A modelagem de fontes hidrotermais transforma essas fontes de vida de improvável para quase inevitável
Cheguei no segundo dia da criação. Laurie Barge me convidou para passar um dia em seu laboratório de modelagem de fontes de vida. Ela é pesquisadora do Laboratório de Jatos da NASA em Pasadena e trabalha com um colega, geólogo Michael Russell, membro do Instituto de Astrobiologia da NASA. A tarefa era criar uma
fonte hidrotérmica em miniatura em condições que simulassem o oceano primitivo há 4 bilhões de anos. Tais fontes estão no centro da história científica da criação da vida, uma história muito contra-intuitiva para ser verdadeira e, no entanto, tão lógica que simplesmente precisa ser confirmada.
No primeiro dia, barcaças com os alunos criaram os oceanos. Eles começaram com água destilada e bombearam nitrogênio através dela, substituindo o oxigênio, que não estava no início da Terra. As duas primeiras Terras nos copos foram colocadas em pedestais de aço dentro do capô. Em seguida, adicionamos cloreto de ferro aos oceanos, dando à água a cor de uma cerveja sem gás. Coloquei a ponta de uma pipeta no fundo de cada vaso e adicionei sulfeto de sódio, emulando um líquido quente subindo pelas brechas da crosta terrestre. O sódio reagiu com cloreto e criou água salgada e enxofre combinado com ferro para formar sulfeto de ferro, que precipitou como um tubo oco. Tubos semelhantes apareceram em fontes hidrotermais (GI) no final da
Catarquia 4 bilhões de anos atrás, e ainda estão se formando tanto em mares sem fundo quanto no laboratório de Barges.
Cidade Subaquática: Este sedimento em forma de colmeia se formou ao lado de outra estrutura em Lost City, um grande aglomerado subaquático de tubos minerais, alguns dos quais atingem o tamanho de edifícios que emitem líquido alcalino.A idéia da origem da vida no GI luta contra a história científica mais antiga e bem conhecida da criação da vida, o "
caldo primário ". Em uma carta a Joseph Hooker, em 1871, Charles Darwin considerou a idéia de que a vida se originava "em um pequeno lago quente, onde havia todos os tipos de sais de amônia e fósforo, onde havia luz, calor, eletricidade, etc.", como resultado, "um composto proteico quimicamente formado pronto para mudanças ainda mais complexas". Em 1924, o cientista russo
Alexander Oparin apresentou a teoria do surgimento da vida na Terra através da transformação, no curso da evolução química gradual, de moléculas que contêm carbono em um “caldo primário”. Em 1925, ele apresentou essa idéia ao tribunal do público de língua inglesa. Em 1929, o cientista britânico
John Burdon Sanderson Haldane publicou seu trabalho sobre a origem da vida com idéias semelhantes. Ele escreveu como a vida poderia ter se originado no oceano antigo, que tinha a consistência de uma "sopa quente e diluída". Portanto, esse nome criou raízes.
Em 1953, Stanley Miller, um estudante de pós-graduação que estudou com o Prêmio Nobel Harold Urey, criou com sucesso sopa em laboratório. Ele organizou os frascos com o suposto oceano e atmosfera primitivos, aplicou uma faísca com a ajuda de raios artificiais e coletou os compostos obtidos. Ele encontrou muitos muito curiosos, incluindo vários aminoácidos. A química de Miller-Yuri tornou-se um símbolo na busca de uma fonte de vida, enquanto os próprios alunos de Miller se multiplicaram e se multiplicaram. No estudo de hoje da fonte da vida, “sopa” se refere a modelos nos quais a vida começa na superfície do oceano ou perto dela, graças à química de Miller-Yuri, enquanto raios ou outras fontes de energia combinam constantemente moléculas em estados de complexidade crescente, até até que a evolução darwiniana comece. [Plaxco, KW & Gross, M. Astrobiology: Uma Breve Introdução Imprensa da Universidade Johns Hopkins, Baltimore, MD (2006)]
A sopa é intuitivamente atraente: você pode extrair os blocos de construção da vida. Mas ele também tem uma falha fatal: não importa o que ele produz, ela está morta. Os raios podem desencadear reações bioquímicas, mas a energia se dissipa rapidamente e o sistema retorna ao equilíbrio. O caldo primário precisa de evolução para subir termodinamicamente para cima, a fim de aumentar a ordem. Isso é semelhante às
colinas gravitacionais , cujas descrições estão completas na Internet, onde o carro parece estar rolando morro acima. Aminoácidos e nucleotídeos gerados pelo calor, pedras e água do mar. Eles se organizaram em moléculas ainda mais ordenadas, como enzimas e proteínas. Destes, a evolução construiu as primeiras células e, como resultado, mogno e rosas, abelhas e macieiras, hienas e pessoas.
Mas uma colina gravitacional é uma farsa de perspectiva. O nível de construção revelaria o engano, mas você raramente o vê nesses vídeos com montanhas "mágicas". As leis da física não foram canceladas. O mesmo vale para o nascimento da vida, como dizem os especialistas em IG. Parece apenas que a evolução está se movendo em direção à ordenação; em geral, sempre se move ladeira abaixo. Os modelos GI dizem que, nas condições iniciais, a aparência da vida não era semelhante a um milagre. Isso foi inevitável. [Martin, W. & Russell, MJ Sobre as origens das células: Uma hipótese para as transições evolutivas da geoquímica abiótica para os procariotas quimioautotróficos e dos procariontes para as células nucleadas. Transações Filosóficas da Sociedade Real de Londres B: Ciências Biológicas 358, 59-83 (2003) / Russell, MJ & Martin, W. As raízes rochosas da via acetil-CoA. Trends in Bioochemical Sciences 29, 358-363 (2004) / Martin, W. & Russell, MJ. Sobre a origem da bioquímica em uma ventilação hidrotérmica alcalina. Transações Filosóficas da Sociedade Real de Londres B: Ciências Biológicas 362, 1887-1925 (2007) / Martin, W., Baross, J., Kelley, D. & Russell, MJ Aberturas hidrotérmicas e a origem da vida. Nature Reviews Microbiology 6, 805-814 (2008)]
Um robô subaquático estuda a estrutura que cresce na Cidade PerdidaOs oceanógrafos descobriram a IG em 1977 na fenda de Galápagos, a leste do Oceano Pacífico. [Corliss, JB, et al. Nascentes termais submarinas na fenda de Galápagos. Science 203, 1073-1083 (1979)] Então, em 1979, tubos gigantes foram descobertos na crista da Ascensão do Pacífico Leste a 21 graus de latitude norte, cuspindo ácido enegrecido e muito quente em profundidades frias e escuras. Com bastante precisão e quase poeticamente, essas estruturas foram chamadas de "fumantes negros". Os pesquisadores ficaram surpresos que o espaço próximo aos fumantes negros estivesse repleto de vida, variando de peixes a inúmeros novos tipos de micróbios. Em 1981, Jack Corliss, um dos oceanógrafos da expedição à Fenda de Galápagos, juntamente com os microbiologistas John Baross e Sarah Hoffman, sugeriu que o IG subaquático "forneça todas as condições necessárias para criar vida na Terra". Nenhuma luz ou raio era necessário. Não havia sopa.
Os seguidores de Miller lançaram um ataque de retaliação. As IGs eram quentes demais para sustentar a vida, escreveu Miller e seu ex-aluno, Jeffrey Bud. Aminoácidos e ácidos nucléicos, mesmo que aparecessem, seriam destruídos quase imediatamente. O açúcar derreteria. A vida não poderia começar em um ambiente tão hostil. Eles escreveram: "as fontes seriam uma ferramenta importante para a destruição, ao invés da síntese de componentes orgânicos nos oceanos primitivos". [Miller, SL & Bada, fontes termais submarinas JL e a origem da vida. Nature 334, 609-611 (1988)]
Russell e seu colega Allan Hall, agora arqueólogo da Universidade de Glasgow, participaram da disputa. Eles disseram que Miller, é claro, estava certo - os fumantes negros são muito quentes e têm muito ácido para formar a vida lá. Mas ao lado deles, eles escreveram, você pode encontrar tubos minerais emitindo um líquido alcalino morno. Estes são lugares ideais para o nascimento da vida. [Russell, MJ, Hall, AJ, & Turner, D. Crescimento in vitro de chaminés de sulfeto de ferro: possíveis câmaras de cultura para experimentos de origem da vida. Terra Nova 1, 238-241 (1989)]
Nas pedras do campo hidrotérmico da Cidade Perdida vive uma grande variedade de invertebrados do fundo do mar, incluindo um grande número de corais. Os caranguejos também consideram esta cidade sua casa.E em 4 de dezembro de 2000, como Russell previu, esses tubos foram encontrados, embora por acidente. Uma equipe de pesquisa liderada por Donna Blackman, do Instituto Scripps de Oceanografia, que incluía Deborah Kelly, da Universidade de Washington, e Jeffrey Carson, da Universidade Duke, estudou o maciço do Atlântico, uma elevação de 15 km em homenagem à cidade mítica, que, segundo Platão, afundou no norte. Atlântico depois de perder para Atenas. No final da expedição do mês, o robô subaquático se desviou do curso pretendido, seguindo o peixe, como se estivesse fazendo uma careta especial para a câmera. De repente, os pesquisadores viram na tela um extenso sistema de estruturas branco-pérola, algumas das quais eram do tamanho de um edifício: cones, pináculos, janelas congeladas. Eles não podiam deixar de chamar esse lugar de "A Cidade Perdida". [Guia da Terra: Cume do Meio-Atlântico, diário, dezembro. 12, 2000]
Ao estudá-lo, descobriu-se que as torres da Cidade Perdida emitem líquido alcalino limpo e quente em um oceano levemente ácido. As fronteiras separavam a água quente da água fria, concentrada do pH diluído e baixo do alto. A Cidade Perdida na Terra primitiva apareceria em um oceano rico em carbono e, portanto, ácido. Suas paredes porosas de sulfetos e óxidos de ferro tornariam a primeira Cidade Perdida uma bateria fraca, mas enorme. [Russell, MJ, Nitschke, W. & Branscomb, E. A jornada inevitável para o ser. Transações Filosóficas da Sociedade Real de Londres B: Ciências Biológicas 368 (2013). Obtido em doi: 10.1098 / rstb.2012.0254] As células vivas também são cercadas por uma membrana que separa as partes internas alcalinas do ambiente levemente ácido. O "último ancestral universal" da vida, como Barge diz, "foi alimentado pelos
gradientes de elétrons e prótons , como a vida de hoje". Seja um animal, planta, fungo ou bactéria, todos os organismos repetem a química de oxidação e redução encontrada em fontes alcalinas quentes. Um pequeno pedaço daquela antiga Cidade Perdida vive dentro de cada célula.
Enquanto as barcaças e eu estávamos observando o experimento, tubos de sulfeto de ferro começaram a formar estruturas complexas. O fluido ascendente construiu seu tubo de escape. Um pedaço de cristal bloqueou o fluxo; o líquido, subindo, encontrou um novo caminho; a estrutura se ramificou. O resultado foi surpreendentemente remanescente de uma planta. Os alquimistas antigos criaram "jardins químicos" semelhantes, e o biólogo quase esquecido do século 19,
Stefan Leduc, acreditava que essas formas orgânicas refletem os princípios do crescimento biológico. "A cadeia da vida", escreveu Leduc, "continua ininterruptamente, do mineral em uma extremidade ao organismo mais complexo da outra."
Os modelos modernos de IG fornecem uma explicação para a criação dessa cadeia. A bateria gigante da cidade perdida inicial suporta uma ferramenta que gera moléculas complexas, principalmente a partir de carbono, hidrogênio e oxigênio. O sulfeto de ferro, como outras pequenas moléculas encontradas nas fontes, funciona como
coenzimas - nanomotores catalíticos que promovem as reações que estão no cerne de todo o metabolismo. Tubos, simplesmente, têm um tipo de metabolismo que recebe energia do hidrogênio, CO
2 e outras moléculas e o utiliza para construir moléculas mais complexas, principalmente a partir de carbono, hidrogênio e oxigênio. As vias metabólicas mais antigas da biologia repetem a química da Cidade Perdida.
O que contradiz a maior parte de nossa intuição é que estruturas complexas podem dissipar energia melhor do que estruturas simples. [Mac McClellan, J. Qual é o avião mais econômico em combustível? Flyingmag.com (2008)] Os catalisadores ajudam você a subir uma colina de energia para que você possa cair ainda mais, por outro lado. Se considerarmos toda a evolução biológica, todo organismo é um monte de energia. É formado apenas se em condições termodinamicamente favoráveis - se arrastarmos energia para uma colina, poderemos liberar ainda mais energia. Criar um lagarto requer mais energia do que criar uma certa quantidade de E. coli da mesma massa, mas também consome energia mais rapidamente. Em um mundo onde existem lagartos e bactérias, é energeticamente mais favorável do que em um mundo onde existem apenas bactérias. Um mundo onde também existem vacas de sangue quente mastigando capim e emitindo calor, metano e fertilizante - uma versão aprimorada do mecanismo de entropia; um mundo com tigres é ainda melhor. É energeticamente benéfico ter um ecossistema: uma terra com vegetação exuberante e repleta de vida consome mais calor do centro quente do planeta e do Sol, liberando-o no espaço frio e escuro do que, digamos, Marte. Nossa biosfera é uma bolha de gelo muito complexa para o Sol.
Uma ferramenta gigante de dispersão veio junto com o Homo sapiens. Toda a história da tecnologia é o desenvolvimento de métodos cada vez mais eficientes para extrair energia de
Terra e Sol: fogo, culinária, agricultura, mineração, fundição, exploração madeireira, máquinas a vapor. Como um filete de água que escapa de uma colina, o caminho exato da evolução e da cultura não é definido - apenas uma tendência geral. Portanto, nem arte, nem guerra, nem NASCAR, nem smartphones eram inevitáveis - tudo isso pode ser considerado como o trabalho do motor da entropia humana. Nesse sentido, nossas tendências de dispersão não são um desvio, mas uma necessidade termodinâmica.
Um tubo miniatura de sulfeto de ferro de 5 cm de altura cresce em uma simulação marítima no Jet Laboratory. Reproduz as estruturas maiores associadas ao GI, nas quais a vida poderia ter se originado na Terra antigaSe Barges e eu estivéssemos observando o modelo de laboratório há muito tempo, ele teria desenvolvido um caminho metabólico através da evolução? Enzimas? Genes? Possivelmente. As barcaças estão dando os primeiros passos nessa direção, ainda que pequenas. Em vez de construir um tubo, coloca sulfeto de ferro e outros minerais em um disco poroso de material inerte. O disco pode operar como uma membrana entre, digamos, um líquido carregado positivamente e carregado negativamente. As barcaças medem a voltagem e a diferença de pH dos dois lados da membrana - depois elétrons e prótons. Essas correntes suportam reações químicas fundamentais à vida. O próximo passo é fazer com que as reações químicas produzam moléculas mais complexas. "Você também pode fazer experimentos", diz ela, "para testar o feedback emergente de orgânicos a minerais". Catalisadores simples podem preferir reações cujo resultado seriam catalisadores mais complexos que poderiam produzir catalisadores ainda mais complexos, e esse ciclo de retroalimentação acabaria levando, ao longo do tempo, a proteínas e DNA.
Em um dos meus dois mundos, o cano acabou com uma haste fina e um espessamento pesado no final. "É provável que este rompa", diz Barge. E quebra: o beco sem saída da evolução. Mas o cano na outra lâmpada cresceu uma base muito grossa e construiu uma montanha cônica com uma série de picos que pareceriam magníficos para uma pulga d'água. Lori a examinou e a elogiou.
Nathaniel Comfort - um membro da Assembléia Astrobiológica. Baruch Bloomberg na Biblioteca do Congresso / NASA e professor de história da medicina na Universidade. John Hopkins. Seu livro recente é A Ciência da Perfeição Humana. Twitter @nccomfort.