08 AS ORIGENS DOS SERES VIVOS

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AS ORIGENS DOS SERES VIVOS
A teoria da evolução estabelece que os seres viventes atualmente são descendentes modificados de seres preexistentes, que por sua vez eram descendentes modificados de outros, numa seqüência tal, que se fosse possível reconstituir todos os seres que já habitaram a Terra, eles formariam um contínuo desde os primeiros seres vivos até os atuais. 
Esta teoria leva, inevitavelmente, à questão de como surgiram os primeiros seres vivos. Para responder a esta questão existem atualmente, três hipóteses: 1) eles foram criados por Deus; 2) eles vieram de outros planetas; 3) originaram-se na Terra em condições diferentes das atuais. A primeira hipótese não pode ser investigada e fica no domínio da fé. A segunda hipótese, mesmo que demonstrada, não esclarece como surgiram os seres vivos no planeta de origem. A terceira hipótese é a única passível de investigação e muitos pesquisadores têm se dedicado à sua verificação nos últimos 40 anos. Neste capítulo, pretendemos apresentar um resumo dos resultados destas pesquisas. 
Antecedentes Históricos 
Atualmente, a maioria dos cientistas concorda que as discussões sobre as origens da vida devem incluir processos ocorridos há muito tempo sobre a Terra primitiva que levaram, após milhões de anos, ao aparecimento de células vivas, formadas a partir de matéria inanimada. Entretanto, este ponto de vista só foi aceito neste século. As culturas mais antigas aceitavam que Deus havia criado o homem e alguns animais superiores e que os outros organismos, tais como insetos e camundongos, ainda estivessem sendo gerados espontaneamente a partir da lama ou da matéria orgânica em decomposição. 
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 Aristóteles Jan Baptista Van Helmont
A teoria da geração espontânea foi desenvolvida e sistematizada pelos gregos e veio a receber um tratamento mais detalhado nos escritos de Aristóteles (384 a 322 A.C.). Por mais de dois milênios, após o tempo de Aristóteles, os homens de cultura não puseram em dúvida a teoria da geração espontânea. Somente no século XVII surgiram homens que colocaram em dúvida a teoria, e foi preciso o estabelecimento de novos padrões no tipo e na interpretação dos experimentos para desacreditá-la definitivamente. 
Aristóteles, apesar de sua inquestionável preeminência intelectual, nem sempre foi um observador cuidadoso. Se ele pôde afirmar que os homens têm mais dentes que as mulheres, não podemos estranhar que pensasse que as rãs se pudessem formar de vapores exalados da terra. Mais inesperado foi que Van Helmont (1580 -1644), um dos precursores da Química e da Biologia científicas, publicasse uma receita para fazer camundongos a partir de roupa suja e de algum pouco de trigo. Ele nem ficou surpreso ao descobrir que aqueles camundongos cruzavam, com sucesso, com outros camundongos normais.
Figura 1 – A geração espontânea para seres considerados simples foi admitida desde a antigüidade até o final do século XIX. 
 
 Francesco Redi Figura 2. Experiência de Redi 
Foi Francesco Redi (1621-1697) quem iniciou o ataque à teoria da geração espontânea, com uma série de experimentos publicados em 1668. Redi demonstrou que pedaços de carne cobertos com tecido não criavam larvas. Ele mostrou que no tecido usado como cobertura havia ovos de insetos. Portanto, se a carne fosse mantida afastada dos insetos os vermes não se formavam. No entanto, Redi continuava acreditando na origem espontânea de outros insetos. 
 
Leewenhoek Needham Spallanzani Pasteur
Anthony van Leewenhoek (1632-1723), um dos primeiros microscopistas, demonstrou a existência de microorganismos na água e outras soluções , que ele denominou "animálculos". Embora Leewenhoek acreditasse que eles vinham do ar, muitos ainda acreditavam na sua origem espontânea. 
Para tentar resolver esta questão, Louis Joblot, em 1718, ferveu extratos de plantas por vários minutos e colocou a infusão em dois frascos, um aberto e outro coberto com um pergaminho. Os microorganismos apareceram no frasco aberto, mas no outro não. Algum tempo após retirar o pergaminho do outro frasco, apareciam microorganismos na infusão antes estéril. Apesar destas evidências contra a teoria da geração espontânea, Joblot não conseguiu convencer seus colegas. 
John de Turbeville Needham (1713-1781) realizou uma série de experimentos e concluiu, em 1748, que apesar de tomar todas as precauções possíveis, os microorganismos apareciam nas soluções previamente esterilizadas. Um outro cientista italiano, Lazzaro Spallanzani, (1729-1799) executou experimentos melhores, em 1765, chegou a conclusões opostas às de Needham. Spallanzani criticava os experimentos de Needham dizendo que a esterilização tinha sido insuficiente nos seus experimentos. Needham criticava Spallanzani, dizendo que este aquecia demais as culturas estragando o ar e os nutrientes, impedindo que os microorganismos se desenvolvessem. 
Figura 3. Experimentos deNeedham (acima) e de Spallanzani (embaixo) 
Entre os defensores da geração espontânea era comum a idéia de que o oxigênio do ar era fundamental para o desenvolvimento dos seres vivos e que o aquecimento estragava o ar. Aqueles que tentavam demonstrar a falsidade da teoria da geração espontânea se viam obrigados a usar técnicas de esterilização das culturas sem expo-las a temperaturas muito elevadas. 
Coube a Louis Pasteur (1822-1895) realizar experimentos que derrubasse de uma vez por todas a teoria da geração espontânea, recebendo por isso, em 1862, um prêmio da academia francesa de ciências. Seu primeiro passo foi passar um fluxo de ar por um tampão de algodão. A poeira acumulada no algodão foi retirada com solvente orgânico e examinada ao microscópio. Ficou comprovado que ele continha grande número de microorganismos. Desta maneira, a hipótese de que suas soluções terem sido contaminadas por organismos do ar não podia ser levantada. Em seguida Pasteur encheu um frasco com caldo e entortou o fino gargalo do frasco em forma de um til e ferveu o conteúdo do frasco por um tempo suficiente para esterilizá-lo. Embora o frasco permanecesse aberto, seu conteúdo se conservou estéril porque as partículas transportadas pelo ar ficavam retidas nas curvas do gargalo entortado. Quando o gargalo foi cortado, o caldo começou a se decompor, demonstrando que conservava as qualidades nutritivas necessárias ao desenvolvimento de microorganismos. 
Figura 4. Experimento de Pasteur 
Até a segunda metade do século XIX era geral a crença de que Deus havia criado os animais superiores de forma definitiva. Charles Darwin e Alfred Russel Wallace demonstraram, em seu trabalho apresentado em 1858, que as espécies não são fixas, mas surgem umas das outras por seleção natural. O trabalho de Pasteur mostrou que nenhum tipo de organismo vivo, nem mesmo bactérias, poderiam existir, a não ser como descendente de outros organismos. No período que se seguiu ao trabalho de Pasteur formou-se uma controvérsia entre os defensores da evolução e os fixistas. 
Após a aceitação geral da teoria da evolução, uma questão ainda permanecia insolúvel, a da origem dos primeiros seres vivos. 
A árvore universal da vida 
Atrás de sua enorme diversidade de formas, cores e tamanhos, os organismos atuais mostram características muito similares que servem de parâmetros importantes para entender sua origem. Por exemplo, a água é a substância (molécula) mais abundante da matéria viva: 70% do corpo humano, 95% da alface, 75% de uma bactéria. Todos os seres têm uma alta porcentagem de água, o que favorece a hipótese de uma origem em meio aquoso. Sua composição atômica também é admiravelmente simples. Apenas quatro elementos químicos – carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio (CHON)– somam 99,9% da matéria viva. Eles estão entre os cinco mais abundantes do Universo, só deixando de fora o hélio, que não faz ligações químicas. A bioquímica da vida é composta por combinações desses átomos, formando água (H2O), metano (CH4), amônia (NH3), dióxido de carbono (CO2), açúcares, proteínas, ácidos graxos e outros. Mesmo que muitas proteínas tenham elementos metálicos e requeiram certos íons para funcionar, os elementos mais abundantes são, de longe, os mencionados anteriormente. O fato de que a vida se compõe dos átomos mais amplamente encontrados na natureza indica que ela é simplesmente uma expressão da oportunidade e não uma excepcionalidade, um milagre, que poderia ser feito com materiais arbitrários, inclusive raros. 
Embora bactérias, baleias, palmeiras e elefantes sejam tão diferentes entre si na forma, eles são extremamente parecidos na química. As moléculas simples se combinam formando moléculas maiores – os monômeros, 2 como os nucleotídeos e os aminoácidos. Os nucleotídeos e aminoácidos usados pelos seres vivos são em pequeno número e praticamente os mesmos. A junção desses monômeros em grandes cadeias forma os biopolímeros: os ácidos nucléicos (RNA e DNA) e as proteínas. São eles que estão por trás da diversidade biológica que observamos. Nos seres vivos atuais, o DNA carrega o código de montagem das proteínas que são responsáveis pelas mais diversas funções. Além da composição material, a forma de processamento de energia (metabolismo) também é muito parecida em todos os organismos vivos, ocorrendo por um pequeno número de processos intimamente relacionados. A Figura 5 indica TODOS os seres vivos como parentes e apresentando uma origem comum. 
Uma forma poderosa de diagnosticar o parentesco dos seres vivos é pela análise genômica do RNA ribossômico 16s, que não pode ser aplicada a fósseis, pois esses perderam seu conteúdo celular. Os ribossomos são complexos moleculares do interior das células que participam da produção de proteínas. Essas fábricas de proteínas são compostas de vários tipos de ácido ribonucléico (RNA). Mutações, ao longo do tempo, alteram a ordem das bases no RNA ribossômico (RNAr). Organismos que fazem parte de um grupo biológico que compartilha uma história recente têm RNAr semelhante, e quanto mais afastado for o parentesco, mais esse se diferencia. A comparação do RNAr 16s entre dois grupos que se originaram de um mesmo ramo evolutivo permite avaliar quantas mudanças ocorreram desde a separação. Isso possibilita a construção de uma árvore em que o comprimento do ramo é proporcional ao número de mudanças sofridas, chamada de árvore filogenética universal. 
Nota-se que, embora as plantas e animais sejam as formas mais familiares de vida para nós, elas perfazem somente dois dos vinte ramos da árvore da vida. Além desses dois, somente os fungos têm membros visíveis sem a ajuda de um microscópio. A maior parte da vida é invisível a olho nu. Todos os organismos conhecidos pertencem a um dos três domínios: bacteria (ou eubactérias), archea (ou arqueobactérias) e eucarya (ou eucariotos). Todos os ramos se unem a um ramo único numa região entre bacteria e archea. Esse ramo teria sido o do último ancestral comum (denominado progenota). 
A árvore filogenética concorda bem com o estudo dos fósseis, que mostra que os mais antigos eram do domínio bacteria e archea, e os mais recentes, do eucarya. Ela poderia ser lida como uma seqüência temporal, em que o tempo presente estaria na ponta dos ramos e o passado na direção de sua conexão com outro ramo. Entretanto, os tempos de divisão dos ramos não podem ser medidos com precisão, pois as taxas de mutação não são regulares com o tempo. Outro aspecto da árvore universal é que ela se baseia nos seres que estão vivos hoje, que somam menos de 1% de todas as espécies que se sucederam na longa história do planeta. 
A formação da árvore filogenética parece não ter sido tão simples e linear como aqui apresentada. Nos eucariotos, as mitocôndrias (responsáveis pela respiração) e os cloroplastos (responsáveis pela fotossíntese) parecem ter se originado de bactérias que invadiram o interior de células se instalando numa associação simbiôntica. Da mesma forma, organismos primitivos podem ter se associado “horizontalmente” trocando material genético. Assim, em vez de um único tronco, a árvore filogenética pode ter se originado de diversos troncos separados, que acabaram se unindo em três grandes ramos, que depois se subdividiram em ramos secundários. Apesar disso, vamos continuar a falar do ancestral comum, independentemente de ele ter aparecido como um único tipo de organismo ou de ter sido o resultado de uma aglutinação de linhagens diferentes. 
Figura 5. Árvore filogenética universal da vida baseada no RNA ribossômico 16s, mostrando a existência de um ancestral comum a todas as formas de vida. 
Síntese pré-biótica de compostos orgânicos. 
A idéia de que os primeiros seres se originaram na Terra a partir da matéria inanimada não é nova. Em 1871, Charles Darwin afirmou que num pântano quente, com todos os tipos de amônia, sais de fósforo, luz, calor, eletricidade, poderiam se formar proteínas que sofreriam alterações posteriores, e se isso ocorresse atualmente, elas seriam destruídas, o que não aconteceria na Terra primitiva antes do aparecimento da vida. 
Em 1923, Aleksandr Ivanovich Oparin (1894-1980), um pesquisador russo, levando em conta a então recente descoberta de metano na atmosfera de Júpiter e outros planetas gigantes, postulou que a Terra primitiva também possuía uma atmosfera fortemente redutora, contendo metano, amônia, hidrogênio e água. Em sua opinião, esses foram os elementos essenciais para a evolução da vida. Nessa época a Terra estava passando por um processo de resfriamento, que permitiu o acúmulo de água nas depressões da sua crosta, formando os mares primitivos. As tempestades com raios eram freqüentes e ainda não havia na atmosfera o escudo de ozônio contra radiações. As descargas elétricas e as radiações que atingiam nosso planeta teriam fornecido energia para que algumas moléculas presentes na atmosfera se unissem, dando origem a moléculas maiores e mais complexas: as primeiras moléculas orgânicas. Estas eram arrastadas pelas águas das chuvas e passavam a se acumular nos mares primitivos, que eram quentes e rasos. O processo, repetindo-se ao longo de vários anos, teria transformado os mares primitivos em "sopas primitivas", ricas em matéria orgânica. Baseado no trabalho de Bungenberg de Jong em coacervados certas moléculas orgânicas (especialmente as proteínas) podem espontaneamente formar agregados e camadas, quando estão na água. Oparin sugeriu que diferentes tipos de coacervados podem ter se formado nas "sopas primitivas" dos oceanos. Esses coacervados não eram seres vivos, mas sim uma primitiva organização das substâncias orgânicas, principalmente proteínas, em um sistema isolado. Apesar de isolados os coacervados podiam trocar substâncias com o meio externo, sendo que em seu interior houve possibilidade de ocorrerem inúmeras reações químicas. Subseqüentemente, sujeitos ao processo de seleção natural, esses coarcervados cresceram em complexidade, levando eventualmente aos seres vivos. 
Em 1929, John Burdon Sanderson Haldane (1892-1964), um pesquisador inglês, apresentou idéias muito semelhantes às de Oparin, mesmo desconhecendo-as. 
Nos anos 1950, Harold Urey (1893-1981) argumentou que a atmosfera da Terra, em sua origem, era parecida com a dos planetas gasosos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno). Eles teriam mantido suas atmosferas quase inalteradas por causa da grande massa (alta gravidade) e baixa temperatura (distantes do Sol). Os planetas rochosos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte) as teriam perdido pela baixa gravidade e pela proximidade do Sol, que teria dissociado as moléculas pela ação dos raios UV e que produz alta temperatura atmosférica. Como Júpiter e seus parceiros gasosos têm atmosfera rica em amônia (NH3), metano (CH4) e hidrogênio (H2), assim também teria sido a atmosferaprimitiva da Terra e dos outros planetas rochosos. 
A hipótese de Urey entusiasmou seu aluno Stanley Miller. Ele conhecia a teoria de Oparin de que os aminoácidos poderiam se formar por processos abióticos numa atmosfera redutora e decidiu colocar isso à prova no laboratório. Juntamente com seu aluno Stanley Miller (1930-2007), Urey iniciou experimentos que imitavam a composição pressuposta da atmosfera primitiva. 
 
 Harold Urey Stanley Miller
Stanley Miller e Urey construíram um aparelho contendo um balão de vidro com água fervente, cujo vapor subia por um tubo de vidro indo até outro balão de 5 litros de capacidade, no qual haviam sido inseridos dois eletrodos que repetidamente geravam faíscas elétricas sob intensa radiação ultravioleta (fig. 6). Neste balão, Miller introduziu Hidrogênio (H2), Metano (CH4) e Amônia (NH3), que se misturavam ao vapor d'água (H2O). Este vapor, juntamente com outros gases passava por um condensador para resfriamento, e a mistura líquida assim condensada voltava ao balão contendo água fervente. Após uma semana de funcionamento, o líquido dentro deste balão estava com a coloração de caldo de carne. Miller analisou a composição desta mistura e verificou ali a presença de muitos aminoácidos, aldeídos, ácidos carboxílicos e cianeto de Hidrogênio. Neste experimento, Miller tentou imitar a atmosfera primitiva que era bombardeada por relâmpagos e luz ultravioleta do sol, uma vez que ainda não existia a camada de Ozônio. 
Em outros experimentos, adenina foi sintetizada por refluxo de uma solução concentrada de cianeto de Hidrogênio(HCN) e amônia. A polimerização de HCN também forma ácido orótico (vitamina B13), que pode ser descarboxilado fotoquimicamente pela luz do Sol dando Uracila. Após a publicação dos resultados de Miller em 1953, uma série de experimentos semelhantes foram realizados, variando a composição da ''atmosfera''. Todos eles demonstraram que em uma atmosfera redutora sujeita descargas elétricas e luz ultravioleta podem se formar compostos orgânicos presentes nos seres vivos sem existência de seres vivos. Isto foi chamado de Síntese pré-biótica. 
Figura 6. Aparelho usado nos experimentos de Miller 
O primeiro problema com o experimento de Miller é que a atmosfera da Terra nunca foi redutora, pelo menos no grau necessário para formar aminoácidos. As inúmeras variantes do experimento de Miller, quando realizadas em ambientes neutros (intermediário entre oxidante e redutor) ou baixamente redutores, nunca produziram quantidades relevantes de aminoácidos. A idéia de atmosferas redutoras em planetas rochosos foi demonstrada inconsistente pela planetologia por volta dos anos 1970. Os planetas rochosos se formaram a partir de poeira seca, sem a capa de água e elementos voláteis que formaram os planetas gasosos. É por isso que os planetas rochosos têm atmosferas neutras (ricas em dióxido de carbono e nitrogênio), e os gasosos têm atmosferas redutoras (ricas em hidrogênio, amônia e metano). O segundo problema é que os experimentos nunca produziram vida ou qualquer coisa mais complexa que aminoácidos. 
Como se explica então o fato de que a Terra e outros planetas rochosos tenham água hoje (embora pouca em comparação com os corpos mais distantes do Sol)? Os fragmentos que restaram da formação de Júpiter e dos outros planetas gasosos foram lançados para todos os lados, em forma de cometas, e muitos deles atingiram a Terra trazendo grande quantidade de água e compostos carbonados. A formação da Lua pela colisão com um planetóide do tamanho de Marte com a Terra há 4,42 bilhões de anos atrás (4,42 B.a.) cozinhou a crosta terrestre e vaporizou os oceanos trazidos pelos cometas. Novas quedas de cometas e meteoritos trouxeram mais água e compostos carbonados. O calor dos impactos, o efeito estufa da luz solar na atmosfera rica em CO2 e a dissociação das moléculas hidrogenadas pela radiação UV não deixam muito espaço para uma atmosfera redutora (rica em hidrogênio). 
A formação de aminoácidos é surpreendentemente fácil nos ambientes típicos do Universo, ricos em hidrogênio molecular. Tanto que três tipos de aminoácidos simples foram detectados em nuvens interestelares como a nebulosa de Orion. Aminoácidos mais complexos são muito difíceis de ser identificados, mas podem estar presentes dada a enorme variedade de moléculas complexas existentes nas nuvens interestelares. 
Não se encontrou até agora um mecanismo ou ambiente que desse conta de produzir toda a variedade de compostos orgânicos necessários para a vida. É possível que a sopa prébiótica tenha tido contribuições de diferentes processos ocorridos no ambiente interplanetário, na atmosfera terrestre e nas fontes hidrotermais. Embora o problema de saber quanto cada fonte contribuiu para a sopa pré-biótica continue em aberto, a origem abiótica de compostos orgânicos essenciais para a vida, como os aminoácidos, está firmemente embasada em experimentos de laboratório e processos teóricos. 
Síntese pré-biótica de polímeros. 
As substâncias obtidas através da síntese pré-biótica constituem os blocos de construção das principais moléculas que constituem os seres vivos atuais: as proteínas, os ácidos nucléicos e os lipídeos. As proteínas são polímeros de aminoácidos, ou seja, vários aminoácidos se ligam uns aos outros pela formação da ligação peptídica, que envolve a perda de uma molécula de água. Da mesma forma, pentoses se ligam a bases nitrogenadas para formar os nucleosídeos, que, por sua vez se ligam aos fosfatos formando nucleotídeos, e vários nucleotídeos se ligam para formar os ácidos nucleicos. Estas ligações envolvem a perda de uma molécula de água, isto é, são reações de síntese por desidratação. 
O problema que surge no entendimento da formação de polímeros na Terra primitiva é compreender como as reações que envolvem a absorção de energia e liberação de água poderiam se dar em meio aquoso. Uma vez que tais reações são reversíveis, o excesso de água levaria à hidrólise e não à desidratação. 
Atualmente, a energia requerida para as reações vem do ATP e as reações são catalizadas por enzimas. Na Terra primitiva as duas funções poderiam ser realizadas por compostos que possuem muita energia livre e a cederiam para as moléculas reagentes. (Fig. 7). Compostos desta natureza, conhecidos como agentes condensantes, são a carbodiimida (N=C=N), o cianogênio (N=C-C=N), a cianamida (N=C-NH2) e o cianoacetileno (N=C-C=CH) que podem se formar por meio de descargas elétricas em cianeto de Hidrogênio. Todavia, estes compostos só conseguem realizar a ligação de 2 monômeros na ausência de água. Uma sugestão para resolver este problema da polimerização por agentes condensantes em meio aquoso, seria a ligação prévia destes agentes a íons fosfatos (HPO4) ou outros íons negativos. Como estes íons competem com a água pelas ligações energéticas daqueles compostos, as ligações poderiam se dar. Estes íons têm sido usados para fazer dipeptideos de aminoácidos, para fazer AMP de adenina e fosfato e para fazer polímeros de fosfatos. Estes polifosfatos poderiam exercer, na Terra primitiva, o papel que o ATP desempenha hoje. Algumas bactérias atuais armazenam energia em moléculas de polifosfatos. 
Uma outra maneira de realizar a polimerização seria afastar a água da vizinhança da reação. Isto poderia ser realizado pela adsorção de moléculas à superfície de minerais tais como micas e argilas. Estes minerais consistem de folhas de silicatos empilhadas e unidas por íons positivos, com camadas de moléculas de água entre as folhas. Estas camadas de água tornam as folhas de silicatos acessíveis `as moléculas orgânicas e estas se fundem na argila. Aharon Katchalsky do Instituo Weizmann de Ciência, em Israel demonstrou que argilas de montmorilonita promovem a polimerização de adenilatos de aminoácidos (aminoácidos ligados a AMP) formando polipeptídeos. Este mecanismo poderia ter sido importante para formar peptídeos. 
 
Aharon KatchalskySidney Fox
Uma outra maneira de formar polímeros seria o aquecimento a seco dos monômeros. Sidney Fox mostrou que misturas secas de aminoácidos polimerizam espontaneamente a 130°C formando polipeptídeos que ele denominou proteinóides. Se juntamente com os aminoácidos houver polifosfatos, a polimerização se dá a 60°C. Deste modo, aminoácidos formados nos oceanos poderiam ser levados a cones de cinzas de vulcões, onde secariam e polimerizariam. Estes polipeptídeos posteriormente seriam levados de volta aos oceanos pela água da chuva, onde se acumulariam. O mesmo poderia ocorrer na formação 10 de nucleotídeos e ácidos nucleicos, pois os nucleotídeos, na presença de polifosfatos, polimerizam a 55°C. 
Figura 7. A formação e alongamento de um polímero requer a remoção dos constituintes de água das extremidades das unidades a serem juntadas. Na presença de água, a reação é dirigida para a esquerda, desacoplando as subunidades(12). Para dirigir a reação para a direita há necessidade de energia. Na Terra primitiva, um agente de acoplamento tal como a carbodiimida poderia realizar tal polimerização(13). A carbodiimida ligando-se à água libera energia livre (14). Na presença de água a síntese é frustrada (15). 
As primeiras biomoléculas. 
As hipóteses expostas acima supõem que a vida se originou em águas rasas e quentes, tais como poças formadas pelas marés, ou mares rasos tropicais a partir de uma sopa de compostos orgânicos formados pré-bioticamente. Durante muito tempo se pensou que as proteínas fossem os mais fortes candidatos a serem as moléculas autoreplicadoras originais, uma vez que se pensava que elas fossem capazes de se organizar e reproduzir por si próprias. 
Muitos pesquisadores atualmente consideram os ácidos nucleicos como os candidatos mais fortes a terem sido as primeiras moléculas autoreplicadoras. Watson e Crick mostraram que as proteínas são formadas de acordo com as instruções contidas no DNA, mas o DNA não pode realizar seu trabalho sem a ajuda das proteínas (enzimas). Em resumo, proteínas não podem se formar sem DNA nem o DNA pode se duplicar sem as proteínas. Quem surgiu primeiro, proteínas ou ácidos nucleicos? 
Sabe-se que a estrutura da dupla hélice do DNA é perfeitamente apropriada para a tarefa de replicação. Por outro lado, os polipeptídeos não têm estrutura complementar e não podem servir de moldes para sua auto replicação. 
No final da década de 1960 Leslie Orgel, Francis Crick e Carl Woese propuseram, independentemente, que o RNA precedeu a formação do DNA baseado no fato de que o RNA exerce três funções: mensageiro (mRNA), transportador (tRNA) e ribossômico (rRNA). 
 
Orgel Watson Crick Woese
Em 1981, Thomas Cech da Universidade de Colorado e Sidney Altman da Universidade Yale descobriram que o intron do RNA ribossômico do ciliado Tetrahymena tem atividade autocatalítica, podendo dividir e juntar as partes novamente sem a ajuda de enzimas. Cech denominou ribozimas esses RNAs com propriedades catalíticas. A habilidade do intron do RNAr funcionar como enzima sugere que a primeira molécula ativa na origem da vida pode ter sido uma ribozima que catalizava sua própria replicação sem ajuda de uma proteína. A descoberta de novos exemplos de RNA catalítico a partir de 1983 fortalece esta hipótese. 
S. altman T. Cech
Em 1991, Young e colaboradores mostraram que a polimerase do RNA III do bicho da seda requer um fator de transição que é composto por RNA. Em 1995, Potter e colaboradores descobriram na arqueobactéria Sulfolobus a existência de uma endonuclease que contém RNA que catalisa a excisão e maturação do RNA ribossômico. Esta molécula de RNA é muito semelhante ao RNA envolvido na maturação do RNA mensageiro em eucariotos e, segundo aqueles autores ela já estaria presente antes da separação das arqueobactérias e os eucariotos. Além disso, existem diversas coenzimas como NAD e FAD presentes em todos os seres vivos as quais são compostas de ribonucleotídeos e catalizam reações químicas na ausência da proteína correspondente. 
 Walter Gilbert
Walter Gilbert, biólogo da Universidade de Harvard, cunhou o termo "mundo do RNA" em 1986 e tem advogado em favor de sua teoria. De acordo com ele, os primeiros organismos consistiam de moléculas de RNA autocatalíticas (ribozimas). A existência do mundo do RNA requer ribozimas capazes de replicar RNA. Além disso, seriam necessárias as capacidades de tomar matéria prima do meio e de coletar energia de outras moléculas com ligações de alta energia. Este RNA estaria acompanhado de diversas moléculas que poderiam funcionar como cofatores e substratos, incluindo aminoácidos, polipeptídeos, açucares, lipídeos, e íons metálicos. Essa coexistência levaria à aquisição de outros grupos funcionais. 
O primeiro estágio na evolução de sistemas biológicos foi a formação e replicação das moléculas poliméricas utilizando o material que já estava presente na sopa pré-biótica. Como ainda não havia necessidade de cooperação entre as moléculas, a formação de um mecanismo separador, como uma membrana, não teria função útil. 
No estágio seguinte, o RNA deve ter começado a dirigir a síntese protéica. Assim que isto tenha começado a ocorrer, tornou-se necessária a existência de uma estrutura que envolvesse e mantivesse juntas as macromoléculas. Uma membrana forte teria sido desvantajosa, porque teria barrado moléculas abióticas úteis, impedindo-as de entrar em contato com as outras. Quando os organismos primitivos começaram a produzir compostos químicos tornou necessário reter pequenas moléculas. A maioria das vantagens que poderia advir da "invenção" de novas sínteses químicas teria se perdido se os organismos compartilhassem suas "descobertas" com os outros. Para evitar que isto acontecesse, foi necessário o surgimento de uma membrana semipermeável que permitisse a entrada de substâncias úteis e impedisse a saída das moléculas sintetizadas no interior. 
Nos oceanos primitivos, a agitação constante deve ter levado `a formação de grandes quantidades de gotículas membranosas contendo uma mistura de lipídeos e proteínas na "membrana"(fig.8). Gotículas que encerrassem em seu interior alguma substância catalítica que pudesse funcionar como uma enzima primitiva, poderiam crescer e realizar algum tipo primitivo de metabolismo. 
Fig. 8. Efeito da agitação mecânica de uma superfície aquosa contendo moléculas orientadas com a extremidade hidrofóbica voltada para fora da água e a extremidade hidrofílica voltada para dentro da água(a). Em moléculas como os lipídeos, a cadeia de hidrocarbonetos é hidrofóbica e a cadeia carboxílica é hidrofílica. A agitação causa a formação de gotículas (b) e vesículas delimitadas por uma camada dupla (d). 
A seqüência de eventos que levariam à síntese de proteínas direcionada pelo RNA provavelmente começou com uma simples interação química entre aminoácidos e ribozimas que levou à formação da protocélula baseada em RNA. A primeira protocélula seria um sistema envolto por membranas composto por macromoléculas capazes de auto-replicação e catálise, com mecanismos de tomar matéria prima do meio e de obtenção de energia. À medida que elas evoluíam conseguiram sintetizar proteínas que podia ajudá-las a se dividir mais rapidamente, e sintetizar lipídeos que poderiam formar uma membrana celular. Posteriormente, elas deram origem ao DNA que servia de um repositório de informação genética mais estável. 
Como esta ribozima teria se formado? Presumivelmente a condensação prébiótica de mononucleotídeos formou polímeros cada vez mais longos. A maioria destes polímeros seriam sem função, mas, ocasionalmente alguma delas teria sido apta a funcionar como replicase. Como nenhuma replicase pode copiar seu próprio sítio ativo, devemos imaginar que duas RNA replicases se originaram simultaneamente. 
Jack Szostak, do Hospital Geral de Massachussets, juntamente com seus colaboradores,construíram moléculas de RNA que podiam agir como enzimas, cortando e passando juntas moléculas, incluindo a si próprias. Eles estão tentando mostrar como estes RNAs poderiam se tornar encapsulados em uma membrana semelhante à membrana plasmática. 
 
Jack Szostak Gerald Joyce
À medida que as pesquisas progridem neste campo, surgem alguns problemas. Por exemplo, como o RNA se originou inicialmente? Como o RNA e seus componentes são difíceis de sintetizar em laboratório, mesmo sob as melhores condições, muito mais sob as condições pré-bióticas. Por exemplo, o processo que cria a ribose, produz também uma série de outros compostos que inibiriam a síntese de RNA. Além disso,não tem uma explicação satisfatória de como o Fósforo que é relativamente raro na natureza se tornou um ingrediente crucial do RNA e DNA. 
De acordo com Gerald Joyce do Instituto de pesquisas da Clínica Scripps, o RNA depois de sintetizado só pode fazer cópias de si mesmo com grande ajuda dos cientistas. Leslie Orgel, do Instituto Salk de estudos biológicos, concorda com Joyce, afirmando que os experimentos simulando os primeiros estágios do Mundo do RNA são complicados demais para representar cenários plausíveis para a origem da vida. Orgel chegou à conclusão que alguma molécula mais simples pode ter pavimentado o caminho para o RNA, mas sua identificação seria muito difícil. 
Do mundo do RNA para o mundo do DNA 
O processo de transferência de informação genética do RNA para o DNA ocorrreu graças à atividade de enzimas conhecidas como transcriptases reversas. Essas enzimas foram inicialmente encontradas em retrovírus, que são vírus que possuem moléculas de RNA empregadas como molde para intermediários de DNA. A existência de transcriptases reversas não está restrita aos retrovírus. Este tipo de atividade enzimática foi descrito em células procarióticas e eucarióticas. Um fato interessante é que a telomerase, que é uma enzima importante na síntese das extremidades repetitivas dos cromossomos de eucariotos (os telômeros), realiza sua função empregando uma molécula de RNA como molde da região repetitiva. Esta ribonucleoproteína sintetiza DNA a partir de RNA, sendo, portanto, uma transcriptase reversa. Acredita-se que esta enzima seja um dos fósseis moleculares remanescentes do mundo do RNA. Esta conversão de RNA em DNA permitiu a origem de células com metabolismo próximo ao que conhecemos hoje e deve ter tido um papel importante na origem das células atuais, constituindo o chamamos hoje de progenoto. 
Hipótese das fontes hidrotermais. 
Analisando as crateras da superfície da lua, que formam um registro da taxa de impactos no sistema solar jovem, grupos liderados independentemente por David Stevenson, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, e por Norman Sleep, da Universidade de Stanford, concluíram que meteoritos e cometas colidindo com a Terra, deteriam o surgimento da vida no planeta por milhões de anos. Muitos destes objetos teriam mais de 10 Km de tamanho. O impacto de tais objetos teria gerado tamanha quantidade de energia que levaria a água à ebulição, além de lançar nuvens de pó e de rocha fundida na atmosfera. A conclusão destes cálculos é que a vida incipiente teria sido destruída até 3,8 bilhões de anos. Além disso, alguns pesquisadores acham que a atmosfera primitiva não teria sido propícia à formação de compostos orgânicos, como se pensava. Com base em experimentos de laboratório e simulações de computador 
 
David Stevenson Norman sleep James Kasting
James Walker, da Universidade de Michigam, e outros, sugeriram que a radiação ultravioleta do sol, que hoje é barrada pela camada de Ozônio, na atmosfera primitiva teria decomposto as moléculas baseadas em Hidrogênio, e este teria escapado para o espaço. 
Estes achados sugerem que os maiores componentes da atmosfera primitiva seriam o gás carbônico e o Nitrogênio liberado pelos vulcões. Uma atmosfera com esta composição não teria levado à formação de aminoácidos e outros precursores da vida. De acordo com os cálculos de James Kasting, da Universidade Estadual da Pennsylvania, o dióxido de Carbono teria criado um efeito estufa tão extremo, que a temperatura da superfície da Terra se elevaria ao ponto de ebulição da água. 
Segundo Stanley Miller, as nuvens e fumaça poderiam ter protegido os gases de Hidrogênio da luz ultravioleta. Algumas pesquisas japonesas apóiam o ponto de vista de Miller. Eles argumentam que partículas solares e raios cósmicos estimulariam a Síntese de Hidrogênio, e consequentemente de Metano e Amônia, a partir da quebra das moléculas de água. 
Não obstante, as pesquisas sobre impactos de meteoros e sobre a composição da atmosfera, combinados com a crença de que a vida existia antes de 3,5 bilhões de anos, levaram alguns cientistas a suspeitar que a vida não foi incubada em poças formadas pelas marés, mas nas profundezas do oceano. No fim dos anos 70 foram descobertas várias fontes hidrotermais no fundo do oceano perto das ilhas Galápagos. Estas fontes suportam prósperas comunidades de organismos incluindo vermes, mariscos e bactérias, cuja fonte primaria de energia não é a luz, mas compostos de enxofre emitidos pelas fontes. Têm sido encontradas dúzias de fontes nas proximidades da união de duas placas tectônicas. 
John Corliss, da NASA, propõe que as fontes poderiam fornecer a energia e nutrientes necessários para criar e sustentar a vida. Ele afirma que estas fontes seriam protegidas dos impactos de meteoros. 
Uma evidência a favor da hipótese das fontes hidrotermais vem dos estudos de organismos unicelulares conduzidos por Carl Woese, da Universidade de Illinois. Analisando a composição do RNA ribossômico 16S de tais organismos, ele dividiu as bactérias em Eubactérias e Arqueobactérias. As Arqueobactérias preferem ambientes quentes (até 120° C), e algumas espécies preferem ambientes ácidos, sem Oxigênio, com enxofre, encontrados nas fontes hidrotermais. 
 
John Corliss Normam Pace 
Normam Pace, um biólogo da Universidade de Indiana, acha que a vida não se originou nas fontes, mas que os primeiros seres foram gerados em outro lugar, talvez na superfície da Terra, nos períodos de calmaria dos impactos meteóricos e depois eles teriam atingido as fontes hidrotermais na profundidade dos oceanos. Impactos subseqüentes teriam eliminado todos os seres, menos aqueles das fontes hidrotermais, que teriam dado origem a todos os seres vivos da Terra. 
Stanley Miller não acredita na hipótese das fontes. Ele acha que elas duram apenas algumas décadas e não haveria tempo suficiente para a vida se originar nelas. além disso, o calor excessivo destas fontes (às vezes excedendo 300° C) teria destruído em vez de criado a vida. 
Hipóteses com base no Enxofre. 
Günter Wachtershauser, gerente de uma firma especializada em leis sobre patentes e doutor em Química Orgânica acredita que a vida se originou como um processo metabólico se dando na superfície de um cristal de pirita (FeS2). Segundo ele, a pirita oferece uma superfície carregada positivamente à qual os compostos orgânicos simples teriam se ligado. A contínua formação de pirita a partir do Ferro e do Enxofre forneceria energia na forma de elétrons que induziria os compostos orgânicos reagirem e crescerem em complexidade. A primeira célula, diz ele, pode ter sido um grão de pirita fechado em uma membrana de compostos orgânicos. 
 
Christian De Duve Cairns-Smith
Christian De Duve, do Instituto Rockefeller, propõe um modelo semelhante ao de Wächtershäuser, baseado em compostos de enxofre denominados Tioésteres. Os tioésteres desempenham um importante papel no metabolismo celular, e vários estudos sugerem que eles podem ter sido uma fonte de energia das células primitivas. De Duve diz que no lodo primitivo, os tioésteres podem ter disparado uma cascata de reaçõesquímicas semelhantes àquelas que ocorrem no moderno metabolismo celular. Estas reações seriam catalisadas por "protoenzimas" também formadas a partir dos tioésteres e resultariam na síntese de RNA. A síntese de tioésteres requer calor e ambientes ácidos, que seriam fornecidos pelas fontes hidrotermais. 
Cairns-Smith, químico da Universidade de Glasgow, Escócia, duvida da teoria de De Duve. Ele diz que a reação envolvendo Ferro e água pode ter enriquecido a atmosfera primitiva com Hidrogênio e que este processo torna os oceanos menos propícios à síntese de compostos orgânicos. Ele acredita que a vida se originou sobre a superfície sólida de cristais de argila. Ele aponta que argilas têm complexidade suficiente para mutar e evoluir de um modo semelhante à vida, mas ele reconhece que sua teoria tem falhas. 
Origem extraterrestre. 
Enquanto é difícil encontrar um ambiente favorável à formação de aminoácidos na Terra primitiva, o experimento de Miller se mostra amplamente operativo fora dela. Alguns meteoritos (do tipo condrito), como o que caiu em Murchison na Austrália em 1969, contêm boa quantidade de aminoácidos (100 ppm – partes por milhão), e eles são dos mesmos tipos dos produzidos no experimento de Miller. Isso não é de estranhar, dado que esses corpos se formaram na região dos planetas gasosos, onde o disco protoplanetário era rico em hidrogênio. Os cometas são ricos em compostos orgânicos (50% H2O, 1% HCN, 1% H2CO3, além de CO, CO2 e aminoácidos) e poderiam ter trazido boa quantidade de aminoácidos nas últimas fases de formação da Terra. Os fragmentos pequenos, especialmente a poeira cometária, não geram muito calor ao caírem, de modo que os aminoácidos podem ter sobrevivido à queda. Atualmente, caem ~40 mil toneladas/ano de poeira cometária e o fluxo deve ter sido 100-1.000 vezes mais elevado nos primórdios da Terra. A questão ainda difícil de responder é se o aporte de aminoácidos de fora da Terra teria sido suficiente para a origem da vida aqui. 
Observações sobre o cometa de Halley, que passou pela Terra em 1986, sugeriram que os cometas podem ser mais ricos em compostos orgânicos do que os condritos carbonáceos. David Deamer, bioquímico da Universidade da Califórnia, produziu vesículas com compostos que ele obteve de um meteorito. Ele diz que essas vesículas teriam fornecido um ambiente dentro do qual, aminoácidos, ácidos nucléicos e outros compostos orgânicos, teriam sofrido transformações necessárias para a vida começar. 
 
David Deamer Jeffrey Bada
Esta noção foi fortalecida pela descoberta de aminoácidos abaixo e acima de uma camada de argila depositada no limite da era mesozóica e cenozóica. Jeffrey Bada e Mexun Zhao, da Universidade de San Diego, determinaram que aqueles aminoácidos eram tipos não biológicos, encontrados apenas em meteoritos. 
Mas algumas dúvidas permanecem: como os aminoácidos resistiriam ao enorme calor gerado pelo impacto dos meteoritos? Por que os aminoácidos são encontrados acima e abaixo e não dentro da camada de argila? Kevin Zahnle e David Grinspoon, da NASA afirmam que os aminoácidos vieram de um ou mais cometas que não se chocaram com a Terra, mas passaram perto deixando uma nuvem de poeira orgânica antes e depois dos impactos dos meteoros no fim da era mesozóica. Deste modo, os cometas poderiam ter semeado a Terra com compostos orgânicos desde seu começo. 
 
Kevin Zahnle David Grinspoon Christopher Chyba J. Mayo Greenberg
Christopher Chyba, da Universidade de Cornell, acha que as ondas de choque e calor geradas pelos impactos poderiam iniciar reações químicas na atmosfera que sintetizaria compostos orgânicos. Além disso, os objetos extraterrestres poderiam se partir em pequenas peças e cair intactas na Terra sem se incendiarem na atmosfera. 
Alguns acham essas teorias de origem extraterrestre, muito especulativas, mas J. Mayo Greenberg, astrofísico da Universidade de Leiden, Holanda, acha que apesar de improvável, a hipótese da origem extraterrestre não pode ser descartada com base em seus experimentos. 
Apesar de muitas evidências a favor da origem da vida a partir de moléculas originadas espontaneamente na Terra primitiva, ainda estamos muito longe de conhecer as etapas envolvidas no processo. Além disso, mesmo que venhamos a conhecê-lo, nunca saberemos ao certo como a vida se originou realmente, mas o que importa é saber se é possível que ela tenha se originado natural e espontaneamente. 
Tabela 1. Aminoácidos relacionados com proteínas provenientes de diversas fontes abióticas 
	lava
	Amostra da Lua
	meteoritos
	experimentos
	Glicina
	Glicina
	Glicina
	Glicina
	Alanina
	Alanina
	Alanina
	Alanina
	Ac. glutamico
	Ac. glutamico
	Ac. glutamico
	Ac. glutamico
	Ac. aspartico
	Ac. aspartico
	Ac. aspartico
	Ac. aspartico
	Serina 
	Serina 
	Valina
	Serina 
	treonina
	treonina
	Prolina
	treonina
	Isoleucina
	
	
	Isoleucina
	leucina
	
	
	leucina
	Valina
	
	
	Valina
	
	
	
	Prolina
Quando ocorreu a origem da vida? 
É comum as pessoas pensarem que algo tão complexo quanto a vida exigiria processos que só ocorrem raramente, demandando tempos extremamente longos para terem alguma chance de ocorrer. Os dados atuais indicam que isso não é verdade. Vamos olhar para as primeiras eras geológicas da Terra. A formação rochosa Isua (na Groenlândia) é uma das mais antigas, tem 3,8 bilhões de anos (b. a.). Embora não contenha organismos fósseis, ela tem indicações de contaminação por atividade biológica. O grafite encontrado nela tem um teor de carbono 13 (variedade de átomo de carbono com seis prótons e sete nêutrons) em relação ao isótopo mais leve carbono 12 com valores típicos de material orgânico, como o encontrado em restos vegetais atuais. Até agora, não se encontrou outra explicação, a não ser a fotossíntese para explicar essa anomalia do carbono. 
Outro dado que aponta para a fotossíntese em épocas remotas são os imensos depósitos de óxido de ferro (chamados de banded iron formation – BIF), os mais antigos com ~3,7 b. a. de idade. Nessa época, não existia oxigênio livre na atmosfera, como indicado pela existência de pirita e uraninita que se dissolvem na presença de oxigênio. O oxigênio pode ter sido liberado nos oceanos pela atividade de algas fotossintetizantes e consumido localmente, oxidando o ferro. Se as rochas de Isua e os BIF mais antigos indicam existência de vida, ela deve ter surgido antes de 3,8 b. .a., dado que a fotossíntese, por ser um processo muito complexo, não deve ter sido a primeira forma de produção de energia. O ancestral comum deve ter surgido antes disso. 
Mais um motivo para recuar o aparecimento do progenoto para antes de 3,8 b a. é que os trezentos milhões de anos seguintes parecem ser muito curtos para a vida ter atingido o nível de complexidade da cianobactéria, parente dos organismos que formaram os estromatólitos. Mas não podemos recuar a origem da vida para tempos muito anteriores a esse. A Terra se formou há 4,56 b. a., e há 4,46 b. .a. já tinha crosta sólida, a água tinha chovido das nuvens para formar os oceanos e a atmosfera tinha temperatura aceitável. Mas nos primeiros ~700 milhões de anos ela era castigada por uma densa chuva meteorítica, alguns dos fragmentos com centenas de quilômetros de tamanho. Uma colisão dessas vaporizaria os oceanos e aqueceria tanto a atmosfera, que levaria mais de mil anos para chover de novo. Se já existia vida na Terra nessa época, ela teria sido destruída, não uma, mas muitas vezes. Ela só poderia ter se arraigado de forma estável depois do fim da chuva de meteoros esterilizantes, ou seja, há menos de 3,9 b. .a. Isso deixa uma janela de <100 milhões de anos para a vida partir do zero e atingir o estágio de produção de energia por fotossíntese. Se preferirmos descartar o diferencial de Carbono 13 ou os BIF como indício de vida, o intervalo de tempo para a vida ter se formado e evoluído até o nível de complexidadeda cianobactéria sobe para meros 400 M.a. Nos 3,5 b. .a. seguintes a vida aumentou sua diversidade, mas não aconteceram saltos de complexidade tão grandes quanto o inicial, do inorgânico para o vivo. Por isso, a janela de tempo de centenas de milhões de anos é pequena e indica que esse salto não é tão difícil ou improvável para a natureza. 
Quanto menor a escala de tempo, mais simples deve ter sido o processo de origem da vida. Na Terra, ela se instalou tão cedo e tão rapidamente que parece ser um mero subproduto da formação planetária. Isso abre enormes perspectivas de que ela também tenha surgido em outros planetas, que só na nossa galáxia devem ultrapassar a casa dos trilhões. No volume visível do Universo existem cerca de cem bilhões de galáxias como a nossa, elevando o número de planetas para mais de 1023. O fato de que a origem da vida seja um assunto tão difícil de ser compreendido não nos deve induzir ao erro de assumir que também seja difícil de ser realizada pela natureza. A janela para a formação de vida na Terra é tão estreita, que alguns preferem acreditar que ela tenha aportado aqui já pronta (hipótese de panspermia). O conforto que se ganha aumentando a janela de tempo para dez bilhões de anos e multiplicando a diversidade de situações físicas e químicas por um número incontável de planetas se perde pelo imenso isolamento cósmico dos astros e pela exigüidade de mecanismos viáveis de transporte de seres vivos de um para outro. O transporte só é viável para planetas próximos, como entre a Terra e Marte. O problema do mecanismo de origem se transfere daqui para outro planeta, mas sua solução não se torna mais fácil. 
Figura 9 – Estabelecimento da vida na Terra após ~700 milhões de anos de idade, quando findou chuva meteorítica esterilizante. 
Bibliografia utilizada
DAMINELI, A. & DAMINELI, D. S. C. Origens da vida. Estudos Avançados 21 (59), 2007 263
HORGAN, J. In the beginning. 1991. Sci. American, February:100-109