ORIGEM DA VIDA

BIG BANG

A teoria do Big Bang é uma tentativa da Física de explicar as origens do Universo. De forma bastante simples, ela afirma que todo o Universo iniciou-se a partir de uma singularidade, que vem expandindo-se pelo menos há 13,8 bilhões de anos. A teoria foi proposta pela primeira vez em 1920 pelo astrônomo e padre jesuíta Georges-Henri Lemaître (1894-1966), à qual ele se referia como a “hipótese do átomo primordial”. Posteriormente essa teoria foi desenvolvida pelo físico russo George Gamov (1904-1968). Uma de suas principais sugestões foi que a formação dos núcleos atômicos (nucleossíntese) nos primórdios do Universo deveria deixar como rastro uma radiação detectável, na faixa das micro-ondas.

CRIACIONISMO

O Criacionismo é a teoria ou crença religiosa na qual a humanidade, bem como toda a vida na Terra e no Universo são frutos da criação de um ser sobrenatural sem nenhuma, ou quase nenhuma matéria pré-existente, além, é claro, de que essas criações não estariam sujeitas a evoluções ou transformações.

PRINCIPAIS TEORIAS

Duas teorias dominam o mundo acadêmico no que diz respeito ao surgimento da vida na Terra. Uma delas, atualmente mais aceita, é conhecida como teoria de evolução bioquímica e se baseia na premissa de que, em condições específicas, moléculas mais simples (inorgânicas) poderiam reagir e se agrupar, originando moléculas mais complexas (orgânicas) que, em progressão, sofreriam rearranjos para a formação de estruturas celulares. Paralelamente a esta, há a teoria de panspermia cósmica que oferece como explicação para o surgimento de vida em nosso planeta, não as condições existentes na própria Terra, mas em outros pontos de nosso sistema solar. Assim, moléculas complexas poderiam ter sido carregadas até aqui por asteróides e, a partir de então, teriam surgido os primeiros organismos vivos. Um grande ponto favorável a esta teoria recai sobre a detecção de moléculas orgânicas, como aminoácidos, em corpos celestes estudados fora da nossa atmosfera.

A FORMAÇÃO DA TERRA

A origem da vida em nosso planeta, segundo apontam os estudos, data de aproximadamente 3 bilhões de anos atrás. Assim, considerando que a terra tenha surgido a pouco mais de 4,5 bilhões de anos, é preciso ter em mente que as condições nas quais a vida se origina são muito diferentes das condições onde ela se mantém atualmente.

Antes de qualquer coisa, é importante visualizarmos um planeta extremamente aquecido no qual a crosta terrestre ainda estava se formando gradativamente pelo seu processo de resfriamento. Com temperaturas tão altas, era praticamente impossível manter água em estado líquido, o que impossibilitaria a vida da forma que a conhecemos. Além disso, a atmosfera apresentava uma composição distinta da que temos hoje, provavelmente contendo os gases CO, CO₂, CH₄, e N₂. A ausência de O₂ não apenas inviabilizaria a sua utilização na produção de energia pela respiração celular aeróbica, como também impossibilitaria a formação da camada de ozônio (O₃) que nos protege da radiação ultravioleta C (UV-C), extremamente mutagênica. Por fim, a grande quantidade de meteoros que chegava à superfície da Terra também tornava este ambiente mais agressivo a qualquer ser vivo que pudesse surgir.

Se por um lado os meteoros traziam à Terra grandes impactos e poder destrutivo, por outro agregavam massa ao planeta e gotículas de água em seu interior. A quantidade de asteroides que chega ao planeta nesta época é tão grande que a água acelera o seu resfriamento enquanto evapora e se soma aos gases atmosféricos. O ciclo de evaporação e precipitação da água provoca grandes tempestades com descargas elétricas de grande potência. Neste momento começam a se formar oceanos primitivos e, com a retenção de quantidades cada vez maiores de água líquida, surge a possibilidade de vida na Terra.

Considerando estas informações, os cientistas Miller e Urey tentaram recriar, em 1953, as condições da Terra primitiva em um aparelho laboratorial de forma a testar a formação de moléculas orgânicas. Neste aparelho, esquematizado na figura a seguir, há alguns compartimentos a se destacar, cada um equivalente a um ponto crucial das condições iniciais de nosso planeta.

Um compartimento contendo água era constantemente aquecido de forma a simular os oceanos primitivos durante o resfriamento e formação da crosta terrestre. A água evaporada a partir deste processo seguia por um tubo no qual eram introduzidos gases (NH₃, CH₄ e H₂) que, aquele momento, eram entendidos como componentes da atmosfera primitiva. Esta mistura de gases era submetida a um segundo compartimento que, conectado a eletrodos, possibilitava a simulação das descargas elétricas provenientes das tempestades intensas da Terra em formação. Por fim, ao passar por um tubo contendo um condensador com água fria, a mistura de gases resfriada voltada ao estado líquido onde recomeçava a trajetória. Após uma semana de funcionamento, os cientistas retiraram uma amostra do líquido obtido e nele detectaram, como esperado, matéria orgânica sob a forma de aminoácidos.

A repetição deste processo ao longo de bilhões de anos poderia ter levado ao aumento da complexidade dessas moléculas. Isto ainda não significaria o surgimento da vida, é claro. Afinal, a vida como conhecemos depende da individualidade, da capacidade de isolamento a partir do meio em que se insere, sem perda de comunicação com o mesmo.

Como sugerido independentemente pelos pesquisadores Oparin e Haldane, e testado posteriormente por Fox, o ciclo de evaporação e precipitação levava à agregação de aminoácidos e proteínas que, ao serem reidratados, formavam estruturas isoladas batizadas como coacervatos (microsferas). Estas estruturas são aglomerados protéicos formados sob condições especiais de salinidade e acidez que lembram glóbulos microscópicos, ao redor dos quais, se organiza uma camada de água que separa os meios interno e externo.

Ainda que os coacervatos não sejam estruturas celulares, a existência de ácidos nucléicos em seu interior pode ter levado à capacidade de duplicação. Assim, não temos evidências sobre os detalhes de formação da primeira célula, mas os indícios apontam para uma sequência de eventos em condições particulares nas quais isso seria possível.

PRIMEIRA CÉLULA

Duas principais hipóteses brigam até o momento para determinar as características dos primeiros organismos. É comum a ambas afirmarem que se tratava de um ser procarionte, unicelular e anaeróbico. As duas primeiras afirmações dizem respeito à complexidade mínima dessas células e à capacidade de formar aglomerados celulares e estruturas teciduais, o que parece ser uma característica derivada e não primitiva. A terceira afirmação diz respeito às condições de vida na Terra durante o início da formação do nosso sistema solar uma vez que, ainda que possuíssemos uma atmosfera, sua composição estava distante da que observamos atualmente e, muito provavelmente, não continha gás oxigênio.

O mecanismo de nutrição deste primeiro ser vivo, no entanto, é o ponto de divergência entre estas hipóteses. Há pesquisadores que apontam para uma célula heterotrófica capaz de capturar partículas alimentares por um processo similar à fagocitose. Outros pesquisadores indicam a ocorrência de processos autotróficos que possibilitariam a sustentação de uma futura cadeia alimentar.

HIPÓTESE HETEROTRÓFICA 

Como mencionado anteriormente, ao estudarmos evolução costumamos aceitar com mais facilidade a progressão em complexidade com base no surgimento do menor número de processos por vez. Em outras palavras, se a explicação para a origem de um novo grupo taxonômico exige o surgimento de muitas características de uma só vez, é provável que esta explicação esteja errada.

Baseando-se neste princípio a explicação heterotrófica indica que a primeira célula em nosso planeta deva ter apresentado este tipo de nutrição, uma vez que adquirir nutrientes presentes no meio demanda um número muito menor de reações metabólicas do que a capacidade de realizar por si mesmo a produção e posterior degradação destes compostos orgânicos. Outras evidências favoráveis a esta hipótese dizem respeito à evolução da própria Terra. Uma vez que durante seu resfriamento tenham começado se formar os primeiros oceanos, e por reações químicas atmosféricas tenham se formado os primeiros compostos orgânicos, a comida seria para estes primeiros seres vivos seria abundante. Assim, sem pressão evolutiva, não haveria motivo para que um ser heterotrófico não fosse selecionado positivamente.

Segundo a hipótese heterotrófica, no entanto, a rápida proliferação destas primeiras células heterotróficas teria atingido um ponto em que o consumo de moléculas orgânicas seria maior do que sua produção por reações químicas atmosféricas. Neste momento, a escassez de alimento levaria à seleção positiva de um organismo fosse capaz de “produzir seu próprio alimento”. Desta forma, com o surgimento aleatório de uma célula autotrófica, a produção de matéria orgânica voltaria a crescer, uma cadeia alimentar começaria a se estabelecer e, inclusive, gás oxigênio começaria a ser produzido, possibilitando o surgimento e manutenção dos primeiros organismos aeróbicos. 

HIPÓTESE AUTOTRÓFICA

Apesar de parecer fugir à lógica básica da evolução em um primeiro momento, muitos pesquisadores apontam o surgimento de organismos autotróficos antes dos organismos heterotróficos. Isto demandaria o aparecimento de reações metabólicas mais complexas, mas, segundo eles, traria alguns benefícios.

O principal problema apontado na hipótese heterotrófica diz respeito à fragilidade do sistema proposto. Neste esquema, as primeiras células teriam surgido nos oceanos primitivos rasos e superficiais, local no qual haveria acúmulo de matéria orgânica trazida das precipitações atmosféricas. No entanto, com um sistema solar em formação e uma Terra instável, o número de tempestades elétricas neste período geológico seria muito elevado. Além disso, o número de colisões de asteroides com a superfície da Terra também era muito alto devido à “ausência” de Marte no sistema solar, o que colocaria em perigo a vida destas primeiras células. Com Marte também em fase de consolidação, ainda não havia um corpo celeste de órbita externa à da Terra que possuísse atração gravitacional forte o suficiente para impedir que asteroides colidissem com nosso planeta, o que hoje reduz os impactos sofridos.

A alternativa passa a ser, então, afastar da superfície da Terra o local de surgimento desta primeira célula. Posicionar este ambiente em cavernas submarinas, porém, também distancia estes organismos de uma fonte de moléculas orgânicas, o que favorece a explicação de que estes primeiros seres vivos apresentassem nutrição autotrófica. Assim, em local protegido, estes organismos que apresentavam um metabolismo que os classificava como quimiolitoautotróficos anaeróbicos teriam proliferado e gerado compostos orgânicos em abundância para sustentar o surgimento aleatório de um primeiro organismo heterotrófico. Desta forma, a hipótese autotrófica não se baseia no surgimento da fotossíntese como via de produção de moléculas orgânicas (via esta, mais abundante nos dias atuais), mas na capacidade que estes organismos quimiolitoautotróficos apresentam de produzir suas próprias moléculas alimentares a partir da energia liberada por reações químicas realizadas pelo uso de componentes das rochas nas quais se encontram.

Somente depois da proliferação destes primeiros organismos autotróficos anaeróbicos e do surgimento aleatório dos primeiros heterotróficos anaeróbicos, teriam se originado os primeiros organismos fotossintetizantes. A partir deste momento, com a liberação de gás oxigênio para atmosfera, houve possibilidade de sustentação ao estilo de vida aeróbico.

Ainda que a hipótese autotrófica seja a mais aceita atualmente, o debate permanece. Assim, é importante considerar as evidências que favorecem uma ou outra hipótese. Você observará ao realizar questões, simulados e provas, que a maioria dos casos não se importa em indagar a melhor hipótese, mas extrair o que sabemos sobre cada uma delas.

HOLOCAUSTO DO OXIGÊNIO

O surgimento do gás oxigênio através da atividade fotossintetizante pode parecer um dos maiores passos evolutivos já dados – e provavelmente foi. Considerar que o gás oxigênio estava ausente durante a formação do primeiro organismo vivo pode soar estranho. No entanto, essa estranheza se deve ao fato de utilizarmos este gás em nosso metabolismo e convivermos com outros animais que também o fazem. A verdade é que sabemos nos defender de seus malefícios e retirar benefícios de sua utilização, mas isso não é uma regra para todos os organismos. Micro-organismos anaeróbicos são abundantes e muito diversos e, sendo os modelos mais simples de célula, parecem refletir melhor as características do primeiro ser vivo em nosso planeta. Se hoje somos tolerantes ao gás oxigênio, devemos agradecer à seleção positiva dos micro-organismos ancestrais que apresentavam mecanismos químicos de proteção e reparo às lesões oxidativas causadas por este gás. Graças a esses mecanismos, resistimos às modificações atmosféricas que, posteriormente, tornaram possível a formação da camada de ozônio (O₃).

O gás oxigênio é extremamente reativo e, reagindo com biomoléculas em um período inicial de formação da vida, dificultaria a sua complexificação. A consequência mais provável para a presença deste gás seria impossibilitar o surgimento da primeira célula. Na verdade, a teoria do holocausto do gás oxigênio, proposta pela cientista Margulis em 1938, explica que mesmo as primeiras células já tendo surgido, ainda não havia mecanismos de proteção a lesões oxidativas – ao menos não de forma disseminada. Esta é a razão pela qual se imagina que a elevação da pressão de O₂ na atmosfera a partir do desenvolvimento da fotossíntese tenha levado à morte a maioria dos organismos existentes aquela época (aproximadamente 2 bilhões de anos atrás).  

Similar à nossa visão sobre o O₂, hoje conseguimos enxergar a camada de ozônio como algo positivo, mas no passado, sua ausência foi interessante para o processo evolutivo. Devemos considerar que, quanto maior a incidência de radiação UV sobre a superfície do planeta, maior a taxa de mutação genética introduzida e maior a variabilidade de organismos sobre a qual a seleção natural pode atuar. Assim, em um momento em que a diversidade ainda era extremamente baixa, durante os primeiros momentos da vida na Terra, a inexistência de um fator protetor (camada de O₃) e a exposição a um fator lesivo (radiação UV) podem ter sido determinantes para que tenhamos obtido tamanha biodiversidade.

GERAÇÃO ESPONTÂNEA OU ABIOGÊNESE

Como vimos anteriormente, a discussão sobre a origem da vida em nosso planeta precisa considerar informações obtidas a partir de diferentes campos de conhecimento e, ainda assim, há passos importantes na história evolutiva que ainda não puderam ser completamente elucidados. Muitos antes da proposição de um modelo celular ou de condições para origem da Terra e do sistema solar, a discussão sobre a vida era voltada à vida de um único organismo. Em outras palavras, a grande pergunta era: “Como surge um organismo?”

A capacidade de gerar organismos vivos através da reprodução era um mecanismo claro para formação de novos indivíduos da nossa espécie e de algumas outras poucas espécies com as quais convivíamos. Microscópios ainda não existiam e, com isso, não havia qualquer conhecimento a respeito dos micro-organismos ou da estrutura de células. Mesmo animais como ratos e sapos, encarados como inferiores, não tinham seu surgimento bem compreendido e, para explicar de onde estes seres surgiam empregávamos a ideia de abiogênese.

Tal ideia surgiu com Aristóteles, há cerca de 2.000 anos. Ele propôs que a vida poderia surgir da matéria inanimada; para tanto, bastava que um “princípio ativo” fosse insuflado na matéria não viva, levando ao surgimento espontâneo da vida. Esta ideia dominou todo o pensamento ocidental até 1861, quando Pasteur demonstrou que ela estava completamente errada.

Até então, aceitava-se, por exemplo, que moscas poderiam surgir espontaneamente de matéria orgânica em putrefação. Um exemplo clássico é o do belga Van Helmont, que chegou a sugerir que uma camisa suja em contato com germe de trigo durante 21 dias poderia originar camundongos.

Em meados do século XVII, a hipótese da geração espontânea começou a ser abalada. Redi, cientista italiano, foi um dos primeiros naturalistas a empregar um modelo controlado para refutar a abiogênese e, desta forma, teve seu nome gravado na história graças a seus experimentos voltados à ideia de biogênese. Segundo esta proposta, um ser vivo sempre se origina a partir da reprodução de outro ser vivo pré-existente, eliminando a geração a partir da matéria inanimada. Em seus experimentos, Redi utilizou potes de vidro com carne em decomposição armazenada em seu interior para testar a hipótese de que moscas não eram capazes de se originar diretamente deste material. Parte dos potes, então, foi mantida aberta, em contato com o ambiente; enquanto outra parte teve sua abertura coberta com gaze, de forma a impedir o contato da carne com o ambiente externo.

Redi observou que, na carne dos potes mantidos abertos, havia larvas e moscas que a sobrevoavam. Nos potes mantidos fechados, no entanto, apesar do mau cheiro, não havia larvas, ainda que as moscas sobrevoassem a superfície externa da gaze. Vale ressaltar que, até então, não se sabia que as larvas corresponderiam a uma fase do desenvolvimento das moscas, afinal, pareciam ser animais completamente distintos. Ainda assim, com esses resultados, o pesquisador concluiu que as larvas não eram formadas a partir da matéria em decomposição, mas a partir de ovos postos pelas moscas.

Apesar dos experimentos de Redi serem muito bem controlados e conclusivos, a biogênese não foi aceita integralmente pela comunidade da época. Por mais que isso soe estranho, a rejeição se deveu, em parte, pelo desenvolvimento científico que levou ao surgimento dos primeiros microscópios. Se a biogênese fazia sentido como mecanismo de geração de animais e outros organismos macroscópicos, ela não era bem vista quanto à origem dos recém descobertos micro-organismos.

Em 1745, o inglês Needham corroborou mais uma vez a teoria da geração espontânea. Ele colocou caldos nutritivos num tubo de ensaio, aqueceu-os e fechou-os em seguida; e, logo após, aqueceu-os novamente. Depois de alguns dias, Needham verificou o aparecimento de micro-organismos naquele tubo. O italiano Spallanzani, algum tempo depois, criticou o experimento de Needham repetindo-o com pequenas modificações. Ao invés de aquecer o líquido, Spallanzani o ferveu e, ao invés de cobrir os tubos com gaze, o naturalista vedou completamente a abertura dos tubos de ensaio. Assim, não foi verificada a presença de micro-organismos no meio nutritivo, a não ser naqueles tubos que haviam sido mantidos abertos, o que favorecia a explicação baseada na biogênese e negava os resultados de Needham a favor da abiogênese. Needham, no entanto, justificou os dados de Spallanzani dizendo que a fervura havia destruído o tal “princípio ativo”, impossibilitando, assim, o aparecimento dos micro-organismos. Estes seres só manifestavam sua presença nos tubos abertos porque o ar que entrava na vidraria trazia de volta o sopro da vida que tornava o líquido nutritivo fértil.

A teoria da geração espontânea, como mencionado anteriormente, somente foi derrubada por Louis Pasteur, em 1861. Para realizar seus experimentos, Pasteur introduziu meio nutritivo em um balão de vidro e o modificou, curvando seu pescoço em forma de “S”, o que ficou conhecido como “gargalo em pescoço de cisne”. Após a fervura do líquido, garantindo que o mesmo estivesse estéril (livre de micro-organismos), o cientista o deixou descansar por um período de incubação. Dias depois, uma amostra do meio de cultura foi retirada para ser analisada enquanto o balão de vidro permanecia intacto. O gargalo em pescoço de cisne foi, então, quebrado e o líquido foi incubado por mais algum tempo antes que uma nova amostra fosse retirada para análise. As análises realizadas com a primeira amostra, retirada do balão de vidro intacto, não demonstraram a existência de qualquer micro-organismo; diferentemente da amostra coletada a partir do balão quebrado, que se mostrava contaminada.

Note que neste experimento, o caldo nutritivo foi mantido em contato com o ambiente durante todo o tempo, já que o gargalo permaneceu aberto. A ausência de micro-organismos na primeira amostragem se deve, então, à genialidade do instrumento: ao ferver o caldo, o vapor que passou pelo pescoço de cisne foi resfriado e condensou, formando gotículas de água que atuaram como um filtro à entrada de micro-organismos. Assim, Pasteur demonstrou que não era um “princípio ativo” o responsável por dar vida à matéria inanimada, mas o contato com micro-organismos pré-existentes que acabavam por contaminar e proliferar no caldo quando este era exposto diretamente à atmosfera do local.