Qual teria sido a origem das moléculas orgânicas primordiais segundo a descrição da hipótese de Oparin e Haldane?

N�o sendo poss�vel conceber qualquer modelo te�rico para a origem da vida fora da realidade que conhecemos, que � a da Terra, � neste contexto que a maioria dos cientistas procuraram encontrar a resposta � quest�o.

A abordagem do problema n�o pode, por outro lado, ser desinserida da perspectiva evolucionista que Charles Darwin (1809-1882) nos legou. Sabendo que as esp�cies se formaram por evolu��o a partir de outras, menos complexas, a l�gica conduz-nos a focar a nossa aten��o nas formas de vida mais simples e a colocar a quest�o fundamental a esse n�vel: como se formaram os microrganismos procariontes ? Thomas Huxley ter� sido um dos primeiros a esbo�ar a ideia ousada que consistia em ligar de forma cont�nua o n�o vivo ao vivo. Faltavam-lhe, todavia, elementos para prosseguir. Estas ideias foram retomadas, j� em pleno s�culo XX, por J. B. S. Haldane (1892-1964) e A. I. Oparin.

Estes dois cientistas, sem se comunicarem, formularam a hip�tese de que a atmosfera primitiva era, n�o s� diferente pela sua composi��o, da actual mas, sobretudo, que n�o seria oxidante; o oxig�nio, a existir, teria destru�do qualquer forma��o pr�-bi�tica. Nesta hip�tese base, assenta a Teoria evolucionista da origem da vida ou da gera��o espont�nea gradual. Consiste, basicamente, em admitir que, de forma espont�nea e gradual, em condi��es ambientais diferentes das que actualmente existem, entidades moleculares se tenham combinado, dando origem, primeiro, a novas mol�culas (que n�s classificamos de org�nicas), e depois, a mol�culas mais complexas por justaposi��o das primeiras (os pol�meros). Finalmente, estruturas moleculares complexas e constituindo entidades isoladas do meio, com capacidades metab�licas e de reprodu��o, sujeitas �s leis da evolu��o (diversidade-selec��o-evolu��o), ter�o estado na origem das primeiras c�lulas vivas.

O ambiente primitivo

Sabe-se que a atmosfera da Terra e as condi��es ambientais que nela reinam hoje s�o completamente distintas daquelas que imperavam h� cerca de 4,6 bili�es de anos, quando ocorreu a condensa��o do sistema solar a partir de uma nuvem de gases e poeiras.

As condi��es ent�o reinantes, ainda que muito diferentes das actuais, satisfaziam, em princ�pio, os requisitos para o desenvolvimento de formas vivas. Em primeiro lugar, a Terra localizava-se pr�ximo de uma fonte de energia, o Sol. Em segundo lugar, dos nove principais planetas em �rbita solar, era a massa terrestre a que se n�o encontrava t�o perto dele que os seus elementos constituintes lhe fossem arrebatados sob a forma de gases, ou liquefeitos em rocha fundida. Tamb�m n�o era t�o grande a dist�ncia, que os seus gases congelassem, tal como actualmente sucede em Tit�, a maior lua de Saturno. A �gua � l�quida na Terra, mas n�o em Merc�rio, onde foi toda evaporada para o espa�o, ou em J�piter, onde ocorre sob a forma de gelo. Por fim, a Terra era um corpo suficientemente grande para conservar a atmosfera, possibilitando o ciclo fluido dos elementos, mas n�o tanto que a sua gravidade mantivesse uma atmosfera demasiado densa, impeditiva da passagem dos raios solares.

A origem da vida na Terra ou a sua inocula��o por seres extraterrestres ter� ocorrido no per�odo entre 3,9 e 2,5 bili�es de anos, conhecido por per�odo Arqueano. Com efeito, os registos f�sseis mais recuados que se conhecem datam de h� 3,5 bili�es de anos.

Qual seria a conforma��o da Terra e a composi��o da sua atmosfera, nesse per�odo? Eis a primeira quest�o � qual importa responder, para se conhecer o cen�rio em que se ter�o desenrolado os fen�menos subjacentes ao aparecimento da vida.

A Terra estaria ainda em fase de arrefecimento. A crosta terrestre era necessariamente fr�gil e os fen�menos de vulcanismo, frequentes. Frequente era tamb�m o bombardeamento por diversos corpos celestes, cometas e meteoritos. Com o arrefecimento da Terra, parte da �gua trazida � superf�cie pelas erup��es vulc�nicas e pela desgaseifica��o de minerais condensou-se e formou os mares primitivos (a hidrosfera). Outra parte, conjuntamente com os gases, foram conferindo � atmosfera uma composi��o diferente. A par do azoto (N3) e do vapor de �gua (H2O), o metano (CH4) e o di�xido de carbono (CO2) eram abundantes. Menos abundantes seriam o mon�xido de carbono (CO), o amon�aco (NH3) e o sulfureto de hidrog�nio (H2S). O oxig�nio, t�o importante na atmosfera actual, estava quase completamente ausente.

As cinco etapas da biog�nese

Foi neste contexto que se ter� processado a biog�nese, ou a forma��o da vida na Terra. � habitual considerar, neste processo, cinco etapas:

(1) a forma��o de uma atmosfera gasosa contendo as subst�ncias elementares para a forma��o da mat�ria org�nica (j� referida) ;

(2) a s�ntese dos mon�meros biol�gicos, como os amino�cidos, os a��cares ou as bases azotadas;

(3) a polimeriza��o destes mon�meros e a forma��o das prote�nas primitivas e das cadeias de �cidos nucleicos;

(4) a individualiza��o de microgotas com uma identidade f�sica e rudimentares faculdades metab�licas;

(5) o desenvolvimento de um mecanismo de reprodu��o que garantisse a transmiss�o da informa��o, aos descendentes.

a) S�ntese de mon�meros

A forma��o de amino�cidos e nucle�tidos a partir de uma mistura de gases, redutora, com composi��o semelhante � da atmosfera primitiva, foi realizada experimentalmente, em 1952, por Harold Urey e Stanley Miller, recorrendo a descargas el�ctricas como fonte de energia. Com esta espectacular experi�ncia, Urey e Miller demonstraram ser poss�vel a s�ntese de mol�culas org�nicas por via n�o bi�tica e consolidaram a hip�tese chave de Oparin e Haldane .

Aparato experimental de Miller

Desde logo, transpondo para as condi��es primitivas da Terra, passou a ser veros�mil o cen�rio da s�ntese abi�tica de pequenas mol�culas org�nicas na atmosfera, sob a ac��o das fontes de energia dispon�veis, nomeadamente as descargas el�ctricas e as radia��es ultravioletas mais energ�ticas que, devido � aus�ncia total de camada de ozono, atingiam a superf�cie terrestre. Essas mol�culas ter-se-iam acumulado em �guas marinhas ou lacustres, ficando protegidas de reac��es fotoqu�micas posteriores e constituindo o caldo primordial, no entender de Haldane.

Sabe-se hoje que n�o ter� sido essa a �nica fonte de mol�culas org�nicas acumuladas. Tamb�m os cometas e os meteoritos que se esmagavam sobre a Terra transportariam consigo diversas mol�culas org�nicas. Certos meteoritos, designados por condritos carbonados, cont�m cerca de 3% do seu peso em carbono. Esse carbono encontra-se sob diversas formas, nomeadamente de amino�cidos, bases p�ricas e pirim�dicas, e �cidos carbox�licos, o que prova que tamb�m fora da Terra seria poss�vel a s�ntese de mol�culas org�nicas.

b) S�ntese de pol�meros

A segunda etapa da biog�nese tr� sido a s�ntese dos pol�meros que interv�m na organiza��o da vida, por justaposi��o de mon�meros sintetizados anteriormente. Grosso modo, podemos distinguir tr�s tipos de pol�meros:

- Uns, formam-se por liga��o topo a topo, de uma s�rie de amino�cidos; s�o as prote�nas, que interv�m quer na estrutura dos organismos, quer no seu metabolismo como catalisadores.

- Outros, resultam da justaposi��o alternada de fosfatos e a��cares, aos quais se adicionam bases azotadas; s�o os �cidos nucleicos. Possuem faculdades catal�ticas e s�o suscept�veis de autoduplica��o.

- Outros ainda, formam estruturas ramificadas por associa��o de pequenos a��cares (monossacar�deos ou oligossacar�deos); s�o os polissacar�deos.

S�ntese de pol�meros

� luz da hip�tese de Haldade, as reac��es de polimeriza��o teriam ocorrido, no “caldo primordial”, em consequ�ncia de uma grande acumula��o de mon�meros. Esta hip�tese est� hoje afastada, pelo motivo de que n�o se poderia explicar como � que uma reac��o que liberta �gua (a polimeriza��o) poderia ocorrer num ambiente com excesso de �gua. Sendo estas reac��es revers�veis, um excesso de �gua deslocaria o equil�brio no sentido da hidr�lise, em lugar da polimeriza��o. Para mais, as reac��es de polimeriza��o para se efectuarem necessitam de energia, o que n�o acontece com a hidr�lise.

Existem duas maneiras de deslocar a reac��o para a direita: (i) concentrar os reagentes, retirando a �gua produto da reac��o; ou (ii) acoplando-a a outra reac��o, “dadora” de energia.

H� boas raz�es para supor que alguns minerais tenham desempenhado um papel decisivo na “desloca��o para a direita” destas reac��es. Entre estes, merecem destaque os silicatos (argilas, micas, etc.), que s�o minerais com uma estrutura folheada e um elevado poder de adsors�o de mol�culas. As argilas s�o referidas como “esponjas de mol�culas”. No caulino, por exemplo, as camadas de silicatos distam entre si 0,71 nm, o que significa que um cubo de um cent�metro de lado oferece uma superf�cie total de adsors�o de 2.800 m2( cerca de dois ter�os da superf�cie de um campo de futebol). Estes minerais, ali�s, s�o conhecidos por apresentarem propriedades catal�ticas e, como tal, s�o largamente empregues na ind�stria de s�ntese de compostos org�nicos.

Experimentalmente, Aharon Katchalsky demonstrou que um certo tipo de argilas promove a polimeriza��o de cadeias polipept�dicas (an�logas das prote�nas) a partir de �steres formados de amino�cidos e de adenosina monofosfato (adenilatos de amino�cidos) adsorvidos nas suas superf�cies. Os adenilatos de amino�cidos s�o os precursores da s�ntese proteica em todos os organismos, pelo que � veros�mil que mecanismos semelhantes tenham presidido � polimeriza��o dos amino�cidos no per�odo pr�-bi�tico.

Poder� n�o ter sido, contudo, a �nica via poss�vel para a s�ntese abi�tica das prote�nas. Sidney Fox mostrou que misturas secas de amino�cidos se polimerizam espontaneamente quando deixadas algumas horas a temperaturas da ordem de 130�C. Chamou-lhes termoprotein�ides. Em presen�a de polifosfatos e a temperaturas mais baixas, obt�m-se resultados compar�veis. Com base nos seus resultados experimentais, Fox formulou a hip�tese de que os amino�cidos acumulados nos oceanos primitivos, porventura rejeitados sobre esc�rias vulc�nicas, tenham sido polimerizados pelo calor. Retomadas posteriormente pelas �guas, essas cadeias polipept�dicas poder�o ter participado na organiza��o dos primeiros protobiontes.

� importante chamar a aten��o para o facto de que, qualquer que seja o processo abi�tico de polimeriza��o, ele conduz necessariamente a uma ordena��o aleat�ria de amino�cidos, contrariamente ao que se verifica nos seres vivos.

Quanto aos �cidos nucleicos, a sua s�ntese abi�tica, laboratorial, � tecnicamente acess�vel, em condi��es t�rmicas moderadas (55�C), sendo poss�vel conceber, para eles, um cen�rio semelhante ao da polimeriza��o dos amino�cidos sobre superf�cies de minerais adsorventes. Mas a ordena��o dos nucle�tidos ser� tamb�m aleat�ria.

c) A individualiza��o de microgotas

Todos os organismos vivos s�o separados do meio em que vivem por uma barreira, que lhes confere a sua individualidade.

A forma��o de uma barreira individualizante ter� sido obrigatoriamente um dos passos evolutivos em direc��o �s primeiras formas de vida. � veros�mil que essas entidades primitivas tenham tido o aspecto de microgotas.

Entidades semelhantes foram criadas em laborat�rio por Oparin e por Fox, utilizando pol�meros biol�gicos, prote�nase e polissacar�deos, como a albumina e a goma ar�bica. Oparin mostrou que, espontaneamente, os pol�meros em solu��o aquosa podem isolar-se do meio e formar coacervatos, isto �, microgotas ricas em pol�meros, que ficam em suspens�o na �gua. Por seu turno, Fox provocou a forma��o de um grande n�mero de pequenas microsferas, dissolvendo na �gua proteinoides de origem abi�tica. Nem os coacervatos de Oparin, nem as microsferas de Fox podem ser considerados como antepassados das c�lulas vivas. Os coacervatos e as microsferas constituem contudo um excelente material experimental, que Oparin  e Fox exploraram para simula��o de reac��es metab�licas.

Uma das primeiras constata��es de Oparin foi a de que os coacervatos eram entidades inst�veis e de que a forma de evitar a sua perda era a de lhes proporcionar uma esp�cie de metabolismo primitivo.

Nas suas experi�ncias, Oparin tirou partido do facto de que, num sistema com duas fases, as subst�ncias cuja solubilidade � diferente, consoante a fase, se concentram preferencialmente numa ou noutra. Juntando uma fosforilase (enzima da polimeriza��o da glucose) a uma solu��o de histona (prote�na) e goma ar�bica (polissacar�deo), Oparin n�o s� deu lugar a que se formassem coacervatos, mas verificou ainda que o enzima se concentrou nestes �ltimos. Adicionando glucose-1-fosfato ao meio, constata-se que esta passa para o interior dos coacervatos e � polimerizada de seguida, pela fosforilase, em amido. A energia necess�ria � reac��o prov�m da liga��o fosfato da glucose-1-fosfato. O fosfato inorg�nico libertado difunde para o exterior, como um dejecto. � medida que o fen�meno prossegue, os coacervatos aumentam de volume, devido � acumula��o de amido.

A experi�ncia pode ser repetida mas, desta vez, empregando dois enzimas: a fosforilase e uma amilase. Esta �ltima catalisa a hidr�lise do amido com liberta��o de maltose. Observa-se ent�o que os coacervatos n�o aumentam de volume, porque o amido, � medida que � alongado pela fosforilase, � encurtado pela amilase.

Quando os coacervatos se tornam grandes de mais, dividem-se espontaneamente em coacervatos "filhos". Entre estes, aqueles que tiverem ficado com mol�culas de fosforilase continuar�o a poder polimerizar a glucose, a crescer e a dividir-se. Os outros n�o ter�o possibilidade de subsistir. Para que o fen�meno se perpetuasse como numa c�lula, s� faltaria um sistema que sintetizasse a fosforilase, com aquela composi��o exacta e nas quantidades necess�rias !

Experi�ncia de Oparin

Nos coacervatos de Oparin, s�o os polissacar�deos que formam a barreira limitante e os agentes catalisadores s�o incorporados a posteriori. Nas microsferas de Fox, s�o os pr�prios protein�ides que asseguram a constitui��o da “membrana” e actuam como enzimas das reac��es, podendo catalisar diversas reac��es, nomeadamente a decomposi��o da glucose.

As experi�ncias de Oparin e de Fox mostraram que :

(1) a forma��o de emuls�es de microgotas (coacervatos ou microsferas) corresponde a uma tend�ncia natural dos pol�meros em solu��o;

(2) os eventos que neles decorrem, fundamentam-se nas leis da qu�mica f�sica;

(3) a evolu��o de entidades t�o simples, mas com caracter�sticas novas, como os protobiontes, pode ter-se baseado unicamente nas suas caracter�sticas f�sico-qu�micas, seleccionadas exclusivamente em fun��o da sua capacidade de sobreviv�ncia.

d) Um mecanismo de replica��o

Os protobiontes atr�s referidos est�o ainda muito longe dos seres vivos mais simples. Falta-lhes a capacidade de reprodu��o, isto �, o “plano de constru��o” que possa ser copiado e utilizado para fabricar outro microssistema id�ntico ao primeiro. Este � na realidade o fosso que separa o protobionte, capaz de alguns actos metab�licos, de crescer e de se dividir, do eubionte, verdadeiro ser vivo, capaz de se reproduzir, gerando seres id�nticos a si pr�prio, com as mesmas faculdades bioqu�micas.

A grande diferen�a reside em ter ou n�o ter informa��o.

A grande dificuldade reside em compreender como se estabeleceu a correspond�ncia prote�na/�cido nucleico. Sabemos que em todos os organismos vivos actuais a sequ�ncia de nucle�tidos de alguns �cidos nucleicos determina a sequ�ncia dos amino�cidos na prote�na, isto �, a sua estrutura prim�ria. Mas tamb�m s�o prote�nas (com uma estrutura prim�ria definida) que s�o respons�veis pela cat�lise da s�ntese dos �cidos nucleicos como ainda, do estabelecimento das liga��es pept�dicas entre os diferentes amino�cidos.

Existem bons argumentos que sustentam a proposta de Gilberto, segundo a qual o RNA teria podido desempenhar a dupla fun��o, de codificar a s�ntese de prote�nas e de actuar cataliticamente ao n�vel da sua pr�pria s�ntese. Dito de outra forma, a vida primitiva ter-se-ia baseado exclusivamente no RNA, sem o DNA nem enzimas interventores na replica��o dos �cidos nucleicos e na s�ntese proteica. O sistema que conhecemos actualmente, baseado no DNA e em enzimas proteicos, e que � comum a todos os seres vivos, teria surgido posteriormente, seleccionado pelas vantagens que oferece para a propaga��o da vida.

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Qual teria sido a origem das moléculas orgânicas primordiais a partir das quais se formam os primeiros seres vivos?

O que diz a hipótese de Oparin e Haldane?

Como surgiu a primeira molécula orgânica?