida que a temperatura aumentava, as rochas derreteram e os gases libertaram-se.

A pouco e pouco, os elementos mais pesados foram formando um núcleo derretido no qual flutuava uma crosta de material mais leve, e todo este conjunto era rodeado por uma atmosfera gasosa composta principalmente por hidrogénio. Em combinação com outros elementos, como o carbono, o azoto, o oxigénio e o enxofre, o hidrogénio teria formado metano (CH4), amoníaco (NH)), vapor de água (H2O) e ácido sulfídrico (H2S). Não se encontrava presente oxigénio livre, mas o dióxido de carbono (CO2) deve ter sido libertado do núcleo derretido através da actividade vulcânica.

Fig. 1 - A Terra no seu estado inicial, há cerca de quatro mil e quinhentos milhões de anos, assemelhava-se provavelmente a uma paisagem quente, rochosa, nua e vulcânica.

Nessa altura, a Terra seria um lugar muito hostil para a vida, tal como a conhecemos, mas à medida que o planeta arrefecia as condições iam-se tornando mais favoráveis. Algum do hidrogénio - o elemento químico mais leve de todos - escapou-se da força gravitacional da Terra e foi libertado para o espaço interestelar, fazendo com que a atmosfera se reduzisse menos fortemente. O vapor de água condensou-se e caiu como chuva, criando oceanos vastos e pouco fundos. Tempestades eléctricas assolavam a Terra e a radiação ultravioleta do Sol era intensa. Relâmpagos, calor e ultravioletas - tudo isso forneceu a energia necessária para que se dessem reacções químicas entre os gases simples presentes na atmosfera. As moléculas mais complexas, formadas deste modo, foram arrastadas pelas chuvas para os oceanos, pouco profundos, formando aquilo que John Burdon Haldare - descreveu como uma «sopa quente diluída». Dentro desta «sopa» pôde então ocorrer outra reacção química que deu origem a outras moléculas ainda mais complexas ­ as moléculas a partir das quais a vida nasceria.

Em 1924, um químico soviético, Alexander Oparin, expôs a teoria da «biogénese primária» para explicar a origem da vida na Terra. Propunha ele que a determinada altura no passado as condições no planeta teriam favorecido uma geração espontânea de vida a partir de produtos químicos orgânicos pré-formados. Esta teoria é ainda hoje largamente aceite.

A prova experimental

A fim de testar a ideia de Oparin, e para melhor se compreender os processos que conduziram à síntese pré-biótica das moléculas complexas da vida, os cientistas tentaram recriar as condições que se julgava terem estado presentes na atmosfera na Terra dos primeiros tempos. A primeira e a mais famosa destas experiências foi levada a cabo por Stanley Miller, em 1953. Fechou quatro gases (metano, amoníaco, vapor de água e hidrogénio) num frasco e utilizou uma descarga eléctrica (para simular os relâmpagos) como fonte de energia que provocasse a reacção química. Quando os produtos da reacção foram analisados, verificou-se que uma variedade de moléculas orgânicas simples tinham sido formadas, incluindo um certo número de aminoácidos (os blocos construtores de proteínas). A partir daí, experiências semelhantes revelaram o aparecimento de numerosas moléculas biologicamente importantes.

As moléculas da vida

Os organismos vivos são compostos por quatro grandes grupos de compostos orgânicos, junta­ mente com uma variedade de substâncias inorgânicas. Os compostos orgânicos são açúcares, aminoácidos, lípidos e bases de azoto. Em condições favoráveis, estas moléculas são capazes de se unir e formar ligações químicas que constituem moléculas maiores no processo da polimerização. Por exemplo, uma molécula de açúcar simples, ou monossacárido, pode formar uma ligação com outra molécula de açúcar, constituindo um dissacárido. Se este processo se repetir muitas vezes, forma-se um polissacárido - por exemplo, o amido.

Os aminoácidos polimerizam-se e formam proteínas. Encontram-se vulgarmente cerca de vinte aminoácidos diferentes nos organismos vivos e é a sequência precisa que determina a identidade da proteína. As proteínas podem consistir em muitos milhares destes aminoácidos; o número de sequências diferentes possíveis (proteínas) é teoricamente infinito. Talvez a função mais importante das proteínas seja catalisar, ou realizar, todas as reacções quimicas que ocorrem na célula. Tais proteínas chamam-se enzimas.

Os lípidos são gorduras e óleos. Na sua forma mais simples consistem em longas cadeias de átomos de carbono e de hidrogénio ligados a uma molécula de glicerol, e têm a propriedade geral de não se misturarem na água. Os lípidos desempenham muitas funções dentro da célula: são importantes como armazéns de alimentos, por exemplo, e também como um dos maiores componentes de construção de membranas biológicas, que são estruturas que unem as células e regulam o transporte intercelular de metabólitos.

As bases de azoto são importantes constituintes de ácido desoxirribonucleico (ADN) e ácido ribonucleico (ARN) - o material genético. Eles ocorrem também num certo número de outras moléculas importantes, como o trifosfato de adenosina (TFA), um composto que é capaz de armazenar e transferir energia para outras moléculas.

O ADN e o ARN

O ADN desempenha uma função dupla: para além de conter uma informação codificada que dá à célula instruções sobre a maneira como construir todas as enzimas e outras proteínas necessárias para executar as complexas reacções da vida, ele passa também esta informação a gerações sucessivas. O ADN tem a estrutura de uma hélice dupla, que consiste em dois filamentos; cada um deles é uma sequência alternada de moléculas de açúcar e de fosfato, a partir das quais se projectam as bases de azoto. As bases nos dois filamentos emparelham uma com a outra apenas de uma maneira bastante específica e complementar, e é esta propriedade que torna o ADN uma molécula tão notável.

Fig. 2 - Os primeiros gases na Terra foram o hidrogénio, o oxigénio, o metano e o amoníaco. Mais de mil milhões de anos depois do seu aparecimento, à medida que o oxigénio se foi acumulando na atmosfera e limitando a penetração de raios ultravioletas, as moléculas formaram bases nucleicas simples.

Para além do ADN, um segundo ácido nucleico aparece nas células: é o ARN. Há vários tipos de ARN, que diferem do ADN porque contêm ribose de açúcar em vez de desoxirribose, e porque a base de azoto é uracil em vez de timina. As moléculas do ARN são também muito mais pequenas do que as do ADN e aparecem como fitas simples.

Quando a vida emerge

Torna-se claro, a partir de experiências efectuadas, que os polímeros tanto dos aminoácidos como dos nucleótidos podiam ter sido sintetizados no ambiente pré-biótico; estas moléculas eram formadas independentemente umas das outras, e só mais tarde a sua síntese se tornava interdependente. A maneira como isto aconteceu constitui o mistério central da origem da vida. Podem ser estabelecidos alguns critérios que definem a vida:

1 - Um organismo vivo deve ser uma entidade separada - deve ter uma fronteira entre ele e o seu ambiente.

2 - Um organismo vivo deve ser capaz de executar as reacções químicas que são necessárias para se manter a si próprio.

3 - Um organismo vivo deve ser capaz de se reproduzir.

Fig. 3 - A experiência de Miller foi realizada numa tentativa para se recriar a primitiva atmosfera da Terra, a fim de se compreender a formação das moléculas básicas. Têm-se apontado várias células - «protótipos» diferentes. Alexander Oparin e Sidney Fox (famosos cientistas americanos) propuseram teorias semelhantes baseadas no comportamento de certas macromoléculas em solução. Fox aqueceu aminoácidos juntos para produzir uma substância semelhante à proteína, chamada «proteinóide». Em solução a proteinóide formou «microsferas» - pequenas gotículas de solução rodeadas por um invólucro proteinóide. Estas microsferas revelaram algumas propriedades muito semelhantes à vida: eram capazes de retirar substâncias (incluindo enzimas) a partir da solução; podiam dividir-se, juntar-se e associar-se em cadeias e, em certas condições, pareceram mesmo crescer.

Oparin sintetizou gotículas semelhantes a partir de uma variedade de materiais. Chamou a essas gotículas «coacervantes». Tanto Oparin como Fox sugeriram que estruturas semelhantes a estas deram origem a células vivas, mas esta proposta tem sido objecto de muitas discussões.

Uma ideia alternativa é a de que as primeiras células tinham invólucros lipédicos não muito diferentes das membranas biológicas dos organismos actuais. As membranas biológicas são largamente compostas por fosfolípidos. Estes são moléculas de lípidos que, para além das cadeias de hidratos de carbono repelentes da água e gordos, contêm um grupo fosfato apreciador de água (hidrófilo). À superfície da água, estas moléculas distribuem-se espontaneamente, formando uma camada ou película. Isto deve-se ao facto de a parte hidrófila da molécula procurar uma associação com a água, ao passo que a parte gorda é repelida. Se a água é agitada, a película superficial rompe-se e formam-se esferas chamadas ·«lipossomas». Tem sido sugerido que uma posterior elaboração de lipossomas podia ter conduzido à formação de um invólucro celular viável.

O metabolismo primitivo

Muitas das reacções que têm lugar na célula necessitam de energia, de tal modo que nos primórdios da história da evolução teria sido necessária a existência de uma capacidade de «ruptura» das moléculas presentes no ambiente, com uma libertação de energia. As células retiram energia a partir de uma série de reacções que envolvem a divisão de moléculas complexas em moléculas mais simples. A energia libertada é então armazenada em TFA até ser necessária. O TFA, ou qualquer outra molécula semelhante rica em energia, teria inicialmente existido, pré-formada, no ambiente, mas as vias metabólicas para a sua síntese evoluíram desde então. As decomposições biológicas produziam, para além de energia, o dióxido de carbono - e isto pode ter tido implicações importantes para a evolução posterior.

Fig. 4 - A estela-do-mar do Ordoviciano (platanaster ordovicus) foi um dos primeiros invertebrados na Terra. A sua simetria radial representa uma das primeiras formas a organizar-se fora da aglomeração amórfica de células que constituía os primeiros organismos. Viveu há cerca de quinhentos milhões de anos, mas os seus descendentes não diferiram muito na fora; apenas os braços se tornaram menos largos.

Os genes ou enzimas

Embora tenha sido controversa a questão sobre qual dos dois evoluiu primeiro, parece claro que a capacidade das primitivas formas de vida para se reproduzirem (de tal modo que as duas novas células são as mesmas que a célula-mãe), dependia de ácidos nucleicos, mas não de proteínas. No entanto, a reprodução sem enzimas (embora possível) é extremamente lenta. A questão importante devia ser, talvez, como é que se desenvolvia a relação gene-enzima, em vez de se saber quem é que apareceu em primeiro lugar.

Pode ter acontecido que em determinado período uma proteína se desenvolvesse e tivesse a possibilidade de catalisar a polimerização nucleótica. O polímero nucleótido, assim formado, pôde então ter sido capaz de especificar a sequência da enzima que o polimerizou - isto é, inicialmente a relação ácido nucleico-proteína pode ter funcionado em ambas as direcções, com enzimas catalisando a polimerização das sequências nucleóticas que controla de outras enzimas novas.

O início da evolução

As primitivas formas de vida teriam sido micróbios unicelulares capazes de executar certas reacções de polimerização de moléculas pré-formadas no ambiente. Elas obtinham a energia para estas reacções dividindo outras moléculas menos complexas na «sopa orgânica». À medida que as células se multiplicavam, estas moléculas orgânicas pré-formadas esvaziavam-se, e os organismos começaram a competir entre si pelos compostos orgânicos, de certo modo raros, de que necessitavam.

Fig. 5 - Os organismos unicelulares são as formas de vida mais simples, e como tal julga-se terem sido as primeiras.

Os organismos capazes de executar reacções mais complexas de síntese e divisão teriam sobrevivido, ao passo que outros incapazes de tais modificações teriam morrido, anunciando assim o início da evolução biológica.