O surgimento da vida é um evento raro ou algo inevitável?

Publicado 31 Janeiro 2014. em Ciência & Tecnologia

Por Natalie Wolchover
Por que a vida existe? Hipóteses populares creditam o feito a uma sopa primordial, um relâmpago e um golpe colossal de sorte. Mas se uma nova teoria provocativa estiver correta, a sorte pode ter pouco a ver com isso. Em vez disso, de acordo com o físico que propõe a ideia, a origem e evolução subsequente da vida segue as leis fundamentais da natureza e “deveria ser tão pouco surpreendente como rochas rolando ladeira abaixo”.
Do ponto de vista da física, há uma diferença essencial entre os seres vivos e aglomerados de átomos de carbono inanimados: os primeiros tendem a ser muito melhores em captar a energia do seu ambiente e dissipar essa energia na forma de calor. Jeremy England, um professor assistente no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA), de 31 anos, derivou uma fórmula matemática que ele acredita que explica essa capacidade.
A fórmula, com base na física estabelecida, indica que, quando um grupo de átomos é impulsionado por uma fonte externa de energia (como o sol ou um combustível químico) e rodeado por um banho de calor (como o oceano ou atmosfera) muitas vezes, aos poucos, ele se reestrutura a fim de dissipar cada vez mais energia. Isto poderia significar que, sob certas condições, a matéria inexoravelmente adquire o atributo físico chave associado com a vida.
“Você começa com um grupo aleatório de átomos, e se você brilhar uma luz sobre ele por muito tempo, não deve ser tão surpreendente que você obtenha uma planta”, disparou England em entrevista à revista “Quanta”.
A teoria da England pretende fundamentar, ao invés de substituir, a teoria da evolução de Darwin pela seleção natural, que fornece uma descrição poderosa da vida ao nível dos genes e populações. “Eu certamente não estou dizendo que as ideias darwinistas estão erradas”, explicou. “Pelo contrário, estou apenas dizendo que do ponto de vista da física, você pode chamar a evolução darwiniana de um caso especial em um fenômeno mais geral”.
Sua ideia, detalhada em um artigo recente e em uma palestra que ele está dando em universidades ao redor do mundo, gerou polêmica entre seus colegas.
England deu “um passo muito corajoso e muito importante”, disse Alexander Grosberg, professor de física na Universidade de Nova York (EUA), que tem acompanhado o trabalho do cientista desde seus estágios iniciais. A “grande esperança” é que ele tenha identificado o princípio físico subjacente dirigindo a origem e evolução da vida, relata Grosberg.
“Jeremy é o mais brilhante jovem cientista com quem eu já me deparei”, elogiou Attila Szabo, um biofísico no Laboratório de Química Física do Instituto Nacional de Saúde (EUA), que se correspondeu com England sobre sua teoria após conhecê-lo em uma conferência. “Fiquei impressionado com a originalidade das ideias”.
Outros, como Eugene Shakhnovich, um professor de química, biologia química e biofísica da Universidade de Harvard (EUA), não estão convencidos. “As ideias de Jeremy são interessantes e potencialmente promissoras, contudo neste momento são extremamente especulativas, especialmente quando aplicadas a fenômenos da vida”, pondera Shakhnovich.
Os resultados teóricos de England são considerados válidos de forma geral. É a sua interpretação – que sua fórmula representa a força motriz por trás de uma classe de fenômenos na natureza que inclui a vida – que ainda não foi provada. Mas já há ideias sobre como testar essa interpretação no laboratório.
“Ele está tentando algo radicalmente diferente”, explica Mara Prentiss, professora de física na Universidade de Harvard que está contemplando tal experimento depois de aprender sobre o trabalho de England. “Eu acho que ele tem uma ideia fabulosa. Certo ou errado, a investigação vai valer muito a pena”.
No coração da ideia de England está a segunda lei da termodinâmica, também conhecida como a lei da entropia crescente ou “flecha do tempo”. As coisas quentes esfriam, o gás se difunde através do ar, ovos são mexidos, mas nunca espontaneamente se separam. Em suma, a energia tende a se dispersar ou espalhar-se com o tempo. Entropia é uma medida desta tendência, quantificando o quão dispersa a energia está entre as partículas num sistema, e o quanto as partículas estão difusas no espaço. Ela aumenta como uma simples questão de probabilidade: há mais maneiras da energia ser espalhada do que ser concentrada.
Assim, à medida que partículas em um sistema se movimentam e interagem, elas vão, por puro acaso, tender a adotar configurações em que a energia se espalha para fora.
Eventualmente, o sistema chega a um estado de entropia máxima chamado “equilíbrio termodinâmico”, no qual a energia é distribuída de maneira uniforme. Uma xícara de café e a sala no qual está localizada ficam com a mesma temperatura, por exemplo. Enquanto o copo e o quarto são deixados em paz, este processo é irreversível. O café nunca aquece espontaneamente de novo porque as probabilidades são esmagadoramente empilhadas contra a possibilidade da energia do quarto concentrar aleatoriamente em seus átomos.
Embora a entropia deva aumentar ao longo do tempo em um sistema isolado, ou “fechado”, um sistema “aberto” pode se manter baixa – ou seja, a energia divide de forma desigual entre os seus átomos -, aumentando grandemente a entropia de seus arredores. Em sua influente monografia de 1944, “O que é vida?”, o eminente físico quântico Erwin Schrödinger argumentou que isso é o que os seres vivos devem fazer. Uma planta, por exemplo, absorve luz solar extremamente enérgica, a utiliza para construir os açúcares, e ejeta a luz infravermelha, uma forma muito menos concentrada de energia. A entropia total do universo aumenta durante a fotossíntese à medida que a luz solar se dissipa, assim como a planta previne-se da decomposição através da manutenção de uma estrutura interna ordenada.
A vida não viola a segunda lei da termodinâmica, porém até recentemente os físicos não tinham sido capazes de usar termodinâmica para explicar por que ela deve surgir, em primeiro lugar. Nos dias de Schrödinger, eles poderiam resolver as equações da termodinâmica somente para sistemas fechados em equilíbrio. Na década de 1960, o físico belga Ilya Prigogine fez progressos ao prever o comportamento de sistemas abertos fracamente impulsionados por fontes de energia externas (pelo qual ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1977). Mas o comportamento de sistemas que estão longe do equilíbrio, os quais estão ligados ao meio ambiente exterior e fortemente impulsionados por outras fontes de energia, não poderia ser previsto.
Esta situação mudou na década de 1990, devido, principalmente, ao trabalho de Chris Jarzynski, agora na Universidade de Maryland (EUA), e Gavin Crooks, agora no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (EUA). Jarzynski e Crooks mostraram que a entropia produzida por um processo termodinâmico, tais como o arrefecimento de uma xícara de café, corresponde a uma razão simples: a probabilidade dos átomos de sofrer o processo dividido pela sua probabilidade de sofrer o processo inverso (isto é, interagindo espontaneamente, de tal maneira que o café aquece). Com o aumento de produção de entropia, o mesmo acontece com esta relação: o comportamento de um sistema torna-se mais e mais “irreversível”. A fórmula simples, ainda que rigorosa poderia, em princípio, ser aplicada a qualquer processo termodinâmico, não importa o quão rápido ou longe do equilíbrio. “Nossa compreensão da mecânica estatística longe do equilíbrio melhorou muito”, conta Grosberg.
England, que é formado em bioquímica e física, começou seu próprio laboratório no MIT há dois anos e decidiu aplicar o novo conhecimento da física estatística para a biologia.
Usando formulação de Jarzynski e Crooks, ele derivou uma generalização da segunda lei da termodinâmica, que vale para sistemas de partículas com certas características: os sistemas são fortemente impulsionados por uma fonte de energia externa, como uma onda eletromagnética, e podem despejar calor em um banho circundante. Esta classe de sistemas inclui todas as coisas vivas. England, então, determinou como esses sistemas tendem a evoluir ao longo do tempo à medida que aumentam a sua irreversibilidade. “Podemos mostrar de forma muito simples a partir da fórmula que os resultados evolutivos mais provavelmente vão ser os que absorveram e dissiparam mais energia a partir de unidades externas do ambiente no caminho para chegar lá”, disse ele. A descoberta faz um sentido intuitivo: partículas tendem a dissipar mais energia quando ressoam com uma força motriz, ou movem-se na direção em que estão sendo empurradas, e são mais propensas a se mover nessa direção do que qualquer outra em qualquer momento.
“Isso significa que aglomerados de átomos cercados por um banho em alguma temperatura, como a atmosfera ou o oceano, devem tender ao longo do tempo a organizarem-se para ressoar cada vez melhor com as fontes de trabalho mecânico, eletromagnético ou químico em seus ambientes”, explicou England.
A autorreplicação (ou reprodução, em termos biológicos), o processo que leva à evolução da vida na Terra, é um tal mecanismo pelo qual um sistema pode dissipar uma quantidade crescente de energia ao longo do tempo. Como England colocou, “uma ótima maneira de dissipar mais é fazer mais cópias de si mesmo”.
Em um artigo de setembro no periódico “Journal of Chemical Physics”, ele informou o valor mínimo teórico de dissipação que pode ocorrer durante a autorreplicação das moléculas de RNA e células bacterianas, e mostrou que está muito próximo dos valores reais que estes sistemas dissipam ao replicar. Também mostrou que o RNA, o ácido nucleico que muitos cientistas acreditam que serviu como o precursor para a vida baseada em DNA, é um material de construção particularmente barato. Uma vez que o RNA surgiu, ele argumenta, a sua “tomada darwiniana” não foi, talvez, surpreendente.
A química da sopa primordial, mutações aleatórias, geografia, eventos catastróficos e inúmeros outros fatores contribuíram para os detalhes da diversidade de flora e fauna da Terra. Entretanto, de acordo com a teoria de England, o princípio subjacente à condução de todo o processo é a adaptação orientada à dissipação da matéria.
Este princípio se aplica à matéria inanimada também. “É muito tentador especular sobre que fenômenos da natureza podemos agora abrigar sob esta grande tenda de organização adaptativa movida pela dissipação”, confessou England. “Muitos exemplos poderiam apenas estar bem debaixo do nosso nariz, mas porque não temos olhado para eles, não os notamos”.
Os cientistas já observaram a autorreplicação em sistemas não vivos. Segundo a nova pesquisa liderada por Philip Marcus, da Universidade da Califórnia em Berkeley (EUA), e relatada na revista “Physical Review Letters” em agosto passado, vórtices em fluidos turbulentos replicam-se espontaneamente sugando a energia de cisalhamento do fluido circundante. E em um artigo publicado online na semana passada no portal “Proceedings of the National Academy of Sciences”, Michael Brenner, professor de matemática e física aplicada na Universidade de Harvard, e seus colaboradores apresentaram modelos teóricos e simulações de microestruturas que se autorreplicam. Estes aglomerados de microesferas especialmente revestidas dissipam energia ao forçar esferas próximas a formar agrupamentos idênticos. “Isto se conecta muito com o que Jeremy está dizendo”, afirma Brenner.
Além da autorreplicação, maiores organizações estruturais são outro meio pelo qual os sistemas fortemente impulsionados incrementam sua capacidade de dissipar energia. A planta, por exemplo, é muito melhor na captura e roteamento de energia solar através de si mesma do que uma pilha de átomos de carbono não estruturados. Assim, England argumenta que, sob certas condições, a matéria irá espontaneamente se auto-organizar. Esta tendência pode explicar a ordem interna dos seres vivos e de muitas estruturas inanimadas também. “Flocos de neve, dunas de areia e vórtices turbulentos todos têm em comum o fato de serem estruturas surpreendentemente padronizadas que surgem em sistemas de muitas partículas impulsionados por algum processo de dissipação”, especula. Condensação, vento e uma draga viscosa são os processos relevantes nestes casos particulares.
A vida na Terra surgiu por acaso?
“Ele está me fazendo pensar que a distinção entre vida e matéria inanimada não é nítida”, revelou Carl Franck, um físico biológico na Universidade de Cornell (EUA). “Estou particularmente impressionado com esta noção quando se considera sistemas tão pequenos como circuitos químicos envolvendo algumas biomoléculas”.
A ideia ousada da England provavelmente enfrentará um exame minucioso nos próximos anos. Ele está atualmente executando simulações de computador para testar sua teoria de que os sistemas de partículas adaptam as suas estruturas para se tornarem melhores na dissipação de energia. O próximo passo será a realização de experimentos em sistemas vivos.
Prentiss, que dirige um laboratório de biofísica experimental na Universidade de Harvard, diz que a teoria de England poderia ser testada comparando células com mutações diferentes e procurando uma correlação entre a quantidade de energia que as células dissipam e as suas taxas de replicação. “É preciso ter cuidado, porque qualquer mutação poderia fazer muitas coisas”, reflete a pesquisadora. “Contudo, se alguém fizesse muitos desses experimentos em sistemas diferentes e se [a dissipação e sucesso de replicação] forem de fato correlacionados, isto sugeriria que este é o princípio de organização correto”.
Brenner disse que espera ligar a teoria de England às suas próprias construções de microesferas e determinar se a teoria prediz corretamente que os processos de autorreplicação e automontagem podem ocorrer – “uma questão fundamental na ciência”, opina.
Ter um princípio fundamental da vida e da evolução daria aos pesquisadores uma perspetiva mais ampla sobre o surgimento da estrutura e funções nos seres vivos. “A seleção natural não explica certas características”, especificou Ard Louis, um biofísico da Universidade de Oxford (Reino Unido). Estas características incluem uma mudança hereditária da expressão dos genes chamada de metilação, o aumento da complexidade na ausência de seleção natural e certas mudanças moleculares que Louis estudou recentemente.
Se a abordagem da England resistir a mais testes, poderia permitir aos cientistas pensar de modo mais geral, em termos de organização orientada pela dissipação. Eles podem descobrir, por exemplo, que “a razão pela qual um organismo mostra característica X em vez de Y pode não ser porque X é mais apto do que Y, mas porque restrições físicas tornaram mais fácil para X evoluir do que para Y”, disse Louis.
“As pessoas muitas vezes ficam presas ao pensar sobre os problemas individuais”, explica Prentiss. Queira as ideias de England venham a ser exatamente certas ou não, diz a cientista, “pensar de forma mais ampla é a forma pela qual muitas descobertas científicas são feitas”.

Fonte: HypeScience / Quanta.