Tome química, adicione energia e ganhe vida. Os primeiros testes da hipótese provocativa da origem da vida proposta por Jeremy England foram realizados e mostram como a ordem pode surgir do nada
O biofísico
Jeremy Ingland emocionou o público em 2013 com sua
nova teoria , tornando a origem da vida uma conseqüência inevitável da termodinâmica. Suas equações implicam que, sob certas condições, grupos de átomos naturalmente se reorganizam para gastar cada vez mais energia, contribuindo para a dissipação contínua de energia e o surgimento de "entropia", ou desordem no universo. Ingland diz que esse efeito de reestruturação, que ele chama de adaptação à dispersão, estimula o crescimento de estruturas complexas, incluindo organismos vivos. A existência da vida não é um mistério ou sorte,
ele escreveu em 2014 , segue os princípios físicos básicos e "deve ser tão surpreendente quanto as pedras rolando de uma montanha".
Desde então, Ingland, professor associado de 35 anos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, testou aspectos de sua ideia em simulações em computador. Dois dos seus trabalhos mais importantes foram publicados em julho de 2017 - o resultado mais interessante apareceu na revista
Proceedings da Academia Nacional de Ciências (PNAS) e o segundo em
Physical Review Letters (PRL). Os resultados de ambos os experimentos parecem confirmar a principal afirmação da Inglaterra sobre a adaptação sob a influência da dispersão, embora a possibilidade de sua aplicação na vida real permaneça em questão.
"Este é obviamente um estudo inovador", disse
Michael Lässig , especialista em física estatística e biologia quantitativa da Universidade de Colônia, na Alemanha, sobre o trabalho do PNAS escrito pelo pós-doc do Ingland e do MIT,
Jordan Horowitz . Lassig escreve que este é "um exemplo de estudo de um determinado conjunto de regras em um sistema relativamente pequeno; portanto, é muito cedo para dizer se será possível generalizá-lo. No entanto, a pergunta óbvia e interessante é o que isso significa para a vida. ”
No trabalho, são analisados detalhes praticamente importantes das células e da biologia e é descrito um sistema simulado e simplificado de compostos químicos, no qual, no entanto, é possível o surgimento espontâneo de uma estrutura excepcional - esse fenômeno é considerado pela Inglaterra a força motivadora por trás do surgimento da vida. "Isso não significa que você tenha a garantia de obter essa estrutura", explica Ingland. A dinâmica do sistema é muito complexa e não linear para prever resultados.
A simulação envolve uma sopa de 25 compostos químicos interagindo entre si de inúmeras maneiras. As fontes de energia fazem com que algumas dessas reações ocorram, pois a luz solar desencadeia a produção de ozônio na atmosfera e o combustível químico
trifosfato de adenosina controla os processos na célula. Começando com concentrações iniciais aleatórias, taxas de reação e "paisagens forçantes" - regras que dizem quais reações alimentarão forças externas e quais - uma
rede simulada
de reações químicas se desenvolve até atingir um estado final estável, ou "ponto fixo" "
O sistema geralmente se acalma em estado de equilíbrio, com uma concentração equilibrada de produtos químicos e reações, com igual probabilidade em ambas as direções. O desejo de equilíbrio, por exemplo, uma xícara de café resfriando até a temperatura ambiente, é o resultado mais conhecido da
segunda lei da termodinâmica , que postula que a energia está em constante expansão e a entropia do universo está em constante aumento. A segunda lei funciona porque a energia tem mais maneiras de distribuir entre as partículas do que de se concentrar em um só lugar; assim, quando as partículas se movem e interagem, a distribuição de energia entre elas é mais provável.
Mas, para algumas condições iniciais, a rede de reações químicas na simulação se desenvolve de uma maneira completamente diferente. Nesses casos, ele evolui para estados fixos que estão longe do ponto de equilíbrio, onde começa a impulsionar ativamente os ciclos de reação, retirando a quantidade máxima de energia disponível do ambiente. Esses casos podem ser considerados "exemplos de ajuste fino" entre o sistema e o ambiente, como escrevem Horowitz e Ingland, quando o sistema encontra "estados raros de extrema compulsão termodinâmica".
Os seres vivos também mantêm estados estáveis de extrema compulsão: somos super-consumidores, queimando uma enorme quantidade de energia química através de reações nas células, aumentando assim a entropia do universo. O computador emula esse comportamento em um sistema químico mais simples e abstrato, e mostra que esse estado pode aparecer "imediatamente, sem um grande tempo de espera", diz Lassig, que mostra a disponibilidade desses pontos na prática.
Muitos biofísicos acreditam que na história da vida, algo semelhante ao descrito pela Inglaterra poderia ocorrer. Mas ele encontrou o estágio mais importante na origem da vida, depende de qual é a essência da vida? Aqui opiniões diferem.
Forma e função
Ingland, uma pessoa abrangente e talentosa que trabalhou em Harvard, Oxford, Stanford e Princeton antes de ingressar no MIT aos 29 anos, acredita que a essência dos seres vivos é o arranjo excepcional de seus átomos constituintes. "Se você imaginar que eu misturo aleatoriamente os átomos de uma bactéria - eu pego, marco e misturo no espaço - provavelmente vou pegar um pouco de lixo", ele escreveu anteriormente. "A maioria das combinações de átomos não se transformará em uma estação de energia metabólica como uma bactéria".
Não é fácil para um grupo de átomos obter acesso à energia química e a queimar. Para executar esta tarefa, os átomos devem se alinhar em uma estrutura muito incomum. Segundo a Inglaterra, a própria existência da relação entre forma e função "implica que o ambiente apresenta um problema que a estrutura resultante resolve".
Mas como e por que os átomos assumem uma forma e função específica de uma bactéria, com sua configuração ideal para o consumo de energia química? A Inglaterra acredita que essa é uma consequência natural da termodinâmica para sistemas que estão longe do ponto de equilíbrio.
O químico,
Ilya Prigogine , ganhador do Nobel, lidou com idéias semelhantes na década de 1960, mas seus métodos eram limitados. As equações termodinâmicas tradicionais funcionam bem apenas para estudar sistemas em um estado próximo ao equilíbrio - como gás resfriado ou aquecido lentamente. Os sistemas alimentados por poderosas fontes externas de energia têm uma dinâmica muito mais complexa e são muito mais difíceis de estudar.
A situação mudou no final dos anos 90, quando os físicos
Gavin Crooks e
Chris Jarzynski criaram "
teoremas de flutuação "
, que podem ser usados para calcular como os processos físicos diretos ocorrem com mais freqüência do que os reversos. Teoremas permitem que os pesquisadores estudem a evolução de um sistema, mesmo longe do equilíbrio. A nova abordagem da Ingland, de acordo com
Sarah Walker , física teórica e especialista em origem da vida da Universidade do Arizona, é aplicar teoremas de flutuação a "problemas relacionados à origem da vida. Eu acho que ele é a única pessoa de todos que faz isso o suficiente.
O café esfria devido ao fato de que nada o aquece, mas os
cálculos da Inglaterra sugerem que os grupos de átomos alimentados por fontes externas de energia podem se comportar de maneira diferente. Eles se esforçam para conectar-se a essas fontes de energia, alinhar e trocar de lugar, a fim de absorver melhor a energia e dissipá-la na forma de calor. Ele mostrou ainda que essa tendência estatística em direção à dissipação de energia pode
apoiar a auto-reprodução (como ele explicou em 2014, “fazer cópias de si mesmo é uma ótima maneira de dissipar mais energia). Ingland acredita que a vida, e sua extraordinária combinação de forma e função, é o resultado da adaptação, alimentada pelo desejo de dispersão e auto-reprodução.
No entanto, mesmo com o uso de teoremas de flutuação, as condições no início da Terra ou na célula serão muito complicadas para fazer previsões com base nesses princípios. Portanto, as idéias devem ser testadas em condições simplificadas simuladas em um computador, na tentativa de se aproximar do realismo.
No trabalho de PRL, Ingland et al., Tal Kachman e Jeremy Owen, do MIT, simularam um sistema de partículas em interação. Eles descobriram que o sistema aumenta a absorção de energia ao longo do tempo, formando e quebrando ligações, a fim de melhor ressoar com sua frequência de condução. “Este é, de certa forma, um resultado mais simples” do que o trabalho do PNAS no qual uma rede de reações químicas está envolvida, diz Ingland.
No segundo trabalho, ele e Horowitz criaram condições complexas nas quais configurações especiais de átomos precisariam ser conectadas a fontes de energia disponíveis, assim como uma configuração especial de átomos de uma bactéria permite que ela se metabolize. Na simulação, fontes de energia externas estimularam certas reações químicas na rede de reação. A atividade dessa estimulação dependia das concentrações de vários compostos químicos. Com o curso das reações e concentrações crescentes, a força da estimulação pode mudar drasticamente. Essa dureza dificultou ao sistema “encontrar combinações de reações que pudessem produzir a energia disponível da melhor maneira”, explica
Jeremy Gunawarden , matemático e biólogo de sistemas da Harvard Medical School.
E, no entanto, quando os pesquisadores permitiram que a rede de reação se desenvolvesse em um ambiente como esse, ela foi afinada para esse ambiente. Um conjunto aleatório de condições iniciais evoluiu e assumiu estados raros de atividade química vigorosa e suporte extremo quatro vezes mais que o esperado. E quando esses resultados chegaram, isso aconteceu muito abruptamente. Ao mesmo tempo, os sistemas passaram por ciclos de reações e energia dissipada no processo, que, do ponto de vista de Ingland, serve como a relação mais simples entre a forma e a funcionalidade necessárias para o surgimento da vida.
Manipuladores de informações
Especialistas dizem que o próximo passo importante para Ingland e seus colegas será dimensionar as redes de reações químicas para ver se elas estão evoluindo dinamicamente para raros estados fixos de apoio extremo. Eles também podem tentar tornar a estimulação menos abstrata, trazendo concentrações químicas, taxas de reação e condições de suporte àquelas que poderiam existir em
fábricas de marés ou próximas a tubos vulcânicos no
caldo primordial da Terra primitiva (mas reproduzindo as condições das quais a vida realmente surgiu - isso é principalmente especulação e especulação). Rahul Sarpeshkar, professor de engenharia mecânica, físico e microbiologista do Dartmoor College, disse: "Seria bom obter informações físicas específicas sobre essas construções abstratas". Ele espera ver como essas situações serão reproduzidas em experimentos reais, possivelmente usando produtos químicos relacionados à biologia e fontes de energia como glicose.
Mas mesmo que você possa ver os estados ajustados de maneira muito semelhante às condições que deveriam ter desencadeado o nascimento da vida, alguns pesquisadores acreditam que a dissertação de Ingland descreve as condições "necessárias, mas insuficientes" para explicar o surgimento da vida, como Walker diz. Eles não podem descrever o que alguns consideram o verdadeiro atributo dos sistemas biológicos: a capacidade de processar informações. Desde a
quimiotaxia mais simples (a capacidade das bactérias de se moverem em direção à concentração de nutrientes ou na direção dos compostos tóxicos) até a comunicação humana, as formas de vida tomam e respondem às informações sobre seus arredores.
Walker acredita que isso nos distingue de outros sistemas que se enquadram no escopo da teoria de adaptação à dispersão da Inglaterra, como
a Grande Mancha Vermelha de Júpiter . “Essa é uma estrutura de dispersão sem equilíbrio que existe há pelo menos 300 anos, e é muito diferente das estruturas de dispersão sem equilíbrio que existem hoje na Terra e evoluíram bilhões de anos”, diz ela. Entender o que distingue a vida de tais estruturas "requer uma definição explícita de informações que vão além do processo de dispersão". Do ponto de vista dela, a capacidade de responder às informações é a chave para isso: "Precisamos de uma rede de reações químicas que possam se manter em pé e se afastar do ambiente em que se originou".
Gunawardena observa que, além das propriedades termodinâmicas e das capacidades de processamento das informações existentes nas formas de vida, elas também armazenam e transmitem informações genéticas sobre si mesmas aos seus descendentes. A origem da vida, diz ele, “não é apenas a aparência da estrutura, é a aparência de um certo sentido darwiniano dinâmico. Essa é a aparência de estruturas reproduzidas. E a possibilidade da influência das propriedades desses objetos na velocidade de reprodução. Quando você preenche as duas condições, você se encontra em uma situação do início da evolução darwiniana, e os biólogos acreditam que esse é o ponto. "
Evgeny Shakhnovich , professor de química e biologia química em Harvard, que liderou o estudo da Inglaterra, compartilha claramente as questões de biologia e trabalho de seu ex-aluno. "Ele começou sua carreira científica em meu laboratório e eu sei o quão capaz ele é", diz Shahnovich, "mas o trabalho de Jeremy apresenta exercícios potencialmente interessantes na mecânica estatística sem equilíbrio de sistemas abstratos simples". Todas as alegações de que estão relacionadas à origem da vida, ele acrescenta, "são pura especulação e sem vergonha".
Mesmo que Ingland esteja no caminho certo do ponto de vista da física, os biólogos precisam de coisas mais específicas - por exemplo, a teoria de quais
protocélulas primitivas vieram das primeiras células vivas e como o código genético apareceu. Ingland concorda que suas descobertas não têm resposta para essas perguntas. "No curto prazo, eles não me falam muito sobre o trabalho dos sistemas biológicos, nem dizem que me dirão exatamente de onde vem a vida que conhecemos", diz ele. Ambas as perguntas são uma "bagunça deprimente", baseada em "evidências fragmentárias" das quais ele "pretende ficar longe por enquanto". Ele simplesmente sugere que, no kit de ferramentas da primeira vida, "talvez haja algo que possa ser obtido sem motivo, e então otimizado usando o mecanismo darwiniano".
Sarpeshkar, aparentemente, considerou a adaptação sob a influência da dispersão como o primeiro ato da história da origem da vida. "Jeremy mostra que, se você conseguir extrair energia do meio ambiente, a ordem aparecerá espontaneamente e se ajustará", diz ele. Ele observa que os organismos vivos realizam muito mais ações do que a rede de reações químicas de Ingland e Horowitz. "Mas estamos falando sobre como a vida apareceu pela primeira vez - como a ordem pode emergir do nada."