E sobre a biologia?

| Oton de Oliveira | Cursos
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O que há de tão especial no cérebro humano? Por que estudamos outros animais em vez de eles nos estudarem? O que um cérebro humano tem ou faz que nenhum outro cérebro tem? Quando me interessei por essas questões, há cerca de 10 anos, os cientistas pensaram que sabiam do que eram feitos os diferentes cérebros. Embora tenha sido baseado em muito poucas evidências, muitos cientistas pensaram que todos os cérebros dos mamíferos, incluindo o cérebro humano, eram feitos da mesma maneira, com um número de neurônios que era sempre proporcional ao tamanho do cérebro. Isso significa que dois cérebros do mesmo tamanho, como esses dois, com respeitáveis 400 gramas, deveriam ter números semelhantes de neurônios. Agora, se os neurônios são as unidades funcionais de processamento de informações do cérebro, os proprietários desses dois cérebros deveriassm ter habilidades cognitivas semelhantes.


O que há de tão especial no cérebro humano? Por que estudamos outros animais em vez de eles nos estudarem? O que um cérebro humano tem ou faz que nenhum outro cérebro tem? Quando me interessei por essas questões, há cerca de 10 anos, os cientistas pensaram que sabiam do que eram feitos os diferentes cérebros. Embora tenha sido baseado em muito poucas evidências, muitos cientistas pensaram que todos os cérebros dos mamíferos, incluindo o cérebro humano, eram feitos da mesma maneira, com um número de neurônios que era sempre proporcional ao tamanho do cérebro. Isso significa que dois cérebros do mesmo tamanho, como esses dois, com respeitáveis 400 gramas, deveriam ter números semelhantes de neurônios. Agora, se os neurônios são as unidades funcionais de processamento de informações do cérebro, os proprietários desses dois cérebros deveriassm ter habilidades cognitivas semelhantes.

No entanto, um é um chimpanzé e o outro é uma vaca. Agora, talvez as vacas tenham uma vida mental interna realmente rica e sejam tão espertas que optam por não nos deixar perceber, mas nós as comemos. Acho que a maioria das pessoas concordará que os chimpanzés são capazes de comportamentos muito mais complexos, elaborados e flexíveis do que as vacas. Portanto, esta é a primeira indicação de que o cenário “todos os cérebros são feitos da mesma maneira” não está muito certo.

1:23 - Mas vamos jogar juntos. Se todos os cérebros fossem feitos da mesma maneira e você comparasse animais com cérebros de tamanhos diferentes, cérebros maiores sempre deveriam ter mais neurônios do que cérebros menores, e quanto maior o cérebro, mais capaz cognitivamente seu dono deveria ser. Portanto, o maior cérebro ao redor também deve ser o mais capaz cognitivamente. E aí vem a má notícia: nosso cérebro, não o maior que existe. Parece muito irritante. Nosso cérebro pesa entre 1,2 e 1,5 quilos, mas cérebros de elefantes pesam de quatro a cinco quilos, e cérebros de baleias podem pesar até nove quilos, por isso os cientistas costumavam dizer que nosso cérebro deve ser especial para explicar nossas habilidades cognitivas. Deve ser realmente extraordinário, uma exceção à regra. O deles pode ser maior, mas o nosso é melhor, e poderia ser melhor, por exemplo, porque parece maior do que deveria ser, com um córtex cerebral muito maior do que deveríamos ter para o tamanho de nossos corpos. Isso nos daria córtex extra para fazer coisas mais interessantes do que apenas operar o corpo. Isso porque o tamanho do cérebro geralmente segue o tamanho do corpo. Portanto, a principal razão para dizer que nosso cérebro é maior do que deveria, na verdade, vem da nossa comparação com grandes macacos. Os gorilas podem ser duas a três vezes maiores do que nós, então seus cérebros também deveriam ser maiores do que os nossos, mas em vez disso é o contrário. Nosso cérebro é três vezes maior do que o cérebro de um gorila.

2:48 - O cérebro humano também parece especial na quantidade de energia que usa. Embora pese apenas 2% do corpo, ele sozinho usa 25% de toda a energia de que seu corpo necessita para funcionar por dia. Isso representa 500 calorias de um total de 2.000 calorias, apenas para manter o cérebro funcionando.

3:06 - Então o cérebro humano é maior do que deveria ser, ele usa muito mais energia do que deveria, então é especial. E foi aí que a história começou a me incomodar. Em biologia, procuramos regras que se aplicam a todos os animais e à vida em geral, então por que as regras da evolução deveriam se aplicar a todos os outros, mas não a nós? Talvez o problema fosse a suposição básica de que todos os cérebros são feitos da mesma maneira. Talvez dois cérebros de tamanho semelhante possam, na verdade, ser feitos de números muito diferentes de neurônios. Talvez um cérebro muito grande não tenha necessariamente mais neurônios do que um cérebro de tamanho mais modesto. Talvez o cérebro humano realmente tenha mais neurônios de qualquer cérebro, independentemente do seu tamanho, especialmente no córtex cerebral. Portanto, para mim, esta se tornou a pergunta importante a ser respondida: quantos neurônios o cérebro humano possui e como isso se compara a outros animais?

3:55 - Agora, você deve ter ouvido ou lido em algum lugar que temos 100 bilhões de neurônios, então há 10 anos, perguntei aos meus colegas se eles sabiam de onde veio esse número. Mas ninguém o fez. Tenho vasculhado a literatura em busca da referência original para esse número e nunca consegui encontrá-lo. Parece que ninguém jamais contou o número de neurônios no cérebro humano, ou em qualquer outro cérebro.

4:17 Então eu criei minha própria maneira de contar as células do cérebro, que consiste essencialmente em dissolver o cérebro em uma sopa. Funciona assim: você pega um cérebro, ou partes desse cérebro, e o dissolve em detergente, que destrói as membranas celulares, mas mantém os núcleos celulares intactos, então você acaba com uma suspensão de núcleos livres parecidos com isto, como uma sopa clara. Esta sopa contém todos os núcleos que um dia foram o cérebro de um rato. Agora, a beleza de uma sopa é que por ser uma sopa, você pode agitá-la e fazer com que esses núcleos se distribuam homogeneamente no líquido, para que agora olhando ao microscópio com apenas quatro ou cinco amostras dessa solução homogênea, você pode contar os núcleos e, portanto, dizer quantas células aquele cérebro tinha. É simples, direto e muito rápido. Então, usamos esse método para contar neurônios em dezenas de espécies diferentes até agora, e descobriu-se que nem todos os cérebros são feitos da mesma maneira. Pegue roedores e primatas, por exemplo: em cérebros de roedores maiores, o tamanho médio do neurônio aumenta, então o cérebro infla muito rapidamente e ganha tamanho muito mais rápido do que ganha neurônios. Mas os cérebros dos primatas ganham neurônios sem que o neurônio médio se torne maior, o que é uma forma muito econômica para adicionar neurônios ao seu cérebro. O resultado é que o cérebro de um primata sempre terá mais neurônios do que o cérebro de um roedor do mesmo tamanho quanto maior o cérebro, maior será a diferença. Bem, e quanto ao nosso cérebro então? Descobrimos que temos, em média, 86 bilhões de neurônios, 16 bilhões dos quais estão no córtex cerebral, e se você considerar que o córtex cerebral é a sede de funções como consciência e raciocínio lógico e abstrato, e que 16 bilhões são o A maioria dos neurônios que qualquer córtex possui, acho que esta é a explicação mais simples para nossas notáveis ??habilidades cognitivas. Mas tão importante é o que significam os 86 bilhões de neurônios. Como descobrimos que a relação entre o tamanho do cérebro e seu número de neurônios poderia ser descrita matematicamente, pudemos calcular a aparência de um cérebro humano se fosse feito como um cérebro de roedor. Portanto, um cérebro de roedor com 86 bilhões de neurônios pesaria 36 quilos. Isso não é possível. Um cérebro tão grande seria esmagado pelo próprio peso, e esse cérebro impossível iria para o corpo de 89 toneladas. Não acho que se pareça conosco.

6:45 - Isso já nos leva a uma conclusão muito importante, que não somos roedores. O cérebro humano não é um grande cérebro de rato. Comparados a um rato, podemos parecer especiais, sim, mas essa não é uma comparação justa de se fazer, visto que sabemos que não somos roedores. Somos primatas, então a comparação correta é com outros primatas. E aí, se você fizer as contas, descobrirá que um primata genérico com 86 bilhões de neurônios teria um cérebro de cerca de 1,2 quilos, o que parece certo, em um corpo de cerca de 66 quilos, o que no meu caso está exatamente certo, o que nos leva a uma conclusão nada surpreendente, mas ainda assim extremamente importante: Eu sou um primata E todos vocês são primatas.

7:29 - E Darwin também. Gosto de pensar que Darwin teria realmente apreciado isso. Seu cérebro, como o nosso, foi feito à imagem de outros cérebros de primatas.

7:40 - Portanto, o cérebro humano pode ser notável, sim, mas não é especial em seu número de neurônios. É apenas um grande cérebro de primata. Acho que é um pensamento muito humilhante e sóbrio que deve nos lembrar de nosso lugar na natureza.

7:53 - Por que custa tanta energia, então? Bem, outras pessoas descobriram quanta energia custa o cérebro humano e o de outras espécies, e agora que sabíamos de quantos neurônios cada cérebro é feito, poderíamos fazer as contas. E acontece que tanto o cérebro humano quanto o de outros cérebros custam quase o mesmo, uma média de seis calorias por bilhão de neurônios por dia. Portanto, o custo energético total de um cérebro é uma função simples e linear de seu número de neurônios, e acontece que o cérebro humano gasta tanta energia quanto você esperaria. Então, a razão pela qual o cérebro humano gasta tanta energia é simplesmente porque ele tem um grande número de neurônios, e como somos primatas com muito mais neurônios para um determinado tamanho de corpo do que qualquer outro animal, o custo relativo do nosso cérebro é grande, mas apenas porque somos primatas, não porque somos especiais.

8:41 - Última pergunta, então: como chegamos a esse número notável de neurônios em particular, se os grandes macacos são maiores do que nós, por que eles não têm um cérebro maior do que o nosso, com mais neurônios? Quando percebemos o quanto é caro ter muitos neurônios no cérebro, imaginei que talvez haja um motivo simples. Eles simplesmente não podem pagar a energia para um corpo grande e um grande número de neurônios. Então fizemos as contas. Calculamos, por um lado, quanta energia um primata obtém por dia ao comer alimentos crus por outro lado, quanta energia um corpo de um determinado tamanho custa e quanta energia custa um cérebro de certo número de neurônios, e procuramos as combinações de tamanho do corpo e número de neurônios cerebrais que um primata poderia pagar se comesse um certo número de horas por dia.

9:25 - E o que descobrimos é que, como os neurônios são tão caros, há uma compensação entre o tamanho do corpo e o número de neurônios. Portanto, um primata que come oito horas por dia pode pagar no máximo 53 bilhões de neurônios, mas seu corpo não pode ser maior que 25 quilos. Para pesar mais do que isso, ele precisa desistir de neurônios. Portanto, é um corpo grande ou um grande número de neurônios. Quando você come como um primata, não pode pagar pelos dois.

9:53 Uma maneira de sair dessa limitação metabólica seria gastar ainda mais horas por dia comendo, mas isso fica perigoso depois de um certo ponto, simplesmente não é possível. Gorilas e orangotangos, por exemplo, conseguem cerca de 30 bilhões de neurônios gastando oito horas e meia por dia comendo, e isso parece ser o máximo que eles podem fazer. Nove horas de alimentação por dia parece ser o limite prático para um primata.

10:17 - E quanto a nós? Com nossos 86 bilhões de neurônios e 60 a 70 quilos de massa corporal, deveríamos ter que gastar mais de nove horas por dia todos os dias nos alimentando, o que simplesmente não é viável. Se comêssemos como primatas, não deveríamos estar aqui.

10:37 Como chegamos aqui, então? Bem, se nosso cérebro gasta tanta energia quanto deveria, e se não podemos gastar todas as horas do dia nos alimentando, então a única alternativa, realmente, é de alguma forma obter mais energia dos mesmos alimentos. E, surpreendentemente, isso corresponde exatamente ao que se acredita que nossos ancestrais tenham inventado um milhão e meio de anos atrás, quando inventaram a culinária. Cozinhar é usar o fogo para pré-digerir os alimentos fora do corpo. Os alimentos cozidos são mais macios, por isso são mais fáceis de mastigar e de se transformarem completamente em mingau na boca, de modo que permite que sejam completamente digeridos e absorvidos em seu intestino, o que os faz render muito mais energia em muito menos tempo. Assim, cozinhar libera tempo para fazermos coisas muito mais interessantes com nosso dia e com nossos neurônios do que apenas pensar em comida, procurar comida e engolir comida o dia todo.

11:33 - Então, por causa do cozimento, o que antes era uma grande desvantagem, este cérebro grande e perigosamente caro com muitos neurônios, agora pode se tornar um grande trunfo, agora que nós dois podíamos pagar a energia para muitos neurônios e o tempo fazer coisas interessantes com eles. Acho que isso explica por que o cérebro humano cresceu e se tornou tão grande tão rápido na evolução, enquanto permanecia apenas um cérebro de primata. Com este grande cérebro agora acessível para cozinhar, passamos rapidamente de alimentos crus para cultura, agricultura, civilização, mercearias, eletricidade, geladeiras, todas essas coisas que hoje nos permitem obter toda a energia de que precisamos durante todo o dia em uma única sessão em sua lanchonete favorita. Portanto, o que antes era uma solução, agora se tornou o problema e, ironicamente, procuramos a solução em alimentos crus.

12:27 - Então, qual é a vantagem humana? O que é que temos que nenhum outro animal tem? Minha resposta é que temos o maior número de neurônios no córtex cerebral, e acho que essa é a explicação mais simples para nossas notáveis ??habilidades cognitivas. E o que é que fazemos que nenhum outro animal faz, e que acredito ter sido fundamental para nos permitir chegar a esse grande e maior número de neurônios no córtex? Em duas palavras, nós cozinhamos. Nenhum outro animal cozinha sua comida. Somente humanos o fazem. E eu acho que é assim que nos tornamos humanos.

13:01 - Estudar o cérebro humano mudou minha maneira de pensar sobre comida. Agora olho para a minha cozinha, faço uma reverência e agradeço a meus ancestrais por terem criado a invenção que provavelmente nos tornou humanos. Muito obrigado. (Aplausos)

Micróbios e a cura para doenças

FMT

Uma mulher de 61 anos chamada Rebecca sofreu de ataques implacáveis ??de diarreia durante 8 meses que a deixaram dependente de fraldas para adultos. O culpado foi C-diff (uma bactéria). É famoso por seu poder de permanência, muitas vezes sucumbindo aos antibióticos antes de se recuperar em uma forma recém-resistente.

Rebecca foi curada por um método revolucionário chamado Transplante de Microbiota Fecal. Os médicos pegam as fezes de um doador e as instalam nas vísceras, micróbios e tudo o mais. Essa ideia parece revoltante, estranha e implausível. Mas dentro de um dia, a diarreia de Rebecca parou. Em um mês, o C-diff havia desaparecido.

O procedimento funciona de acordo com os mesmos princípios de um probiótico, mas em vez de adicionar apenas uma cepa de bactéria, ele adiciona todas elas. É um transplante de ecossistema, uma tentativa de consertar uma comunidade vacilante substituindo-a completamente. Antes do transplante, o sistema intestinal de Rebecca estava uma bagunça. A infecção por C-diff havia reestruturado seu microbioma, criando uma comunidade que parecia algo que não existia na natureza. Depois disso, seu microbioma era quase tão indistinguível do do doador.

Uma equipe holandesa liderada por Keller finalmente testou o FMT em um ensaio clínico randomizado - o padrão ouro da medicina para separar tratamentos genuínos do charlatanismo. Ele recrutou pacientes com infecções recorrentes de C-diff, dando a um grupo deles antibióticos e o outro FMT. Os antibióticos curaram apenas 27% dos pacientes, enquanto o FMT curou impressionantes 94%. As fezes estavam evidentemente tão melhores que o hospital considerou antiético continuar dando o antibiótico às pessoas. Eles abreviaram o julgamento e, a partir daí, todos receberam FMT.

Oncocercose e filariose

Tudo começa com uma mordida. Um mosquito pousa no braço de um homem, afunda as partes da boca em sua carne e começa a sugar. À medida que o sangue corre para o inseto, minúsculos parasitas se dirigem para outra direção. Eles são as larvas dos nematóides filariais.

Eles desencadeiam o bloqueio do fluxo de linfa, que se acumula sob a pele do homem. Seus membros e virilhas aumentam de tamanho. Suas coxas crescem até a largura de todo o seu torso. Seu escroto fica do tamanho da cabeça. Esta doença, conhecida como elfantíase , ocorre em todos os trópicos. É o trabalho de três espécies de nematóides.

Outra espécie relacionada de vermes vai para os tecidos mais profundos. Eles se sepultam em favos de mel de carne robusta e fibrosa, liberando larvas que migram para a pele, onde causam coceira insuportável, ou para o olho, onde podem destruir a retina ou o nervo óptico. Isso é chamado de oncocercose ou cegueira dos rios.

Essas duas doenças, conhecidas coletivamente como filariose, estão entre as mais difundidas no mundo, mais de 150 milhões de pessoas têm uma ou outra e mais 1,5 bilhão estão em risco.

A gravidade dessas doenças intrigou um cientista em particular. Existem muitos nematóides parasitas que infectam humanos, mas eles geralmente causam sintomas benignos. Por que os responsáveis ??pela doença filarial infligem uma doença tão incapacitante? Acontece que eles têm ajuda da bactéria Wolbachia.

Esta versão da Wolbachia é um degenerado encolhido de suas contrapartes de inseto Wolbachia. Ele abandonou um terço de seus genomas e está permanentemente acorrentado a seus hospedeiros.

Sem esses simbiontes, os nematóides não podem completar seus ciclos de vida. Eles também não podiam desencadear doenças intensas. Quando os vermes morrem, eles liberam sua Wolbachia nas pessoas que infectam. Essas bactérias não podem infectar células humanas, mas desencadeiam respostas imunológicas, de um tipo diferente das causadas pelos vermes. É a combinação das duas respostas, contra o verme e seu simbionte, que leva aos sintomas intensos de filariose. Infelizmente, isso significa que matar os vermes piora a doença, porque eles liberam sua Wolbachia em estertores de morte.

Há outra opção - ir atrás da própria Wolbachia. Em testes de laboratório, os cientistas mostraram que a remoção da bactéria com antibióticos teve resultados fatais para os vermes. As larvas não amadureceram. Os adultos existentes pararam de se reproduzir. E depois de algum tempo, suas células começaram a se autodestruir. Nessa parceria, o divórcio claramente não é uma opção; se os laços de simbiose se rompem, ambos os parceiros morrem. Colocando isso à prova, os cientistas testaram o antibiótico doxiciclina para eliminar a Wolbachia das pessoas com filariose. Funcionou sem desencadear respostas imunológicas graves.

Mas esta droga não é uma droga milagrosa. A mulher grávida não aguenta, nem as crianças. Ele também age muito lentamente. A equipe internacional AWOL (Anti Wolbachia Consortium), com financiamento de US $ 23 milhões da Fundação Bill e Melissa Gates, está atualmente explorando outras opções de medicamentos.

Nesse ínterim, os cientistas descobriram que a relação entre Wolbachia e os nematóides é mais precária do que pode parecer. Quando os números de Wolbachia começam a aumentar, os vermes vêem as bactérias como invasoras e tentam destruí-las. Ele precisa das bactérias, mas se elas crescerem descontroladamente, podem explodir para fora do hospedeiro como uma espécie de tumor simbiótico. Portanto, o nematóide deve mantê-los sob controle. Mesmo nesta aliança, onde um dos parceiros morreria sem o outro, ainda há conflito. É aí que reside a oportunidade. AWOL tem pesquisado maneiras de matar Wolbachia, quando descobrimos que o nematóide já desenvolveu maneiras de fazer isso. Se AWOL puder encontrar produtos químicos que estimulem seus programas de controle de simbionte, eles podem transformar as tensões latentes entre hospedeiro e simbionte em guerra total,persuadir os nematóides a lançar os meios de sua própria destruição.

Uma conclusão - o futuro da terapia com microbioma

Já vimos como o microbioma pode ser flexível. Pode mudar com um toque, com uma refeição, com uma incursão parasitária ou dose de remédio, ou simplesmente com o passar do tempo. É uma entidade dinâmica que aumenta e diminui, se forma e se reforma. Essa flexibilidade é a base de muitas das interações entre os micróbios e seus hospedeiros. Isso significa que as simbioses podem mudar de maneira positiva, à medida que novos parceiros microbianos oferecem novos genes, habilidades e oportunidades evolutivas para seus hospedeiros. Isso significa que as parcerias podem mudar de forma negativa, como comunidades disbióticas ou micróbios ausentes que levam à doença. E, talvez o mais importante, significa que as parcerias podem mudar de  forma deliberada, maneiras que escolhemos. Devemos aceitar os micróbios como parte natural de nossas vidas, mas a aceitação não precisa ser passiva ou resignada.

Os microbiologistas de hoje estão correndo para reescrever as relações entre os micróbios e seus hospedeiros animais. No exemplo anterior, ao privar os nematóides de seus simbiontes, os pesquisadores esperam condenar a ambos e salvar aqueles que eles atormentam. Outros supostos manipuladores de microbiomas estão tentando introduzir micróbios em hospedeiros em uma tentativa de restaurar ecossistemas destruídos ou até mesmo forjar novas simbioses. Eles estão desenvolvendo coquetéis de micróbios benéficos que podemos tomar para corrigir e prevenir doenças, pacotes de nutrientes que irão alimentar esses micróbios e até mesmo maneiras de transplantar comunidades inteiras de um indivíduo para outro. É assim que a medicina se parece quando você entende que os micróbios não são inimigos dos animais, mas os alicerces sobre os quais nosso reino foi construído. Diga adeus às antigas e perigosas metáforas de guerra,em que somos soldados empenhados em erradicar germes a qualquer custo. Diga olá a uma metáfora de jardinagem mais suave e matizada. Sim, ainda temos que arrancar as ervas daninhas, mas também semeamos e alimentamos as espécies que ligam o solo, renovam o ar e agradam aos olhos.

A origem da vida

Como a vida começou? Dificilmente pode haver uma questão maior. Durante grande parte da história humana, quase todos acreditaram em alguma versão de “os deuses fizeram isso”. Qualquer outra explicação era inconcebível.

Isso não é mais verdade. No último século, alguns cientistas tentaram descobrir como a primeira vida poderia ter surgido. Eles até tentaram recriar este momento Genesis em seus laboratórios: criar uma vida totalmente nova a partir do zero.

Até agora ninguém conseguiu, mas percorremos um longo caminho. Hoje, muitos dos cientistas que estudam a origem da vida estão confiantes de que estão no caminho certo - e têm os experimentos para comprovar sua confiança.

Esta é a história de nossa busca para descobrir nossa origem definitiva. É uma história de obsessão, luta e criatividade brilhante, que engloba algumas das maiores descobertas da ciência moderna. O esforço para compreender os primórdios da vida enviou homens e mulheres aos mais longínquos cantos do nosso planeta. Alguns dos cientistas envolvidos foram atormentados como monstros, enquanto outros tiveram que fazer seu trabalho sob o controle de governos totalitários brutais.

Esta é a história do nascimento da vida na Terra.

Os dinossauros viveram muito recentemente (Crédito: Oleksiy Maksymenko / Alamy)

Os dinossauros viveram muito recentemente (Crédito: Oleksiy Maksymenko / Alamy)

A vida é velha. Os dinossauros são talvez as criaturas extintas mais famosas, e tiveram seu início há 250 milhões de anos. Mas a vida remonta muito mais longe.

Os fósseis mais antigos conhecidos têm cerca de 3,5 bilhões de anos, 14 vezes a idade dos dinossauros mais antigos. Mas o registro fóssil pode ser ainda mais antigo. Por exemplo, em agosto de 2016, os pesquisadores descobriram o que parecem ser micróbios fossilizados que datam de 3,7 bilhões de anos .

Esses padrões de ondas podem ser fósseis de 3,7 bilhões de anos (Crédito: Nutman et al, Nature)

Esses padrões de ondas podem ser fósseis de 3,7 bilhões de anos (Crédito: Nutman et al, Nature)

A própria Terra não é muito mais velha, tendo-se formado 4,5 bilhões de anos atrás.

Se assumirmos que a vida se formou na Terra - o que parece razoável, visto que ainda não a encontramos em nenhum outro lugar - então deve ter acontecido no bilhão de anos entre a existência da Terra e a preservação dos fósseis mais antigos conhecidos.

Além de diminuir quando a vida começou, podemos adivinhar o que foi.

A árvore da vida (Crédito: Hug, Banfield et al, Nature Microbiology)

A árvore da vida: a maioria dos ramos são bactérias (Crédito: Hug, Banfield et al, Nature Microbiology)

Desde o século 19, os biólogos sabem que todas as coisas vivas são feitas de “células”: minúsculos sacos de matéria viva que vêm em diferentes formas e tamanhos. As células foram descobertas pela primeira vez no século 17, quando os primeiros microscópios modernos foram inventados, mas levou bem mais de um século para alguém perceber que elas eram a base de toda a vida.

Usando apenas os materiais e condições encontrados na Terra há mais de 3,5 bilhões de anos, temos que fazer uma célula

Você pode não pensar que se parece muito com um peixe-gato ou um Tyrannosaurus rex , mas um microscópio revelará que todos vocês são feitos de tipos de células muito semelhantes. Assim como as plantas e os fungos.

Mas, de longe, as formas de vida mais numerosas são os microrganismos, cada um composto de apenas uma célula. As bactérias são o grupo mais famoso e são encontradas em toda a Terra.

Em abril de 2016, os cientistas apresentaram uma versão atualizada da “árvore da vida” : uma espécie de árvore genealógica para todas as espécies vivas. Quase todos os ramos são bactérias. Além do mais, a forma da árvore sugere que uma bactéria foi o ancestral comum de toda a vida. Em outras palavras, todos os seres vivos - incluindo você - descendem, em última análise, de uma bactéria.

Isso significa que podemos definir o problema da origem da vida com mais precisão. Usando apenas os materiais e condições encontrados na Terra há mais de 3,5 bilhões de anos, temos que fazer uma célula.

Bem, quão difícil pode ser?

Uma célula viva completa (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Uma célula viva completa (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Capítulo 1. Os primeiros experimentos

Durante a maior parte da história, não foi realmente considerado necessário perguntar como a vida começou, porque a resposta parecia óbvia.

Antes de 1800, a maioria das pessoas acreditava no “vitalismo”. Esta é a ideia intuitiva de que os seres vivos eram dotados de uma propriedade mágica especial que os tornava diferentes dos objetos inanimados.

Os produtos químicos da vida podem ser feitos de produtos químicos mais simples que não têm nada a ver com a vida

O vitalismo costumava estar associado a crenças religiosas acalentadas. A Bíblia diz que Deus usou “ o fôlego de vida ” para animar os primeiros humanos, e a alma imortal é uma forma de vitalismo.

Só existe um problema. O vitalismo está totalmente errado.

No início de 1800, os cientistas descobriram várias substâncias que pareciam ser exclusivas da vida. Um desses produtos químicos foi a uréia, encontrada na urina e isolada em 1799.

Isso ainda era, apenas, compatível com o vitalismo. Apenas os seres vivos pareciam ser capazes de produzir esses produtos químicos, então talvez eles estivessem impregnados de energia vital e isso os tornasse especiais.

Mas em 1828, o químico alemão Friedrich Wöhler descobriu uma maneira de fazer ureia a partir de uma substância química comum chamada cianato de amônio , que não tinha nenhuma conexão óbvia com seres vivos. Outros seguiram seus passos, e logo ficou claro que todos os produtos químicos da vida podem ser feitos de produtos químicos mais simples que nada têm a ver com a vida.

O químico alemão Friedrich Wöhler, em uma litografia de Rudolf Hoffmann de 1856

O químico alemão Friedrich Wöhler, em uma litografia de Rudolf Hoffmann de 1856

Foi o fim do vitalismo como conceito científico. Mas as pessoas acharam profundamente difícil abandonar a ideia. Para muitos, dizer que não há nada de “especial” nas substâncias químicas da vida parecia roubar a magia da vida, reduzir-nos a meras máquinas. É claro que também contradizia a Bíblia.

O mistério da origem da vida foi ignorado por décadas

Até os cientistas têm lutado para se livrar do vitalismo. Ainda em 1913, o bioquímico inglês Benjamin Moore estava promovendo fervorosamente uma teoria da " energia biótica ", que era essencialmente vitalismo com um nome diferente. A ideia tinha um forte controle emocional.

Hoje a ideia se agarra a lugares inesperados. Por exemplo, existem muitas histórias de ficção científica em que a “energia vital” de uma pessoa pode ser aumentada ou drenada. Pense na “energia de regeneração” usada pelos Time Lords em Doctor Who , que pode até ser aumentada se estiver fraca . Parece futurista, mas é uma ideia profundamente antiquada.

Mesmo assim, depois de 1828, os cientistas tiveram razões legítimas para procurar uma explicação livre de divindades para como a primeira vida se formou. Mas eles não o fizeram. Parece um assunto óbvio a ser explorado, mas na verdade o mistério da origem da vida foi ignorado por décadas. Talvez todos ainda estivessem emocionalmente apegados ao vitalismo para dar o próximo passo.

Charles Darwin mostrou que toda a vida evoluiu de um ancestral comum simples

Charles Darwin mostrou que toda a vida evoluiu de um ancestral comum simples

Em vez disso, o grande avanço biológico do século 19 foi a teoria da evolução , desenvolvida por Charles Darwin e outros.

Darwin sabia que era uma questão profunda

A teoria de Darwin, apresentada em A origem das espécies em 1859, explicava como a vasta diversidade da vida poderia ter surgido de um único ancestral comum. Em vez de cada uma das diferentes espécies ser criada individualmente por Deus, todos eles descendiam de um organismo primordial que viveu há milhões de anos: o último ancestral comum universal.

Essa ideia se mostrou extremamente controversa, novamente porque contradizia a Bíblia. Darwin e suas idéias sofreram ataques ferozes, principalmente de cristãos indignados.

A teoria da evolução nada disse sobre como esse primeiro organismo surgiu.

Darwin se perguntou se a vida começou em um "pequeno lago quente" (Crédito: Linda Reinink-Smith / Alamy)

Darwin se perguntou se a vida começou em um "pequeno lago quente" (Crédito: Linda Reinink-Smith / Alamy)

Darwin sabia que era uma questão profunda, mas - talvez receoso de começar mais uma luta com a Igreja - ele só parece ter discutido o assunto em uma carta escrita em 1871 . Sua linguagem excitável revela que ele conhecia o significado profundo da questão:

A primeira hipótese para a origem da vida foi inventada em um país selvagemmente totalitário

“Mas se (e que grande se) pudéssemos conceber em algum pequeno lago quente com todos os tipos de amônia e sais fosfóricos - luz, calor, eletricidade etc. presentes, que um composto de proteína foi quimicamente formado, pronto para sofrer ainda mais mudanças complexas ... ”

Em outras palavras, e se houvesse um pequeno corpo d'água, cheio de compostos orgânicos simples e banhado pela luz do sol. Alguns desses compostos podem se combinar para formar uma substância semelhante à vida, como uma proteína, que pode então começar a evoluir e se tornar mais complexa.

Foi uma ideia incompleta. Mas isso se tornaria a base da primeira hipótese de como a vida começou.

Essa ideia surgiu de um lugar inesperado. Você pode pensar que esta peça ousada de pensamento livre teria sido desenvolvida em um país democrático com uma tradição de liberdade de expressão: talvez os Estados Unidos. Mas, na verdade, a primeira hipótese para a origem da vida foi inventada em um país selvagemente totalitário, onde o pensamento livre foi eliminado: a URSS.

Alexander Oparin viveu e trabalhou na URSS (Crédito: Sputnik / Science Photo Library)

Alexander Oparin viveu e trabalhou na URSS (Crédito: Sputnik / Science Photo Library)

In Stalin’s Russia, everything was under the control of the state. That included people’s ideas, even on subjects – like biology – that seem unrelated to Communist politics.

Oparin imagined what Earth was like when it was newly formed

Most famously, Stalin effectively banned scientists from studying conventional genetics. Instead he imposed the ideas of a farm worker named Trofim Lysenko, which he thought were more in line with Communist ideology. Scientists working on genetics were forced to publicly support Lysenko’s ideas, or risk ending up in a labour camp.

Foi nesse ambiente repressivo que Alexander Oparin realizou suas pesquisas em bioquímica. Ele pôde continuar trabalhando porque era um comunista leal: apoiou as idéias de Lysenko e até recebeu a Ordem de Lênin, a mais alta condecoração que poderia ser concedida a alguém que vivia na URSS.

Em 1924, Oparin publicou seu livro A Origem da Vida . Nele, ele expôs uma visão para o nascimento da vida que era surpreendentemente semelhante ao pequeno lago quente de Darwin.

Os oceanos se formaram quando a Terra esfriou (Crédito: Richard Bizley / Science Photo Library)

Os oceanos se formaram quando a Terra esfriou (Crédito: Richard Bizley / Science Photo Library)

Oparin imaginou como era a Terra quando foi recém formada. A superfície estava extremamente quente, quando as rochas do espaço mergulharam nela e impactaram. Era uma confusão de rochas semifundidas, contendo uma grande variedade de produtos químicos - incluindo muitos baseados em carbono.

Se você observar os coacervados sob um microscópio, eles se comportam de forma irritante como células vivas

Por fim, a Terra esfriou o suficiente para que o vapor d'água se condensasse em água líquida, e a primeira chuva caiu. Em pouco tempo, a Terra tinha oceanos, que eram quentes e ricos em produtos químicos à base de carbono. Agora, duas coisas podem acontecer.

Primeiro, os vários produtos químicos poderiam reagir entre si para formar muitos novos compostos, alguns dos quais seriam mais complexos. Oparin supôs que as moléculas centrais da vida, como açúcares e aminoácidos, poderiam ter se formado nas águas da Terra.

Em segundo lugar, alguns dos produtos químicos começaram a formar estruturas microscópicas. Muitos produtos químicos orgânicos não se dissolvem na água: por exemplo, o óleo forma uma camada sobre a água. Mas quando alguns desses produtos químicos entram em contato com a água, eles formam glóbulos esféricos chamados “coacervatos”, que podem ter até 0,01 cm (0,004 polegada) de diâmetro.

Se você observar os coacervados sob um microscópio, eles se comportam de forma irritante como células vivas. Eles crescem e mudam de forma e às vezes se dividem em dois. Eles também podem absorver produtos químicos da água circundante, de modo que produtos químicos semelhantes à vida podem se concentrar dentro deles. Oparin propôs que os coacervados eram os ancestrais das células modernas.

A ideia de que os organismos vivos formados por meios puramente químicos, sem um deus ou mesmo uma “força vital”, era radical

Cinco anos depois, em 1929, o biólogo inglês JBS Haldane propôs independentemente algumas idéias muito semelhantes em um pequeno artigo publicado no Rationalist Annual .

Haldane já havia feito enormes contribuições para a teoria da evolução, ajudando a integrar as idéias de Darwin com a ciência emergente da genética.

Ele também era um personagem grandioso. Em uma ocasião, ele sofreu uma perfuração no tímpano graças a alguns experimentos com câmaras de descompressão, mas depois escreveu que: “o tambor geralmente cura; e se permanecer um buraco nele, embora a pessoa seja um pouco surda, pode-se soprar a fumaça do tabaco pela orelha em questão, o que é uma conquista social ”.

Assim como Oparin, Haldane descreveu como os produtos químicos orgânicos podem se acumular na água, “[até] os oceanos primitivos atingirem a consistência de uma sopa diluída quente”. Isso preparou o terreno para “as primeiras coisas vivas ou meio-vivas” se formarem e para cada uma ser envolvida em “um filme oleoso”.

O geneticista inglês JBS Haldane (Crédito: Science Photo Library)

O geneticista inglês JBS Haldane (Crédito: Science Photo Library)

It is telling that of all the biologists in the world, it was Oparin and Haldane who proposed this. The idea that living organisms formed by purely chemical means, without a god or even a “life force”, was radical. Like Darwin’s theory of evolution before it, it flew in the face of Christianity.

There was one problem. There was no experimental evidence to back it up

That suited the USSR just fine. The Soviet regime was officially atheist, and its leaders were eager to support materialistic explanations for profound phenomena like life. Haldane was also an atheist, and a devoted communist to boot.

“Naquela época, aceitar ou não essa ideia dependia essencialmente de personalidades: se eram religiosas ou se apoiavam ideias de esquerda ou comunistas”, disse o especialista em origem da vida Armen Mulkidjanian, da Universidade de Osnabrück, na Alemanha. “Na União Soviética eles foram aceitos com alegria porque não precisavam de Deus. No mundo ocidental, se você olhar para as pessoas que estavam pensando nessa direção, todos eram canhotos, comunistas e assim por diante. ”

A ideia de que a vida se formou em uma sopa primordial de produtos químicos orgânicos tornou-se conhecida como a hipótese Oparin-Haldane. Era limpo e atraente, mas havia um problema. Não havia nenhuma evidência experimental para apoiá-lo. Isso demoraria quase um quarto de século.

(Crédito: Emilio Segre Visual Archives / American Institute Physics / Science Photo Library)

Harold Urey (Crédito: Emilio Segre Visual Archives / American Institute of Physics / Science Photo Library)

Na época em que Harold Urey começou a se interessar pela origem da vida, ele já havia ganhado o Prêmio Nobel de Química em 1934 e ajudado a construir a bomba atômica. Durante a Segunda Guerra Mundial, Urey trabalhou no Projeto Manhattan, coletando o urânio 235 instável necessário para o núcleo da bomba. Após a guerra, ele lutou para manter a tecnologia nuclear sob controle civil.

Em 1952, Miller deu início ao experimento mais famoso sobre a origem da vida já feito

Ele também se interessou pela química do espaço sideral, particularmente o que acontecia quando o Sistema Solar estava se formando. Um dia ele deu uma palestra e apontou que provavelmente não havia oxigênio na atmosfera da Terra quando ela se formou. Isso teria oferecido as condições ideais para a formação da sopa primordial de Oparin e Haldane: os frágeis produtos químicos teriam sido destruídos pelo contato com o oxigênio.

Um aluno de doutorado chamado Stanley Miller estava na platéia e depois abordou Urey com uma proposta: eles poderiam testar essa ideia? Urey estava cético, mas Miller o convenceu.

Então, em 1952, Miller deu início ao experimento mais famoso sobre a origem da vida já feito.

O experimento Miller-Urey (Crédito: Francis Leroy, Biocosmos / Science Photo Library)

O experimento Miller-Urey (Crédito: Francis Leroy, Biocosmos / Science Photo Library)

A configuração foi simples. Miller conectou uma série de frascos de vidro e circulou quatro produtos químicos que ele suspeitava estarem presentes na Terra primitiva: água fervente, gás hidrogênio, amônia e metano. Ele submeteu os gases a choques elétricos repetidos, para simular os relâmpagos que teriam sido uma ocorrência comum na Terra há muito tempo.

Você pode sair de uma atmosfera simples e produzir muitas moléculas biológicas

Miller descobriu que “a água no frasco tornou-se visivelmente rosa após o primeiro dia e, no final da semana, a solução estava profundamente vermelha e turva”. Claramente, uma mistura de produtos químicos se formou.

Quando Miller analisou a mistura, descobriu que ela continha dois aminoácidos: glicina e alanina. Os aminoácidos são freqüentemente descritos como os blocos de construção da vida. Eles são usados ??para formar as proteínas que controlam a maioria dos processos bioquímicos em nossos corpos. Miller havia feito dois dos componentes mais importantes da vida, do zero.

Os resultados foram publicados na prestigiosa revista Science em 1953 . Urey, em um ato altruísta incomum entre cientistas experientes, teve seu nome retirado do jornal, dando a Miller o crédito exclusivo. Apesar disso, o estudo é frequentemente conhecido como “ experimento Miller-Urey “.

Stanley Miller em seu laboratório (Crédito: Science Photo Library)

Stanley Miller em seu laboratório (Crédito: Science Photo Library)

“A força de Miller-Urey é mostrar que você pode sair de uma atmosfera simples e produzir muitas moléculas biológicas”, diz John Sutherland, do Laboratório de Biologia Molecular em Cambridge, Reino Unido.

A vida era mais complicada do que qualquer um pensava

Os detalhes estavam errados, pois estudos posteriores mostraram que a atmosfera da Terra primitiva tinha uma mistura diferente de gases. Mas isso é quase irrelevante.

“Foi maciçamente icônico, estimulou a imaginação do público e continua a ser citado extensivamente”, diz Sutherland.

Na esteira do experimento de Miller, outros cientistas começaram a encontrar maneiras de fazer moléculas biológicas simples a partir do zero. A solução para o mistério da origem da vida parecia próxima.

Mas então ficou claro que a vida era mais complicada do que se pensava. Descobriu-se que as células vivas não eram apenas sacos de produtos químicos: eram pequenas máquinas intrincadas. De repente, fazer um do zero começou a parecer um desafio muito maior do que os cientistas haviam previsto.

A maquinaria dentro das células é incrivelmente complexa (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

A maquinaria dentro das células é incrivelmente complexa (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Capítulo 2. A grande polarização

No início da década de 1950, os cientistas abandonaram a antiga suposição de que a vida era um presente dos deuses. Em vez disso, eles começaram a explorar a possibilidade de que a vida se formou espontânea e naturalmente na Terra primitiva - e, graças ao experimento icônico de Stanley Miller, eles até tiveram algum apoio prático para a ideia.

Enquanto Miller tentava fazer do zero a matéria-prima da vida, outros cientistas descobriam de que eram feitos os genes.

Nessa época, muitas moléculas biológicas eram conhecidas. Estes incluíam açúcares, gorduras, proteínas - e ácidos nucléicos como “ácido desoxirribonucléico” ou DNA para abreviar.

Deles foi uma das maiores descobertas científicas do século 20

Hoje temos como certo que o DNA carrega nossos genes, mas isso foi um choque para os biólogos da década de 1950. As proteínas são mais complexas, então os cientistas pensaram que eram os genes.

Essa ideia foi refutada em 1952 por Alfred Hershey e Martha Chase, da Carnegie Institution de Washington. Eles estudaram vírus simples que contêm apenas DNA e proteínas e que precisam infectar bactérias para se reproduzir. Eles descobriram que era o DNA viral que entrava na bactéria: as proteínas ficavam de fora . Claramente, o DNA era o material genético.

As descobertas de Hershey e Chase desencadearam uma corrida frenética para descobrir a estrutura do DNA e, portanto, como ele funcionava. No ano seguinte, o problema foi resolvido por Francis Crick e James Watson, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido - com muita ajuda pouco reconhecida de sua colega Rosalind Franklin .

Deles foi uma das maiores descobertas científicas do século XX. Também reformulou a busca pela origem da vida, revelando a incrível complexidade que se esconde dentro das células vivas.

(Crédito: A. Barrington-Brown / Gonville and Caius College / Science Photo Library)

James Watson e Francis Crick com seu modelo de DNA (Crédito: A. Barrington-Brown / Gonville and Caius College / Science Photo Library)

Crick e Watson perceberam que o DNA é uma dupla hélice, como uma escada torcida em espiral. Os dois “pólos” da escada são construídos a partir de moléculas chamadas nucleotídeos.

Em última análise, seus genes vêm de uma bactéria ancestral

Essa estrutura explica como as células copiam seu DNA. Em outras palavras, revelou como os pais fazem cópias de seus genes e as transmitem aos filhos.

O ponto principal é que a dupla hélice pode ser “descompactada”. Isso expõe o código genético - formado por sequências das bases genéticas A, T, C e G - que normalmente está trancado dentro dos “degraus” da escada do DNA. Cada fita é então usada como um modelo para recriar uma cópia da outra.

Usando esse mecanismo, os genes foram transmitidos de pai para filho desde o início da vida. Em última análise, seus genes vêm de uma bactéria ancestral - e a cada passo eles foram copiados usando o mecanismo que Crick e Watson descobriram.

Explore a estrutura do DNA neste vídeo:

Crick e Watson expuseram suas descobertas em um artigo de 1953 na Nature . Nos anos seguintes, os bioquímicos correram para descobrir exatamente quais informações o DNA carrega e como essas informações são usadas nas células vivas. Os segredos mais íntimos da vida estavam sendo expostos pela primeira vez.

De repente, as ideias de Oparin e Haldane pareciam ingenuamente simples

Descobriu-se que o DNA só tem um trabalho. Seu DNA diz às células como produzir proteínas : moléculas que realizam uma série de tarefas essenciais. Sem proteínas, você não poderia digerir sua comida, seu coração parava e você não conseguia respirar.

Mas o processo de usar o DNA para fazer proteínas provou ser incrivelmente complexo. Esse foi um grande problema para qualquer um que tentasse explicar a origem da vida, porque é difícil imaginar como algo tão complexo poderia ter começado.

Cada proteína é essencialmente uma longa cadeia de aminoácidos, unidos em uma ordem específica. A sequência dos aminoácidos determina a forma tridimensional da proteína e, portanto, o que ela faz.

Essa informação está codificada na sequência das bases do DNA . Portanto, quando uma célula precisa produzir uma proteína específica, ela lê o gene relevante no DNA para obter a sequência de aminoácidos.

Descobriu-se que o DNA só tem um trabalho

Mas há uma reviravolta. O DNA é precioso, então as células preferem mantê-lo empacotado com segurança. Por esse motivo, eles copiam as informações do DNA em moléculas curtas de outra substância chamada RNA (ácido ribonucléico). Se o DNA é um livro de biblioteca, o RNA é um pedaço de papel com uma passagem-chave rabiscada nele. O RNA é semelhante ao DNA, exceto que possui apenas uma fita.

Por fim, o processo de conversão da informação dessa fita de RNA em uma proteína ocorre em uma molécula extremamente elaborada chamada “ribossomo”.

Esse processo ocorre em todas as células vivas, até mesmo nas bactérias mais simples. É tão essencial para a vida quanto comer e respirar. Qualquer explicação para a origem da vida deve mostrar como essa trindade complexa - DNA, RNA e proteína ribossômica - surgiu e começou a funcionar.

As células podem se tornar extremamente complexas (Crédito: Russell Kightley / Science Photo Library)

As células podem se tornar extremamente complexas (Crédito: Russell Kightley / Science Photo Library)

De repente, as ideias de Oparin e Haldane pareciam ingenuamente simples, enquanto o experimento de Miller, que produzia apenas alguns dos aminoácidos usados ??para construir proteínas, parecia amador. Longe de nos levar a maior parte do caminho para a criação de vida, seu estudo seminal foi claramente apenas o primeiro passo em uma longa estrada.

A ideia de que a vida começou com RNA provaria ser extremamente influente

“O DNA faz o RNA produz a proteína, tudo neste saco de substâncias químicas encapsuladas em lipídios”, diz John Sutherland. “Você olha para isso e é apenas 'uau, isso é muito complicado'. Como vamos encontrar a química orgânica que fará tudo isso de uma vez? ”

A primeira pessoa a realmente enfrentar isso de frente foi um químico britânico chamado Leslie Orgel . Ele foi um dos primeiros a ver o modelo de DNA de Crick e Watson e mais tarde ajudaria a Nasa com seu programa Viking, que enviava sondas robóticas a Marte.

Orgel decidiu simplificar o problema. Escrevendo em 1968 , e apoiado por Crick , ele sugeriu que a primeira vida não tinha proteínas ou DNA. Em vez disso, era feito quase inteiramente de RNA. Para que isso funcione, essas moléculas primordiais de RNA devem ter sido particularmente versáteis. Por um lado, eles devem ter sido capazes de construir cópias de si mesmos, provavelmente usando o mesmo mecanismo de emparelhamento de bases do DNA.

A ideia de que a vida começou com RNA se provaria enormemente influente. Mas também desencadeou uma guerra científica territorial que dura até os dias atuais.

O DNA está no cerne de quase todos os seres vivos (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

O DNA está no cerne de quase todos os seres vivos (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Ao sugerir que a vida começou com RNA e pouco mais, Orgel estava propondo que um aspecto crucial da vida - sua capacidade de se reproduzir - apareceu antes de todos os outros. Em certo sentido, ele não estava apenas sugerindo como a vida foi montada pela primeira vez: ele estava dizendo algo sobre o que a vida é.

Cientistas que estudam a origem da vida se dividem em campos

Muitos biólogos concordariam com a ideia de “replicação primeiro” de Orgel. Na teoria da evolução de Darwin, a capacidade de criar descendentes é absolutamente central: a única maneira de um organismo “vencer” é deixando para trás muitos filhos.

Mas existem outras características da vida que parecem igualmente essenciais. O mais óbvio é o metabolismo: a capacidade de extrair energia do ambiente e usá-la para se manter vivo. Para muitos biólogos, o metabolismo deve ter sido a característica definidora original da vida, com a replicação surgindo mais tarde.

Assim, da década de 1960 em diante, os cientistas que estudavam a origem da vida se dividiram em campos.

“A polarização básica era primeiro o metabolismo versus a genética primeiro”, diz Sutherland.

Reuniões científicas sobre a origem da vida têm sido frequentemente assuntos turbulentos

Meanwhile, a third group maintained that the first thing to appear was a container for the key molecules, to keep them from floating off. “Compartmentalisation must have come first, because there’s no point doing metabolism unless you’re compartmentalised,” says Sutherland. In other words, there needed to be a cell – as Oparin and Haldane had emphasised a few decades earlier – perhaps enclosed by a membrane of simple fats and lipids.

All three ideas acquired adherents and have survived to the present day. Scientists have become passionately committed to their pet ideas, sometimes blindly so.

Como resultado, as reuniões científicas sobre a origem da vida costumam ser turbulentas, e os jornalistas que cobrem o assunto são regularmente informados por um cientista em um campo que as ideias que emergem de outros campos são estúpidas ou pior.

Graças a Orgel, a ideia de que a vida começou com RNA e genética começou cedo. Então veio a década de 1980, e uma descoberta surpreendente que parecia confirmar isso.

O RNA pode ser a chave para o início da vida (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

O RNA pode ser a chave para o início da vida (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Capítulo 3. Procure o primeiro replicador

Após a década de 1960, os cientistas em busca de entender as origens da vida se dividiram em três grupos. Alguns estavam convencidos de que a vida começou com a formação de versões primitivas de células biológicas. Outros pensaram que o primeiro passo principal era um sistema metabólico, e outros ainda se concentraram na importância da genética e da replicação. Este último grupo começou a tentar descobrir como seria o primeiro replicador - com foco na ideia de que era feito de RNA.

Já na década de 1960, os cientistas tinham motivos para pensar que o RNA era a fonte de toda a vida.

Especificamente, o RNA pode fazer algo que o DNA não pode. É uma molécula de fita simples, então, ao contrário do DNA rígido de fita dupla, ela pode se dobrar em uma variedade de formas diferentes.

Você não poderia viver sem enzimas

O dobramento do RNA em forma de origami parecia bastante semelhante ao comportamento das proteínas. As proteínas também são basicamente fitas longas - feitas de aminoácidos em vez de nucleotídeos - e isso permite que construam estruturas elaboradas.

Esta é a chave para a habilidade mais surpreendente das proteínas. Alguns deles podem acelerar, ou “catalisar”, reações químicas. Essas proteínas são conhecidas como enzimas.

Muitas enzimas são encontradas em seus intestinos, onde quebram as moléculas complexas de sua comida em moléculas simples, como açúcares que suas células podem usar. Você não poderia viver sem enzimas.

Leslie Orgel e Francis Crick tinham uma suspeita. Se o RNA pudesse se dobrar como uma proteína, talvez pudesse formar enzimas. Se isso fosse verdade, o RNA poderia ter sido a molécula viva original - e altamente versátil, armazenando informações como o DNA faz agora e catalisando reações como algumas proteínas fazem.

Era uma ideia legal, mas não haveria prova por mais de uma década.

Thomas Cech em 2007 (Crédito: Douglas A. Lockard, CC por 3.0)

Thomas Cech em 2007 (Crédito: Douglas A. Lockard, CC por 3.0)

Thomas Cech nasceu e foi criado em Iowa. Quando criança, ele era fascinado por rochas e minerais. Na época em que estava no ensino fundamental, ele estava visitando a universidade local e batendo na porta de geólogos , pedindo para ver modelos de estruturas minerais.

Mas ele acabou se tornando um bioquímico, com foco em RNA.

Agora, a noção de que a vida começou com RNA parecia promissora

No início da década de 1980, Cech e seus colegas da Universidade do Colorado em Boulder estudavam um organismo unicelular chamado Tetrahymena thermophila . Parte de sua maquinaria celular inclui fitas de RNA. Cech descobriu que uma seção específica do RNA às vezes se destacava do resto, como se algo a tivesse cortado com uma tesoura.

Quando a equipe removeu todas as enzimas e outras moléculas que poderiam estar atuando como tesouras moleculares, o RNA continuou fazendo isso. Eles descobriram a primeira enzima de RNA : um pequeno pedaço de RNA que foi capaz de se separar da fita maior da qual fazia parte.

Cech publicou os resultados em 1982. No ano seguinte, outro grupo encontrou uma segunda enzima de RNA - ou “ribozima”, como foi apelidada.

Encontrar duas enzimas de RNA em rápida sucessão sugeriu que havia muito mais por aí. Agora, a noção de que a vida começou com RNA parecia promissora.

Descubra mais sobre RNA neste vídeo:

Seria Walter Gilbert, da Harvard University em Cambridge, Massachusetts, quem deu um nome à ideia. Um físico que ficou fascinado pela biologia molecular, Gilbert também seria um dos primeiros defensores do sequenciamento do genoma humano .

O RNA World é uma maneira elegante de tornar a vida complexa do zero

Escrevendo na Nature em 1986 , Gilbert propôs que a vida começou no “RNA World”.

The first stage of evolution, Gilbert argued, consisted of “RNA molecules performing the catalytic activities necessary to assemble themselves from a nucleotide soup”. By cutting and pasting different bits of RNA together, the RNA molecules could create ever more useful sequences. Eventually they found a way to make proteins and protein enzymes, which proved so useful that they largely supplanted the RNA versions and gave rise to life as we recognise it today.

The RNA World is an elegant way to make complex life from scratch. Instead of having to rely on the simultaneous formation of dozens of biological molecules from the primordial soup, one Jack-of-all-trades molecule could do the work of all of them.

In 2000, the RNA World hypothesis was gifted a dramatic piece of supporting evidence.

O ribossomo produz proteínas (Crédito: Laguna Design / Science Photo Library)

O ribossomo produz proteínas (Crédito: Laguna Design / Science Photo Library)

Thomas Steitz passou 30 anos estudando as estruturas das moléculas nas células vivas. Na década de 1990, ele assumiu seu maior desafio: descobrir a estrutura do ribossomo.

O fato de que esta máquina essencial foi baseada em RNA tornou o RNA World ainda mais plausível

Cada célula viva possui um ribossomo. Essa enorme molécula lê instruções do RNA e une aminoácidos para formar proteínas. Os ribossomos em suas células construíram a maior parte de seu corpo.

O ribossomo era conhecido por conter RNA. Mas em 2000 a equipe de Steitz produziu uma imagem detalhada da estrutura do ribossomo , que mostrou que o RNA era o núcleo catalítico do ribossomo .

Isso foi crítico, porque o ribossomo é tão fundamental para a vida e tão antigo. O fato de essa máquina essencial ser baseada em RNA tornava o mundo RNA ainda mais plausível.

Os apoiadores do RNA World ficaram extasiados com a descoberta e, em 2009, Steitz receberia uma parte do Prêmio Nobel . Mas, desde então, as dúvidas voltaram.

Desde o início, houve dois problemas com a ideia do RNA World. O RNA poderia realmente realizar todas as funções da vida sozinho? E poderia ter se formado na Terra primitiva?

Eles se propuseram a fazer um RNA auto-replicante para si próprios

Já se passaram 30 anos desde que Gilbert lançou a tenda para o RNA World, e ainda não temos evidências concretas de que o RNA pode fazer todas as coisas que a teoria exige dele. É uma pequena molécula útil, mas pode não ser o suficiente.

Uma tarefa se destacou. Se a vida começou com uma molécula de RNA, esse RNA deve ter sido capaz de fazer cópias de si mesmo: deveria ter se auto-replicado.

Mas nenhum RNA conhecido pode se auto-replicar. Nem o DNA. É necessário um batalhão de enzimas e outras moléculas para construir uma réplica de um pedaço de RNA ou DNA.

Portanto, no final da década de 1980, alguns biólogos iniciaram uma busca bastante quixotesca. Eles se propuseram a fazer um RNA auto-replicante para si próprios.

Jack Szostak (Crédito: Detlev van Ravenswaay / Science Photo Library)

Jack Szostak (Crédito: Detlev van Ravenswaay / Science Photo Library)

Jack Szostak, da Harvard Medical School, foi um dos primeiros a se envolver. Quando criança, ele era tão fascinado pela química que tinha um laboratório em seu porão. Com um esplêndido desrespeito por sua própria segurança, uma vez ele detonou uma explosão que cravou um tubo de vidro no teto.

Eles mostraram que as enzimas de RNA podem ser verdadeiramente poderosas

No início da década de 1980, Szostak ajudou a mostrar como nossos genes se protegem contra o processo de envelhecimento. Essa pesquisa inicial acabaria por lhe render uma parte do Prêmio Nobel .

Mas ele logo ficou fascinado pelas enzimas de RNA de Cech. “Achei aquele trabalho muito legal”, diz ele. “Em princípio, pode haver a possibilidade de o RNA catalisar sua própria replicação.”

Em 1988, Cech descobriu uma enzima de RNA que poderia construir uma molécula de RNA curta com cerca de 10 nucleotídeos de comprimento . Szostak se propôs a aprimorar a descoberta desenvolvendo novas enzimas de RNA no laboratório. Sua equipe criou um conjunto de sequências aleatórias e as testou para ver quais mostravam atividade catalítica. Eles então pegaram essas sequências, ajustaram-nas e testaram novamente.

After 10 rounds of this, Szostak had produced an RNA enzyme that made a reaction go seven million times faster than it naturally would. They had showed that RNA enzymes could be truly powerful. But their enzyme could not copy itself, not even close. Szostak had hit a wall.

O RNA pode não ser suficiente para começar a vida (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

RNA may not be up to the job of starting life (Credit: Science Photo Library/Alamy)

The next big advance came in 2001 from Szostak’s former student David Bartel, of the Massachusetts Institute of Technology in Cambridge. Bartel made an RNA enzyme called R18 that could add new nucleotides to a strand of RNA, based on an existing template. In other words, it was not just adding random nucleotides: it was correctly copying a sequence.

Este ainda não era um autorreplicador, mas estava se aproximando dele. R18 consistia em uma cadeia de 189 nucleotídeos e poderia adicionar de forma confiável 11 nucleotídeos a uma cadeia : 6% de seu próprio comprimento. A esperança era que alguns ajustes permitissem que ela fizesse uma fita de 189 nucleotídeos - tão longa quanto ela mesma.

O RNA não parece ser capaz de dar o pontapé inicial na vida

A melhor tentativa veio em 2011, de Philipp Holliger, do Laboratório de Biologia Molecular de Cambridge, Reino Unido. Sua equipe criou um R18 modificado chamado tC19Z , que copia sequências de até 95 nucleotídeos de comprimento. Isso é 48% de seu próprio comprimento: mais do que R18, mas não os 100% necessários.

Uma abordagem alternativa foi proposta por Gerald Joyce e Tracey Lincoln, do Scripps Research Institute em La Jolla, Califórnia. Em 2009, eles criaram uma enzima de RNA que se replica indiretamente .

Sua enzima une dois pequenos pedaços de RNA para criar uma segunda enzima. Este então une outras duas peças de RNA para recriar a enzima original.

Este ciclo simples poderia ser continuado indefinidamente, dadas as matérias-primas. Mas as enzimas só funcionavam se recebessem os filamentos de RNA corretos, que Joyce e Lincoln precisavam fazer.

Como as moléculas de vida poderiam se formar em algum lugar assim?  (Crédito: MasPix / Alamy)

Como as moléculas de vida poderiam se formar em algum lugar assim? (Crédito: MasPix / Alamy)

Para muitos cientistas céticos sobre o mundo do RNA, a falta de um RNA auto-replicante é um problema fatal com a ideia. O RNA não parece ser capaz de dar o pontapé inicial na vida.

Talvez houvesse algum outro tipo de molécula na Terra primitiva

O caso também foi enfraquecido pelo fracasso dos químicos em fazer RNA do zero. Parece uma molécula simples comparada ao DNA, mas o RNA provou ser extremamente difícil de fazer.

O problema é o açúcar e a base que compõe cada nucleotídeo. É possível fazer cada um deles individualmente, mas os dois teimosamente se recusam a se ligar.

Esse problema já estava claro no início da década de 1990. Isso deixou muitos biólogos com a incômoda suspeita de que a hipótese do RNA World, embora clara, poderia não estar totalmente certa.

Em vez disso, talvez houvesse algum outro tipo de molécula na Terra primitiva: algo mais simples do que o RNA, que realmente poderia se montar a partir da sopa primordial e começar a se auto-replicar. Isso pode ter acontecido primeiro, e então levado ao RNA, DNA e o resto.

O DNA pode ter lutado para se formar na Terra primitiva (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

O DNA pode ter lutado para se formar na Terra primitiva (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

Em 1991, Peter Nielsen, da Universidade de Copenhagen, na Dinamarca, apresentou um candidato a replicador primordial.

Era essencialmente uma versão fortemente modificada do DNA. Nielsen manteve as bases iguais - aderindo ao A, T, C e G encontrados no DNA - mas fez a espinha dorsal de moléculas chamadas poliamidas em vez dos açúcares encontrados no DNA. Ele chamou a nova molécula de ácido nucléico de poliamida , ou PNA. De forma confusa, desde então ele se tornou conhecido como ácido nucleico peptídico.

PNA, ao contrário do RNA, pode ter se formado prontamente na Terra primitiva

PNA nunca foi encontrado na natureza. Mas se comporta muito como o DNA. Uma fita de PNA pode até mesmo tomar o lugar de uma das fitas de uma molécula de DNA, com as bases complementares se pareando normalmente. Além do mais, o PNA pode se enrolar em uma dupla hélice , assim como o DNA.

Stanley Miller ficou intrigado. Profundamente cético em relação ao RNA World, ele suspeitava que o PNA fosse um candidato mais plausível para o primeiro material genético .

Em 2000, ele produziu algumas evidências concretas. Àquela altura, ele estava com 70 anos e acabara de sofrer o primeiro de uma série de derrames debilitantes que acabariam por deixá-lo confinado a uma casa de repouso, mas ainda não tinha acabado. Ele repetiu seu experimento clássico, que discutimos no Capítulo Um, desta vez usando metano, nitrogênio, amônia e água - e obteve a espinha dorsal de poliamida do PNA.

Isso sugeriu que o PNA, ao contrário do RNA, pode ter se formado prontamente na Terra primitiva.

Uma molécula de três ácidos nucleicos (TNA) (Crédito: Alfred Pasieka / Science Photo Library)

Uma molécula de três ácidos nucleicos (TNA) (Crédito: Alfred Pasieka / Science Photo Library)

Outros químicos criaram seus próprios ácidos nucléicos alternativos.

Cada um desses ácidos nucléicos alternativos tem seus apoiadores: geralmente, a pessoa que o fez

Em 2000, Albert Eschenmoser produziu três ácidos nucléicos (TNA). Isso é basicamente DNA, mas com um açúcar diferente em sua espinha dorsal. Cadeias de TNA podem emparelhar para formar uma dupla hélice e as informações podem ser copiadas para frente e para trás entre o RNA e o TNA.

Além do mais, o TNA pode se dobrar em formas complexas e até mesmo se ligar a uma proteína. Isso sugere que o TNA poderia atuar como uma enzima, assim como o RNA.

Da mesma forma, em 2005, Eric Meggers produziu ácido nucléico de glicol , que pode formar estruturas helicoidais .

Cada um desses ácidos nucléicos alternativos tem seus apoiadores: geralmente, a pessoa que o produziu. Mas não há vestígios deles na natureza, então se a primeira vida os usou, em algum ponto ela deve tê-los abandonado completamente em favor do RNA e do DNA. Isso pode ser verdade, mas não há evidências.

Tudo isso significava que, em meados dos anos 2000, os apoiadores do RNA World estavam em um dilema.

O RNA World, por mais limpo que fosse, não poderia ser toda a verdade

Por um lado, existiam enzimas de RNA e incluíam uma das peças mais importantes da maquinaria biológica, o ribossomo. Isso foi bom.

Mas nenhum RNA auto-replicante foi encontrado, e ninguém conseguiu descobrir como o RNA se formou na sopa primordial. Os ácidos nucléicos alternativos podem resolver o último problema, mas não havia evidência de que eles existiram na natureza. Isso foi menos bom.

A conclusão óbvia era que o RNA World, por mais limpo que fosse, não podia ser toda a verdade.

Enquanto isso, uma teoria rival vinha ganhando força desde os anos 1980. Seus defensores argumentam que a vida não começou com RNA, ou DNA, ou qualquer outra substância genética. Em vez disso, começou como um mecanismo de aproveitamento de energia.

A vida precisa de energia para se manter viva (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

A vida precisa de energia para se manter viva (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Capítulo 4. Energia dos prótons

Vimos no Capítulo Dois como os cientistas se dividiram em três escolas de pensamento sobre como a vida começou. Um grupo estava convencido de que a vida começou com uma molécula de RNA, mas lutou para descobrir como o RNA ou moléculas semelhantes poderiam ter se formado espontaneamente na Terra primitiva e, então, feito cópias de si mesmos. Seus esforços foram emocionantes no início, mas no final das contas frustrantes. No entanto, mesmo enquanto essa pesquisa estava progredindo, havia outros pesquisadores da origem da vida que tinham certeza de que a vida começava de uma maneira completamente diferente.

A teoria do RNA World se baseia em uma ideia simples: a coisa mais importante que um organismo vivo pode fazer é se reproduzir. Muitos biólogos concordariam com isso. De bactérias a baleias azuis, todos os seres vivos se esforçam para ter filhos.

Wächtershäuser propôs que os primeiros organismos eram "drasticamente diferentes de tudo que conhecemos"

No entanto, muitos pesquisadores da origem da vida não acreditam que a reprodução seja realmente fundamental. Antes que um organismo possa se reproduzir, dizem eles, ele precisa ser autossustentável. Ele deve se manter vivo. Afinal, você não pode ter filhos se morrer primeiro.

Nós nos mantemos vivos comendo alimentos, enquanto as plantas verdes o fazem extraindo energia da luz solar. Você pode não pensar que uma pessoa devorando um bife suculento se parece muito com um carvalho frondoso, mas quando você vai direto ao ponto, ambos estão absorvendo energia.

Este processo é denominado metabolismo. Primeiro, você deve obter energia; digamos, de produtos químicos ricos em energia, como açúcares. Então você deve usar essa energia para construir coisas úteis como células.

Esse processo de aproveitamento de energia é tão essencial que muitos pesquisadores acreditam que deve ter sido a primeira coisa que a vida fez.

A água vulcânica é quente e rica em produtos químicos (Crédito: Kseniya Ragozina / Alamy)

A água vulcânica é quente e rica em produtos químicos (Crédito: Kseniya Ragozina / Alamy)

Como seriam esses organismos exclusivamente de metabolismo? Uma das sugestões mais influentes foi apresentada no final dos anos 1980 por Günter Wächtershäuser. Ele não era um cientista em tempo integral, mas sim um advogado especializado em patentes com formação em química.

Wächtershäuser propôs que os primeiros organismos eram “ drasticamente diferentes de tudo que conhecemos ”. Eles não eram feitos de células. Eles não tinham enzimas, DNA ou RNA.

Todas as outras coisas que constituem os organismos modernos - como DNA, células e cérebros - vieram depois

Em vez disso, Wächtershäuser imaginou um fluxo de água quente saindo de um vulcão. A água era rica em gases vulcânicos como a amônia e continha vestígios de minerais do coração do vulcão.

Onde a água fluía sobre as rochas, as reações químicas começaram a ocorrer. Em particular, os metais da água ajudaram os compostos orgânicos simples a se fundir em outros maiores.

O ponto de viragem foi a criação do primeiro ciclo metabólico. Este é um processo no qual um produto químico é convertido em uma série de outros produtos químicos, até que o produto químico original seja recriado. No processo, todo o sistema absorve energia, que pode ser usada para reiniciar o ciclo - e para começar a fazer outras coisas.

Os ciclos metabólicos podem não parecer reais, mas são fundamentais para a vida

Todas as outras coisas que constituem os organismos modernos - como DNA, células e cérebros - vieram depois, construídas por trás desses ciclos químicos.

Esses ciclos metabólicos não se parecem muito com a vida. Wächtershäuser chamou suas invenções de “organismos precursores” e escreveu que “mal podem ser chamados de vivos”.

Mas os ciclos metabólicos como os descritos por Wächtershäuser estão no cerne de todos os seres vivos. Suas células são essencialmente plantas microscópicas de processamento químico, transformando constantemente um produto químico em outro. Os ciclos metabólicos podem não parecer reais, mas são fundamentais para a vida.

Durante as décadas de 1980 e 1990, Wächtershäuser elaborou sua teoria em detalhes consideráveis. Ele descreveu quais minerais produziam as melhores superfícies e quais ciclos químicos poderiam ocorrer . Suas ideias começaram a atrair adeptos.

Mas tudo ainda era teórico. Wächtershäuser precisava de uma descoberta do mundo real que apoiasse suas ideias. Felizmente, ele já havia sido feito - uma década antes.

Vents in the Pacific (Crédito: Dr Bob Embley / NOAA / PMEL-NOAA Photo Library / CC por 2.0)

Vents in the Pacific (Crédito: Dr Bob Embley / NOAA / PMEL-NOAA Photo Library / CC por 2.0)

Em 1977, uma equipe liderada por Jack Corliss, da Oregon State University, desceu em um submersível 2,5 milhas no leste do Oceano Pacífico. Eles estavam pesquisando o ponto quente de Galápagos, onde altas cristas de rocha se elevam do fundo do mar. As cristas, eles sabiam, eram vulcanicamente ativas.

Cada respiradouro era uma espécie de distribuidor de sopa primordial

Corliss descobriu que as cristas eram marcadas por, essencialmente, fontes termais. Água quente, rica em produtos químicos, jorrava do fundo do mar e saía por buracos nas rochas .

Surpreendentemente, essas “fontes hidrotermais” eram densamente povoadas por animais estranhos. Havia enormes mariscos, lapas, mexilhões e vermes tubulares. A água também estava cheia de bactérias. Todos esses organismos viviam com a energia das fontes hidrotermais.

A descoberta de fontes hidrotermais tornou o nome de Corliss. Também o fez pensar. Em 1981, ele propôs que aberturas semelhantes existiam na Terra há quatro bilhões de anos e que eram o local de origem da vida . Ele passaria grande parte do resto de sua carreira trabalhando nessa ideia.

As fontes hidrotermais suportam uma vida estranha (Crédito: Dr. Ken MacDonald / Science Photo Library)

As fontes hidrotermais suportam uma vida estranha (Crédito: Dr. Ken MacDonald / Science Photo Library)

Corliss propôs que as fontes hidrotermais poderiam criar coquetéis de produtos químicos. Cada respiradouro, disse ele, era uma espécie de distribuidor de sopa primordial.

Compostos-chave como açúcares "sobreviveriam ... por segundos, no máximo"

À medida que a água quente fluía pelas rochas, o calor e a pressão faziam com que compostos orgânicos simples se fundissem em outros mais complexos, como aminoácidos, nucleotídeos e açúcares. Mais perto da fronteira com o oceano, onde a água não estava tão quente, eles começaram a se ligar em cadeias - formando carboidratos, proteínas e nucleotídeos como o DNA. Então, à medida que a água se aproximava do oceano e esfriava ainda mais, essas moléculas se reuniam em células simples.

Foi legal e chamou a atenção das pessoas . Mas Stanley Miller, cujo experimento seminal sobre a origem da vida discutimos no Capítulo Um, não estava convencido. Escrevendo em 1988 , ele argumentou que as aberturas estavam muito quentes.

Embora o calor extremo desencadeie a formação de substâncias químicas como os aminoácidos, os experimentos de Miller sugeriram que também os destruiria. Os principais compostos, como os açúcares, “sobreviveriam ... por segundos, no máximo”. Além do mais, é improvável que essas moléculas simples se liguem em cadeias, porque a água circundante quebraria as cadeias quase imediatamente.

Geólogo e pesquisador da origem da vida Michael Russell (Crédito: Nasa / JPL / CalTech)

Geólogo e pesquisador da origem da vida Michael Russell (Crédito: Nasa / JPL / CalTech)

Nesse ponto, o geólogo Mike Russell entrou na briga. Ele achava que a teoria da ventilação poderia funcionar, afinal . Além do mais, parecia-lhe que as aberturas eram o lar ideal para os organismos precursores de Wächtershäuser. Essa inspiração o levaria a criar uma das teorias mais amplamente aceitas sobre a origem da vida.

Se Russell estava correto, a vida começou no fundo do mar

Russell havia passado a infância produzindo aspirina, explorando minerais valiosos e - em um incidente notável na década de 1960 - coordenando a resposta a uma possível erupção vulcânica, apesar de não ter nenhum treinamento. Mas seu verdadeiro interesse era em como a superfície da Terra mudou ao longo das eras. Essa perspectiva geológica moldou suas idéias sobre a origem da vida .

Na década de 1980, ele encontrou evidências fósseis de um tipo menos extremo de fonte hidrotermal, onde as temperaturas estavam abaixo de 150 ° C. Essas temperaturas mais amenas, argumentou ele, permitiriam que as moléculas da vida sobrevivessem por muito mais tempo do que Miller imaginara.

Além do mais, os restos fósseis dessas aberturas mais frias continham algo estranho. Um mineral chamado pirita, que é feito de ferro e enxofre, formou tubos com cerca de 1 mm de diâmetro.

Em seu laboratório, Russell descobriu que a pirita também pode formar bolhas esféricas . Ele sugeriu que as primeiras moléculas orgânicas complexas se formaram dentro dessas estruturas simples de pirita.

Um pedaço de pirita de ferro (Crédito: James Petts, CC por 2.0)

Um pedaço de pirita de ferro (Crédito: James Petts, CC por 2.0)

Por volta dessa época, Wächtershäuser começou a publicar suas idéias, que dependiam de um fluxo de água quente rica em produtos químicos fluindo sobre um mineral. Ele até propôs que a pirita estava envolvida.

Sua ideia baseou-se no trabalho de um dos gênios esquecidos da ciência moderna

Então Russell juntou dois e dois . Ele sugeriu que as fontes hidrotermais no fundo do mar, mornas o suficiente para as estruturas de pirita se formarem, hospedavam os organismos precursores de Wächtershäuser. Se Russell estiver correto, a vida começa no fundo do mar - e o metabolismo aparece primeiro.

Russell expôs tudo isso em um artigo publicado em 1993 , 40 anos após o experimento clássico de Miller. Não teve a mesma cobertura animada da mídia, mas era indiscutivelmente mais importante. Russell combinou duas ideias aparentemente distintas - os ciclos metabólicos de Wächtershäuser e as fontes hidrotermais de Corliss - em algo verdadeiramente convincente.

Para torná-lo ainda mais impressionante, Russell também ofereceu uma explicação de como os primeiros organismos obtiveram sua energia. Em outras palavras, ele descobriu como seu metabolismo poderia ter funcionado. Sua ideia baseou-se no trabalho de um dos gênios esquecidos da ciência moderna.

Peter Mitchell ganharia um Prêmio Nobel por sua pesquisa (Crédito: INTERFOTO / Alamy)

Peter Mitchell ganharia um Prêmio Nobel por sua pesquisa (Crédito: INTERFOTO / Alamy)

Na década de 1960, o bioquímico Peter Mitchell adoeceu e foi forçado a renunciar à Universidade de Edimburgo. Em vez disso, ele montou um laboratório particular em uma mansão remota na Cornualha. Isolado da comunidade científica, seu trabalho foi parcialmente financiado por um rebanho de vacas leiteiras . Muitos bioquímicos, incluindo, inicialmente, Leslie Orgel , cujo trabalho com RNA discutimos no Capítulo Dois, pensaram que suas idéias eram totalmente ridículas.

Agora sabemos que o processo que Mitchell identificou é usado por todos os seres vivos na Terra

Menos de duas décadas depois, Mitchell alcançou a vitória final: o Prêmio Nobel de Química de 1978 . Ele nunca foi um nome familiar, mas suas idéias estão em todos os livros de biologia.

Mitchell passou sua carreira descobrindo o que os organismos fazem com a energia que obtêm dos alimentos. Na verdade, ele estava perguntando como todos nós permanecemos vivos de momento a momento.

Ele sabia que todas as células armazenam sua energia na mesma molécula: trifosfato de adenosina (ATP). A parte crucial é uma cadeia de três fosfatos, ancorada à adenosina. Adicionar o terceiro fosfato consome muita energia, que é então retida no ATP.

Quando uma célula precisa de energia - digamos, se um músculo precisa se contrair - ela quebra o terceiro fosfato de um ATP. Isso o transforma em difosfato de adenosina (ADP) e libera a energia armazenada.

Ele nunca foi um nome familiar

Mitchell queria saber como as células produziam o ATP em primeiro lugar. Como eles concentraram energia suficiente em um ADP, de modo que o terceiro fosfato se fixasse?

Mitchell sabia que a enzima que faz o ATP fica em uma membrana. Então ele sugeriu que a célula estava bombeando partículas carregadas chamadas prótons através da membrana, de modo que havia muitos prótons de um lado e quase nenhum do outro.

Os prótons então tentariam fluir de volta através da membrana para equilibrar o número de prótons em cada lado - mas o único lugar por onde eles poderiam passar era a enzima. O fluxo de prótons que passava deu à enzima a energia necessária para produzir ATP.

Veja como as células aproveitam a energia neste vídeo:

Mitchell apresentou essa ideia pela primeira vez em 1961 . Ele passou os próximos 15 anos defendendo-o de todos os adversários , até que as evidências se tornaram irrefutáveis. Agora sabemos que o processo que Mitchell identificou é usado por todos os seres vivos na Terra. Isso está acontecendo dentro de suas células agora. Como o DNA, é fundamental para a vida como a conhecemos.

As aberturas de Corliss não serviriam

O ponto-chave que Russell percebeu é o gradiente de prótons de Mitchell: ter muitos prótons de um lado da membrana e poucos do outro. Todas as células precisam de um gradiente de prótons para armazenar energia.

As células modernas criam os gradientes bombeando prótons através de uma membrana, mas isso envolve um maquinário molecular complexo que não pode simplesmente ter surgido. Portanto, Russell deu mais um salto lógico: a vida deve ter se formado em algum lugar com um gradiente natural de prótons.

Em algum lugar como um respiradouro hidrotérmico. Mas teria que ser um tipo específico de respiradouro. Quando a Terra era jovem, os mares eram ácidos, e a água ácida tem muitos prótons flutuando dentro dela. Para criar um gradiente de prótons, a água do respiradouro deve ter baixo teor de prótons: deve ser alcalina .

As aberturas de Corliss não funcionariam. Não só estavam muito quentes, como também eram ácidos. Mas em 2000, Deborah Kelley, da Universidade de Washington, descobriu as primeiras aberturas alcalinas.

Parte do campo hidrotérmico "Lost City" no Atlântico (Crédito: 916 Collection / Alamy)

Parte do campo hidrotérmico “Lost City” no Atlântico (Crédito: 916 Collection / Alamy)

Kelley teve que batalhar apenas para se tornar um cientista em primeiro lugar. Seu pai morreu quando ela estava terminando o ensino médio, e ela foi forçada a trabalhar muitas horas para se sustentar durante a faculdade.

Ele se convenceu de que aberturas como as de Lost City foram onde a vida começou

Mas ela conseguiu e ficou fascinada tanto pelos vulcões submarinos quanto pelas fontes hidrotermais escaldantes. Esses amores gêmeos eventualmente a levaram para o meio do Oceano Atlântico. Lá, a crosta terrestre está sendo dividida e uma cadeia de montanhas se eleva do fundo do mar.

Nesta crista, Kelley encontrou um campo de fontes hidrotermais que ela chamou de “Cidade Perdida”. Eles não são como os que Corliss encontrou. A água que flui deles tem apenas 40-75ºC e é ligeiramente alcalina. Minerais de carbonato dessa água aglomeraram-se em "chaminés" brancas e íngremes que se erguem do fundo do mar como tubos de órgão. Sua aparência é assustadora e fantasmagórica, mas isso é enganoso: eles são o lar de densas comunidades de microorganismos que prosperam na água do respiradouro.

Essas aberturas alcalinas eram o ajuste perfeito para as idéias de Russell. Ele se convenceu de que aberturas como as de Lost City foram onde a vida começou.

Mas ele tinha um problema. Por ser geólogo, ele não sabia o suficiente sobre células biológicas para tornar sua teoria realmente convincente.

Respiradouro hidrotérmico "Black smoker" (Crédito: NOAA PMEL Vents Program / Science Photo Library)

Respiradouro hidrotermal “Black smoker” (Crédito: NOAA PMEL Vents Program / Science Photo Library)

Então Russell se juntou ao biólogo William Martin , um americano combativo que passou a maior parte de sua carreira na Alemanha. Em 2003, a dupla apresentou uma versão aprimorada das ideias anteriores de Russell . É sem dúvida a história mais desenvolvida de como a vida começou.

Esta história é agora considerada uma das principais hipóteses para a origem da vida

Graças a Kelley, eles agora sabiam que as rochas das aberturas alcalinas eram porosas: estavam cheias de buracos minúsculos cheios de água. Esses bolsinhos, sugeriam eles, funcionavam como “células”. Cada bolsa continha produtos químicos essenciais, incluindo minerais como a pirita. Combinado com o gradiente natural de prótons da abertura, eles eram o local ideal para o início do metabolismo.

Depois que a vida aproveitou a energia química da água do respiradouro, dizem Russell e Martin, ela começou a produzir moléculas como o RNA. Eventualmente, ele criou sua própria membrana e tornou-se uma célula verdadeira, escapando da rocha porosa para o mar aberto.

Essa história é agora considerada uma das principais hipóteses para a origem da vida.

Células escapando de fontes hidrotermais (crédito: Richard Bizley / Science Photo Library)

Células escapando de fontes hidrotermais (crédito: Richard Bizley / Science Photo Library)

Ele encontrou um apoio poderoso em julho de 2016, quando Martin publicou um estudo reconstruindo algumas das características do “último ancestral comum universal” (LUCA). Este é o organismo que viveu bilhões de anos atrás e do qual toda a vida existente descende.

Apoiadores do RNA World dizem que a teoria da ventilação tem dois problemas

Provavelmente nunca encontraremos evidências fósseis diretas de LUCA, mas ainda podemos fazer uma suposição fundamentada de como ele poderia ter se parecido e se comportado observando os microrganismos que sobrevivem hoje. Isso é o que Martin fez.

Ele examinou o DNA de 1.930 microrganismos modernos e identificou 355 genes que quase todos eles possuíam. Isso é indiscutivelmente evidência de que esses 355 genes foram transmitidos, de geração em geração, desde que os 1.930 micróbios compartilharam um ancestral comum - aproximadamente na época em que LUCA estava vivo.

Os 355 genes incluíam alguns para controlar um gradiente de prótons, mas não genes para gerar um - exatamente como as teorias de Russell e Martin previam. Além do mais, o LUCA parece ter sido adaptado à presença de substâncias químicas como o metano, o que sugere que ele habitava um ambiente com atividade vulcânica - como um respiradouro.

Apesar disso, os apoiadores do RNA World dizem que a teoria da ventilação tem dois problemas. Um poderia ser potencialmente corrigido: o outro poderia ser fatal.

Os respiradouros são o lar de organismos estranhos (Crédito: AD Rogers et al, PLoS Biology, CC por 2.5)

Hydrothermal vents are home to strange organisms like these anomuran crabs (Credit: A. D. Rogers et al, PLoS Biology, CC by 2.5)

The first problem is that there is no experimental evidence for the processes Russell and Martin describe. They have a step-by-step story, but none of the steps have been seen in a lab.

“The people who think replication was first, they continuously provide new experimental data,” says origin-of-life expert Armen Mulkidjanian. “The people who favour metabolism-first do not.”

The chemistry of all these molecules is incompatible with water

Isso pode mudar, graças ao colega de Martin, Nick Lane, da University College London. Ele construiu um “ reator de origem da vida ”, que simulará as condições dentro de um respiradouro alcalino. Ele espera observar ciclos metabólicos e talvez até moléculas como o RNA. Mas ainda é cedo.

O segundo problema é a localização das aberturas no fundo do mar. Como Miller apontou em 1988, moléculas de cadeia longa como RNA e proteínas não podem se formar na água sem enzimas para ajudá-las.

Para muitos pesquisadores, este é um argumento decisivo. “Se você tem formação em química, não pode comprar a ideia de aberturas de águas profundas, porque você sabe que a química de todas essas moléculas é incompatível com a água”, diz Mulkidjanian.

Independentemente disso, Russell e seus aliados continuam otimistas.

Mas, na última década, uma terceira abordagem veio à tona, apoiada por uma série de experimentos extraordinários. Isso promete algo que nem o RNA World nem as fontes hidrotermais conseguiram até agora: uma maneira de fazer uma célula inteira do zero.

Indiscutivelmente, não pode haver vida sem células (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Indiscutivelmente, não pode haver vida sem células (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Capítulo 5. Como fazer uma célula

No início dos anos 2000, havia duas ideias importantes sobre como a vida poderia ter começado. Os defensores do “Mundo do RNA” estavam convencidos de que a vida começou com uma molécula auto-replicante. Enquanto isso, os cientistas do campo “primeiro o metabolismo” desenvolveram uma narrativa detalhada sobre como a vida poderia ter começado em fontes hidrotermais no fundo do mar. No entanto, uma terceira ideia estava para vir à tona.

Cada coisa viva na Terra é feita de células. Cada célula é basicamente uma bola mole, com uma parede externa resistente ou “membrana”.

O objetivo de uma célula é manter todos os elementos essenciais da vida juntos . Se a parede externa se rasga, as entranhas se derramam e a célula morre - assim como uma pessoa estripada geralmente não tem muito tempo de vida.

No calor e na tempestade da Terra primitiva, algumas matérias-primas devem ter se reunido em células brutas

A parede externa da célula é tão essencial que alguns pesquisadores da origem da vida argumentam que deve ter sido a primeira coisa a surgir. Eles acham que os esforços de “primeiro a genética” discutidos no Capítulo Três e as idéias de “primeiro o metabolismo” discutidas no Capítulo Quatro estão errados. Sua alternativa - “compartimentalização primeiro” - tem seu campeão em Pier Luigi Luisi da Roma Tre University em Roma, Itália.

O raciocínio de Luisi é simples e difícil de argumentar. Como você poderia configurar um metabolismo funcional ou um RNA auto-replicante, cada um dos quais depende de ter muitos produtos químicos em um só lugar, a menos que primeiro você tenha um recipiente para manter todas as moléculas dentro?

Se você aceitar isso, só há uma maneira pela qual a vida poderia ter começado. De alguma forma, no calor e na tempestade da Terra primitiva, algumas matérias-primas devem ter se reunido em células brutas, ou “protocélulas”. O desafio é fazer isso acontecer em um laboratório: criar uma célula viva simples.

Todas as coisas vivas são feitas de células (Crédito: Cultura Creative RF / Alamy)

Todas as coisas vivas são feitas de células (Crédito: Cultura Creative RF / Alamy)

Luisi pode rastrear suas idéias desde Alexander Oparin e o alvorecer da ciência da origem da vida na URSS - discutido no Capítulo Um. Oparin destacou o fato de que certos produtos químicos se formam em bolhas chamadas coacervatos, que podem conter outras substâncias em seus núcleos. Ele sugeriu que esses coacervados foram as primeiras protocélulas.

O desafio era fazer as protocélulas com as coisas certas

Qualquer substância gordurosa ou oleosa formará bolhas ou filmes na água. Esses produtos químicos são conhecidos coletivamente como lipídios, e a ideia de que formaram a primeira vida foi chamada de “ Lipid World “.

Mas apenas formar bolhas não é suficiente. As bolhas precisam ser estáveis, precisam ser capazes de se dividir para formar bolhas "filhas" e precisam de pelo menos algum controle sobre o que entra e sai delas - tudo sem as proteínas elaboradas que as células modernas usam para conseguir essas coisas .

O desafio era fazer as protocélulas com o material certo. Apesar de experimentar muitas substâncias ao longo das décadas, Luisi nunca fez nada realista o suficiente para ser convincente.

De alguma forma, as células se formaram (Crédito: Christian Jegou / Publiphoto Diffusion / Science Photo Library)

De alguma forma, as células se formaram (Crédito: Christian Jegou / Publiphoto Diffusion / Science Photo Library)

Then in 1994, Luisi made a daring suggestion. He proposed that the first protocells must have contained RNA. What’s more, this RNA must have been able to replicate inside the protocell.

We would meet at origins meetings and get into these long arguments

It was a big ask, and it meant abandoning the pure compartmentalisation-first approach. But Luisi had good reasons.

A cell with an outer wall, but no genes inside it, could not do anything much. It might be able to divide into daughter cells, but it could not pass on any information about itself to its offspring. It could only start evolving and becoming more complex if it contained some genes.

Essa ideia logo ganharia um apoiador crucial em Jack Szostak, cujo trabalho sobre a hipótese do Mundo RNA exploramos no Capítulo Três. Enquanto Luisi era membro do campo da compartimentação primeiro, Szostak apoiava a genética primeiro, então por muitos anos eles não tinham se entendido.

Quase toda a vida é unicelular (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

Quase toda a vida é unicelular (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

“Nós nos encontrávamos nas reuniões de origens e discutíamos longamente sobre o que era mais importante e o que vinha primeiro”, lembra Szostak. “Eventualmente, percebemos que as células têm ambos. Chegamos a um consenso de que, para a origem da vida, era fundamental ter compartimentação e um sistema genético ”.

Szostak e dois colegas anunciaram um grande sucesso

Em 2001, Szostak e Luisi defenderam essa abordagem mais unificada . Escrevendo na Nature , eles argumentaram que deveria ser possível fazer células vivas simples do zero, hospedando RNAs replicantes em uma bolha simples de gordura.

Foi uma ideia dramática, e Szostak logo decidiu colocar seu dinheiro onde estava sua boca. Raciocinando que “não podemos lançar essa teoria sem nada que a apoie”, ele decidiu começar a experimentar com protocélulas.

Dois anos depois, Szostak e dois colegas anunciaram um grande sucesso.

As vesículas são recipientes simples (Crédito: Alfred Pasieka / Science Photo Library)

As vesículas são recipientes simples feitos de lipídios (Crédito: Alfred Pasieka / Science Photo Library)

Eles haviam feito experiências com vesículas: bolhas esféricas, com duas camadas de ácidos graxos do lado de fora e um núcleo central de líquido.

A montmorilonita, e argilas semelhantes, podem ser importantes na origem da vida

Tentando encontrar uma maneira de acelerar a formação das vesículas, eles adicionaram pequenas partículas de uma espécie de argila chamada montmorilonita.

Isso fez com que as vesículas se formassem 100 vezes mais rápido. A superfície da argila agia como um catalisador, assim como faria uma enzima.

Além do mais, as vesículas podem absorver partículas de montmorilonita e fios de RNA da superfície da argila. Essas protocélulas agora continham genes e um catalisador , tudo a partir de uma configuração simples.

A decisão de adicionar montmorilonita não foi tomada por capricho. Várias décadas de trabalho sugeriram que a montmorilonita, e argilas como ela , podem ser importantes na origem da vida .

Este pedaço de argila é principalmente montmorilonita (Crédito: Susan E. Degginger / Alamy)

Este pedaço de argila é principalmente montmorilonita (Crédito: Susan E. Degginger / Alamy)

A montmorilonita é uma argila comum. Hoje em dia é utilizado para todo o tipo de coisas, incluindo fazer maca para gatos. Ela se forma quando a cinza vulcânica é decomposta pelo clima. Como a Terra primitiva tinha muitos vulcões, parece provável que a montmorilonita fosse abundante.

Em 1986, o químico James Ferris mostrou que a montmorilonita é um catalisador que ajuda a formar moléculas orgânicas . Mais tarde, ele descobriu que também acelera a formação de pequenos RNAs .

Isso levou Ferris a especular que essa argila de aparência comum era o local de origem da vida. Szostak pegou essa ideia e a pôs em prática, usando a montmorilonita para ajudar a construir suas protocélulas.

Se as protocélulas pudessem crescer, talvez também pudessem se dividir

Um ano depois, a equipe de Szostak descobriu que suas protocélulas podiam crescer por conta própria.

À medida que mais moléculas de RNA eram empacotadas em uma protocélula, a parede externa ficava sob tensão crescente. Era como se a protocélula estivesse com o estômago cheio e pudesse estourar.

Para compensar, a protocélula pegou mais ácidos graxos e os incorporou em sua parede, permitindo que ela aumentasse de tamanho e liberasse a tensão.

Crucialmente, ele retirou os ácidos graxos de outras protocélulas que continham menos RNA, fazendo com que encolhessem. Isso significava que as protocélulas estavam competindo e aquelas com mais RNA estavam ganhando .

Isso sugeria algo ainda mais impressionante. Se as protocélulas pudessem crescer, talvez também pudessem se dividir. As protocélulas de Szostak poderiam se reproduzir?

As células se reproduzem dividindo-se em duas (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

As células se reproduzem dividindo-se em duas (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

Os primeiros experimentos de Szostak mostraram uma maneira de fazer as protocélulas se dividirem. Espremê-los através de pequenos orifícios esticou-os em tubos, que então se quebraram em protocélulas "filhas".

As protocélulas cresceram e mudaram de forma, alongando-se em longos fios em forma de corda

Isso foi legal, porque nenhum mecanismo celular estava envolvido: apenas a aplicação de pressão. Mas não foi uma grande solução, pois as protocélulas perderam parte de seu conteúdo no processo. Também implicava que as primeiras células só poderiam se dividir se fossem empurradas através de pequenos orifícios.

Existem muitas maneiras de fazer as vesículas se dividirem: por exemplo, adicionando uma forte corrente de água que cria uma força de cisalhamento. O truque era fazer as protocélulas se dividirem sem derramar suas entranhas.

Em 2009, Szostak e seu aluno Ting Zhu encontraram uma solução. Eles fizeram protocélulas um pouco mais complexas, com várias paredes externas concêntricas um pouco como as camadas de uma cebola. Apesar de sua complexidade, essas protocélulas ainda eram fáceis de fazer.

À medida que Zhu os alimentava com cada vez mais ácidos graxos, as protocélulas cresciam e mudavam de forma, alongando-se em longos fios semelhantes a cordas. Uma vez que uma protocélula era longa o suficiente, uma força de cisalhamento suave era suficiente para quebrá-la em dezenas de pequenas protocélulas filhas .

Cada protocélula filha continha RNAs da protocélula mãe e quase nenhum RNA foi perdido. Além do mais, as protocélulas podiam executar o ciclo repetidamente, com as protocélulas filhas crescendo e se dividindo.

Em experimentos posteriores, Zhu e Szostak encontraram ainda mais maneiras de persuadir as protocélulas a se dividirem . Esse aspecto do problema, pelo menos, parece estar resolvido.

No entanto, as protocélulas ainda não estavam fazendo o suficiente. Luisi queria que as protocélulas hospedassem o RNA replicante, mas até agora o RNA estava simplesmente sentado nelas sem fazer nada.

Havia pistas valiosas enterradas naqueles papéis empoeirados

Para realmente mostrar que suas protocélulas poderiam ter sido a primeira vida na Terra, Szostak precisava persuadir o RNA dentro delas a se replicar.

Isso não seria fácil porque, apesar de décadas de tentativas - delineadas no Capítulo Três - ninguém havia conseguido fazer um RNA que pudesse se auto-replicar. Esse era exatamente o problema que havia impedido Szostak em seu trabalho inicial no RNA World, e que ninguém mais conseguiu resolver.

Então ele voltou e releu o trabalho de Leslie Orgel, que havia passado tanto tempo trabalhando na hipótese do Mundo RNA. Havia pistas valiosas enterradas naqueles papéis empoeirados.

As primeiras células tiveram que hospedar a química da vida (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

As primeiras células tiveram que hospedar a química da vida (Crédito: Science Photo Library / Alamy)

Orgel passou grande parte das décadas de 1970 e 1980 estudando como as fitas de RNA são copiadas.

Pode ter sido assim que a primeira vida fez cópias de seus genes

Em essência, é simples. Pegue uma única fita de RNA e um pool de nucleotídeos soltos. Em seguida, use esses nucleotídeos para montar uma segunda fita de RNA que é complementar à primeira.

Por exemplo, uma fita de RNA que diz “CGC” irá produzir uma fita complementar que diz “GCG”. Se você fizer isso duas vezes, obterá uma cópia do “CGC” original, apenas de forma indireta.

Orgel descobriu que, em certas circunstâncias, as fitas de RNA podiam ser copiadas dessa forma sem a ajuda de enzimas. Pode ter sido assim que a primeira vida fez cópias de seus genes.

Em 1987, Orgel podia pegar uma fita de RNA com 14 nucleotídeos de comprimento e criar fitas complementares que também tinham 14 nucleotídeos . Ele não conseguiu mais nada, mas foi o suficiente para intrigar Szostak . Sua aluna Katarzyna Adamala tentou obter essa reação nas protocélulas.

Eles construíram protocélulas que mantêm seus genes enquanto absorvem moléculas úteis de fora

Eles descobriram que a reação precisava de magnésio para funcionar, o que era um problema porque o magnésio destruía as protocélulas. Mas havia uma solução simples: citrato, que é quase idêntico ao ácido cítrico em limões e laranjas e que é encontrado em todas as células vivas de qualquer maneira.

Em um estudo publicado em 2013 , eles adicionaram citrato e descobriram que ele se prendia ao magnésio, protegendo as protocélulas e permitindo que a cópia do modelo continuasse.

Em outras palavras, eles alcançaram o que Luisi havia proposto em 1994. “Começamos a fazer química de replicação de RNA dentro dessas vesículas de ácido graxo”, diz Szostak.

As protocélulas de Szostak podem sobreviver ao calor extremo (Crédito: Jon Sullivan, PDPhoto.org)

As protocélulas de Szostak podem sobreviver ao calor extremo (Crédito: Jon Sullivan, PDPhoto.org )

Em pouco mais de uma década de pesquisa, a equipe de Szostak realizou algo notável.

Eles construíram protocélulas que mantêm seus genes enquanto absorvem moléculas úteis de fora. As protocélulas podem crescer e se dividir e até competir entre si. O RNA pode se replicar dentro deles. Em qualquer medida, eles são surpreendentemente realistas.

A abordagem de Szostak foi contra 40 anos de trabalho sobre a origem da vida

Eles também são resilientes. Em 2008, a equipe de Szostak descobriu que as protocélulas poderiam sobreviver sendo aquecidas a 100 ° C , uma temperatura que obliteraria a maioria das células modernas. Isso reforçou o caso de que as protocélulas eram semelhantes à primeira vida, que deve ter suportado o calor escaldante de impactos constantes de meteoros.

“Szostak está fazendo um ótimo trabalho”, disse Armen Mulkidjanian.

Mesmo assim, a abordagem de Szostak ia contra 40 anos de trabalho sobre a origem da vida. Em vez de focar na “replicação primeiro” ou “compartimentação primeiro”, ele encontrou maneiras de fazer com que as duas coisas acontecessem praticamente ao mesmo tempo.

Isso inspiraria uma nova abordagem unificada da origem da vida, que tenta impulsionar todas as funções da vida de uma vez. Essa ideia “tudo em primeiro lugar” já acumulou uma riqueza de evidências e pode potencialmente resolver todos os problemas com as ideias existentes.

As moléculas da vida se comportam de maneiras incrivelmente complexas (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

As moléculas da vida se comportam de maneiras incrivelmente complexas (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Capítulo 6. A grande unificação

Ao longo da segunda metade do século 20, pesquisadores da origem da vida trabalharam em tribos. Cada grupo favorecia sua própria narrativa e, na maioria das vezes, descartava hipóteses concorrentes. Essa abordagem certamente foi bem-sucedida, como evidenciado pelos capítulos anteriores, mas toda ideia promissora para a origem da vida acabou encontrando um grande problema. Portanto, alguns pesquisadores agora estão tentando uma abordagem mais unificada.

Essa ideia teve seu primeiro grande impulso há alguns anos, a partir de um resultado que, aparentemente, parecia apoiar o RNA World tradicional, com replicação inicial.

Todos os componentes-chave da vida podem ser formados de uma vez

Em 2009, os apoiadores do RNA World tiveram um grande problema. Eles não podiam fazer nucleotídeos, os blocos de construção do RNA, de uma forma que poderia ter acontecido na Terra primitiva. Isso, como aprendemos no Capítulo Três, levou as pessoas a suspeitar que a primeira vida não se baseava em RNA.

John Sutherland vinha pensando sobre esse problema desde os anos 1980. “Eu pensei, se você pudesse demonstrar que o RNA pode se automontar, isso seria uma coisa legal de se fazer”, diz ele.

Felizmente para Sutherland, ele conseguiu um emprego no Laboratório de Biologia Molecular (LMB) em Cambridge, Reino Unido. A maioria das instituições de pesquisa força sua equipe a constantemente produzir novas descobertas, mas o LMB não. Então Sutherland poderia pensar sobre por que era tão difícil fazer um nucleotídeo de RNA e passar anos desenvolvendo uma abordagem alternativa.

Sua solução o levaria a propor uma ideia nova e radical sobre a origem da vida, a saber, que todos os componentes-chave da vida poderiam ser formados ao mesmo tempo.

A Terra é o único lugar onde encontramos vida (Crédito: Nasa)

A Terra é o único lugar onde encontramos vida (Crédito: Nasa)

“Havia certos aspectos-chave da química do RNA que não funcionavam”, diz Sutherland. Cada nucleotídeo de RNA é feito de um açúcar, uma base e um fosfato. Mas foi impossível persuadir o açúcar e a base a se juntarem. As moléculas simplesmente tinham o formato errado.

Ele acredita que o RNA estava fortemente envolvido, mas não era o fim de tudo

Então Sutherland começou a experimentar substâncias totalmente diferentes. Eventualmente, sua equipe encontrou cinco moléculas simples, incluindo um açúcar diferente e cianamida, que, como o nome sugere, está relacionado ao cianeto. A equipe colocou esses produtos químicos em uma série de reações que acabaram produzindo dois dos quatro nucleotídeos do RNA, sem nunca produzir açúcares ou bases autônomas.

Foi um grande sucesso e fez o nome de Sutherland.

Muitos observadores interpretaram as descobertas como mais evidências para o RNA World . Mas o próprio Sutherland não vê as coisas assim de forma alguma.

A hipótese “clássica” do mundo do RNA afirma que, nos primeiros organismos, o RNA era responsável por todas as funções da vida. Mas Sutherland diz que isso é “extremamente otimista”. Ele acredita que o RNA estava fortemente envolvido, mas não era tudo.

As moléculas eram simplesmente do formato errado

Em vez disso, ele se inspira no trabalho recente de Jack Szostak, que - conforme discutido no Capítulo 5 - combina o RNA World “replicação primeiro” com as ideias de “compartimentalização primeiro” de Pier Luigi Luisi.

Mas Sutherland vai mais longe. Sua abordagem é “tudo em primeiro lugar”. Ele pretende fazer uma célula inteira se montar, do zero.

Sua primeira pista foi um detalhe estranho sobre sua síntese de nucleotídeos, que a princípio pareceu acidental.

A vida precisa de uma ampla mistura de produtos químicos (Crédito: Laboratório de Ciências / Alamy)

A vida precisa de uma ampla mistura de produtos químicos (Crédito: Laboratório de Ciências / Alamy)

A última etapa do processo de Sutherland era lançar um fosfato no nucleotídeo. Mas ele descobriu que era melhor incluir o fosfato na mistura desde o início, porque ele acelerou as reações anteriores.

À primeira vista, incluir o fosfato antes de ser estritamente necessário era uma coisa complicada de se fazer, mas Sutherland descobriu que essa bagunça era uma coisa boa.

Faça a mistura complicada o suficiente e todos os componentes da vida podem se formar de uma vez

Isso o levou a pensar sobre como suas misturas deveriam ser confusas. Na Terra primitiva, deve ter havido dezenas ou centenas de produtos químicos flutuando juntos. Isso soa como uma receita para uma lama, mas talvez houvesse um nível ideal de bagunça.

As misturas que Stanley Miller fez na década de 1950, que vimos no Capítulo Um, eram muito mais confusas do que as de Sutherland. Eles continham moléculas biológicas, mas Sutherland diz que “estavam em pequenas quantidades e eram acompanhados por um grande número de outros compostos, que não são biológicos”.

Para Sutherland, isso significava que a configuração de Miller não era boa o suficiente. Estava muito bagunçado, então os bons produtos químicos se perderam na mistura.

Então Sutherland decidiu encontrar uma “química Goldilocks”: uma que não seja tão confusa a ponto de se tornar inútil, mas também não tão simples a ponto de ser limitada no que pode fazer. Torne a mistura complicada o suficiente e todos os componentes da vida podem se formar de uma vez e depois se unir.

Em outras palavras, há quatro bilhões de anos havia um lago na Terra. Ele ficou lá por anos até que a mistura de produtos químicos estava certa. Então, talvez em poucos minutos, a primeira célula passou a existir.

Um punhado de produtos químicos não é suficiente para fazer vida (Crédito: JG Photography / Alamy)

Um punhado de produtos químicos não é suficiente para fazer vida (Crédito: JG Photography / Alamy)

Isso pode parecer implausível, como as afirmações dos alquimistas medievais. Mas as evidências de Sutherland estão aumentando. Desde 2009, ele mostrou que a mesma química que fez seus dois nucleotídeos de RNA também pode fazer muitas das outras moléculas da vida.

Toda a nossa abordagem da origem da vida nos últimos 40 anos foi errada

O próximo passo óbvio era fazer mais nucleotídeos de RNA. Ele ainda não conseguiu isso, mas em 2010 ele fez moléculas intimamente relacionadas que poderiam potencialmente se transformar em nucleotídeos.

Da mesma forma, em 2013 ele fez os precursores de aminoácidos. Desta vez, ele precisava adicionar cianeto de cobre para fazer as reações acontecerem.

Produtos químicos relacionados ao cianeto estavam provando ser um tema comum e, em 2015, Sutherland os levou ainda mais longe. Ele mostrou que o mesmo pote de produtos químicos também pode produzir os precursores dos lipídios , as moléculas que compõem as paredes celulares. As reações eram todas impulsionadas pela luz ultravioleta, envolviam enxofre e dependiam do cobre para acelerá-las.

A vida precisa de um rico coquetel de produtos químicos para se formar (Crédito: Radius Images / Alamy)

A vida precisa de um rico coquetel de produtos químicos para se formar (Crédito: Radius Images / Alamy)

“Todos os blocos de construção [emergem] de um núcleo comum de reações químicas”, diz Szostak.

Os experimentos estavam muito limpos

Se Sutherland estiver certo, então toda a nossa abordagem da origem da vida nos últimos 40 anos foi errada. Desde que a complexidade da célula se tornou clara, os cientistas têm trabalhado na suposição de que as primeiras células devem ter sido construídas gradualmente, uma peça de cada vez.

Seguindo a proposta de Leslie Orgel de que o RNA veio primeiro, os pesquisadores têm “tentado obter uma coisa antes da outra, e então fazer com que inventem a outra”, diz Sutherland. Mas ele acha que a melhor maneira é fazer tudo de uma vez.

“O que fizemos foi desafiar a ideia de que é muito complicado fazer tudo de uma vez”, diz Sutherland. “Você certamente poderia fazer os blocos de construção para todos os sistemas de uma vez.”

Szostak agora suspeita que a maioria das tentativas de fazer as moléculas da vida e montá-las em células vivas falhou pelo mesmo motivo: os experimentos eram limpos demais.

Eu realmente voltei à ideia de que o primeiro polímero era algo muito próximo ao RNA

Os cientistas usaram o punhado de produtos químicos em que estavam interessados ??e deixaram de fora todos os outros que provavelmente estavam presentes na Terra primitiva. Mas o trabalho de Sutherland mostra que, adicionando mais alguns produtos químicos à mistura , fenômenos mais complexos podem ser criados.

Szostak experimentou isso sozinho em 2005, quando estava tentando fazer com que suas protocélulas hospedassem uma enzima de RNA. A enzima precisava de magnésio, que destruiu as membranas das protocélulas.

A solução foi surpreendente. Em vez de fazer as vesículas de um ácido graxo puro, eles as fizeram de uma mistura de dois . Essas novas vesículas impuras poderiam lidar com o magnésio - e isso significava que poderiam ser hospedeiras de enzimas de RNA ativas.

Além do mais, Szostak diz que os primeiros genes também podem ter adotado a confusão.

O DNA é feito de moléculas menores chamadas de nucleotídeos (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

O DNA é feito de moléculas menores chamadas de nucleotídeos (Crédito: Equinox Graphics Ltd)

Os organismos modernos usam DNA puro para transportar seus genes, mas o DNA puro provavelmente não existia no início. Teria havido uma mistura de nucleotídeos de RNA e nucleotídeos de DNA.

Em 2012, Szostak mostrou que essa mistura poderia se reunir em moléculas de “mosaico” que se pareciam e se comportavam muito bem como RNA puro. Essas cadeias de RNA / DNA misturadas poderiam até mesmo se dobrar perfeitamente.

Há um problema para o qual nem Sutherland nem Szostak encontraram uma solução para

Isso sugeria que não importava se os primeiros organismos não pudessem fazer RNA puro ou DNA puro. “Eu realmente voltei à ideia de que o primeiro polímero era algo muito próximo ao RNA, uma versão mais confusa do RNA”, diz Szostak.

Pode até haver espaço para as alternativas ao RNA que foram preparadas em laboratórios, como o TNA e o PNA que conhecemos no Capítulo Três. Não sabemos se algum deles já existiu na Terra, mas se existiram, os primeiros organismos podem muito bem tê-los usado junto com o RNA.

Este não era um Mundo RNA: era um “ Mundo Hodge-Podge “.

A lição desses estudos é que fazer a primeira célula pode não ter sido tão difícil quanto parecia antes. Sim, as células são máquinas intrincadas. Mas acontece que eles ainda funcionam, embora não tão bem, quando são jogados juntos desajeitadamente de tudo o que está à mão.

Essas células desajeitadas podem parecer improváveis ??de sobreviver na Terra primitiva. Mas eles não teriam tido muita competição e não havia predadores ameaçadores, então em muitos aspectos a vida pode ter sido mais fácil então do que é agora.

A Terra foi atingida por meteoros (Crédito: Chris Butler / Science Photo Library)

A Terra foi atingida por meteoros em seus primeiros anos (Crédito: Chris Butler / Science Photo Library)

Há um problema para o qual nem Sutherland nem Szostak encontraram uma solução, e é um grande problema. O primeiro organismo deve ter tido alguma forma de metabolismo. Desde o início, a vida precisava obter energia ou teria morrido.

A vida pode ter sido mais fácil então do que agora

Nesse ponto, senão em nada mais, Sutherland concorda com Mike Russell, Bill Martin e os outros defensores das teorias do metabolismo primeiro do Capítulo Quatro. “Enquanto os caras do RNA brigavam com os caras do metabolismo, os dois lados tinham razão”, diz Sutherland.

“As origens do metabolismo precisam estar lá de alguma forma”, diz Szostak. “A fonte de energia química vai ser a grande questão.”

Mesmo que Martin e Russell estejam errados sobre a vida começando em aberturas de águas profundas, muitos elementos de sua teoria estão quase certamente corretos. Um é a importância dos metais para o nascimento da vida.

Esta enzima tem um íon metálico em seu núcleo (Crédito: Laguna Design / Science Photo Library)

Esta enzima tem um íon metálico em seu núcleo (Crédito: Laguna Design / Science Photo Library)

Na natureza, muitas enzimas têm um átomo de metal em seu núcleo. Esta é frequentemente a parte “ativa” da enzima, com o resto da molécula essencialmente uma estrutura de suporte. A primeira vida não pode ter tido essas enzimas complexas, então, em vez disso, provavelmente usou metais “nus” como catalisadores.

A vida não pode ter começado no fundo do mar

Günter Wächtershäuser fez isso quando sugeriu que a vida se formava na pirita de ferro. Da mesma forma, Russell enfatiza que as águas das fontes hidrotermais são ricas em metais, que poderiam atuar como catalisadores - e o estudo de Martin sobre o LUCA encontrou muitas enzimas à base de ferro.

À luz disso, é revelador que muitas das reações químicas de Sutherland dependem do cobre (e, incidentalmente, do enxofre que Wächtershäuser também enfatizou) e que o RNA nas protocélulas de Szostak precisa de magnésio.

Ainda pode ser que as fontes hidrotermais se revelem cruciais. “Se você olhar para o metabolismo moderno, verá que existem todas essas coisas realmente sugestivas, como aglomerados de ferro e enxofre”, diz Szostak. Isso se encaixa na ideia de que a vida começou dentro ou ao redor de um respiradouro, onde a água é rica em ferro e enxofre.

Dito isso, se Sutherland e Szostak estão no caminho certo, um aspecto da teoria do respiradouro está definitivamente errado: a vida não pode ter começado no fundo do mar.

Talvez a vida tenha começado em um mar raso (Crédito: ArteSub / Alamy)

Talvez a vida tenha começado em um mar raso (Crédito: ArteSub / Alamy)

“A química que descobrimos é muito dependente de UV [luz ultravioleta]”, diz Sutherland. A única fonte de radiação ultravioleta é o Sol, então suas reações só podem ocorrer em lugares ensolarados. “Isso exclui um cenário de ventilação em alto mar.”

Talvez a vida tenha começado em terra, em uma lagoa vulcânica

Szostak concorda que o mar profundo não é o berçário da vida. “O pior é que está isolado da química atmosférica, que é a fonte de matérias-primas de alta energia como o cianeto.”

Mas esses problemas não excluem totalmente as fontes hidrotermais. Talvez as aberturas fossem simplesmente em águas rasas, onde a luz do sol e o cianeto pudessem alcançá-las.

Armen Mulkidjanian sugeriu uma alternativa. Talvez a vida tenha começado em terra, em uma lagoa vulcânica.

Talvez a vida tenha começado em uma lagoa vulcânica (Crédito: Cothron Photography / Alamy)

Talvez a vida tenha começado em um lago vulcânico como este no Parque Nacional de Yellowstone, EUA (Crédito: Cothron Photography / Alamy)

Mulkidjanian analisou a composição química das células: especificamente, quais produtos químicos eles permitem e quais não deixam entrar. Acontece que todas as células, independentemente do organismo a que pertençam, contêm muito fosfato, potássio e outros metais - mas quase nenhum sódio.

Meu cenário favorito no momento seria algum tipo de lagos rasos ou lagoas na superfície

Hoje em dia, as células conseguem isso bombeando coisas para dentro e para fora, mas as primeiras células não podem fazê-lo porque não teriam o maquinário necessário. Portanto, Mulkidjanian sugeriu que as primeiras células se formaram em algum lugar que tinha aproximadamente a mesma mistura de substâncias químicas que as células modernas.

Isso elimina imediatamente o oceano. As células contêm níveis muito mais altos de potássio e fosfato do que o oceano jamais, e muito menos sódio.

Em vez disso, ele aponta para as lagoas geotérmicas encontradas perto de vulcões ativos . Essas lagoas contêm exatamente o coquetel de metais encontrados nas células.

As fontes termais poderiam ter sido o berço da vida (Crédito: Brocken Inaglory, CC por 3.0)

As fontes termais poderiam ter sido o berço da vida (Crédito: Brocken Inaglory, CC por 3.0)

Szostak é um fã. “Acho que meu cenário favorito no momento seria algum tipo de lagos ou lagoas rasas na superfície, em uma área geotermicamente ativa”, diz ele. “Você tem fontes hidrotermais, mas não como as fontes do fundo do mar, mais parecido com o tipo de fontes que temos em áreas vulcânicas como Yellowstone.”

A Terra foi atingida por meteoritos ao longo de seu primeiro meio bilhão de anos de existência

A química de Sutherland pode muito bem funcionar em um lugar assim. As nascentes têm os produtos químicos certos, o nível da água flutua, então alguns lugares às vezes secam e há bastante radiação ultravioleta do sol.

Além do mais, Szostak diz que os lagos seriam adequados para suas protocélulas.

“As protocélulas podem ser relativamente frias na maioria das vezes, o que é bom para a cópia de RNA e outros tipos de metabolismo simples”, diz Szostak. “Mas de vez em quando eles esquentam brevemente, e isso ajuda as fitas de RNA a se separarem, prontas para a próxima rodada de replicação”. Também haveria correntes, impulsionadas pelas correntes de água quente, que poderiam ajudar a divisão das protocélulas.

Baseando-se em muitas das mesmas linhas de argumento, Sutherland apresentou uma terceira opção: uma zona de impacto de meteorito.

Uma cratera de impacto de meteoro (Crédito: Detlev van Ravenswaay / Science Photo Library)

Uma cratera de impacto de meteoro pode ser o lugar onde a vida começou (Crédito: Detlev van Ravenswaay / Science Photo Library)

A Terra foi atingida por meteoritos ao longo de seu primeiro meio bilhão de anos de existência - e tem sido atingida ocasionalmente desde então . Um impacto de tamanho decente criaria uma configuração bastante semelhante às lagoas de Mulkidjanian.

Primeiro, os meteoritos são feitos principalmente de metal. As zonas de impacto tendem a ser ricas em metais úteis como o ferro e também o enxofre. E, crucialmente, os impactos de meteoritos derretem a crosta terrestre, levando à atividade geotérmica e água quente.

Se for descoberto que um dos cenários está faltando um produto químico importante ou contém algo que destrói as protocélulas, ele será descartado

Sutherland imagina pequenos rios e riachos escorrendo pelas encostas de uma cratera de impacto, lixiviando substâncias químicas à base de cianeto das rochas enquanto a radiação ultravioleta jorra de cima. Cada fluxo teria uma mistura ligeiramente diferente de produtos químicos, então reações diferentes aconteceriam e uma série de produtos químicos orgânicos seriam produzidos.

Finalmente, os riachos fluiriam para uma lagoa vulcânica no fundo da cratera. Pode ter sido em um lago como este que todas as peças se juntaram e as primeiras protocélulas se formaram.

“Esse é um cenário muito específico”, diz Sutherland. Mas ele o escolheu com base nas reações químicas que encontrou. “É o único em que podemos pensar que é compatível com a química.”

Szostak não tem certeza, mas concorda que a ideia de Sutherland merece atenção cuidadosa. “Acho que o cenário de impacto é bom. Acho que a ideia de sistemas vulcânicos também pode funcionar. Existem alguns argumentos a favor de cada um. ”

Por enquanto, esse debate parece destinado a roncar. Mas não será decidido por capricho. A decisão será conduzida pela química e pelas protocélulas. Se for descoberto que um dos cenários não contém um produto químico importante ou contém algo que destrói as protocélulas, ele será descartado.

Vents on the East Scotia Ridge (Crédito: AD Rogers et al, PLoS Biology, CC por 2.5)

Vents on the East Scotia Ridge (Crédito: AD Rogers et al, PLoS Biology, CC por 2.5)

Isso significa que, pela primeira vez na história, temos o início de uma explicação abrangente de como a vida começou.

“As coisas estão parecendo muito mais realizáveis”, diz Sutherland.

O melhor que podemos fazer é elaborar uma história que seja consistente com todas as evidências

Até agora, a abordagem “tudo de uma vez” de Szostak e Sutherland oferece apenas uma narrativa superficial. Mas essas etapas que foram elaboradas são apoiadas por décadas de experimentos.

A ideia também se baseia em todas as abordagens da origem da vida. Ele tenta aproveitar todos os seus pontos positivos, ao mesmo tempo que resolve todos os seus problemas. Por exemplo, não tenta tanto refutar as idéias de Russell sobre as fontes hidrotermais, mas sim incorporar seus melhores elementos.

Não podemos saber com certeza o que aconteceu há quatro bilhões de anos. “Mesmo que você fizesse um reator e saísse E. coli do outro lado ... você ainda não pode provar que surgimos dessa forma”, diz Martin.

O melhor que podemos fazer é elaborar uma história que seja consistente com todas as evidências: com experimentos em química, com o que sabemos sobre a Terra primitiva e com o que a biologia revela sobre as formas de vida mais antigas. Finalmente, depois de um século de esforços turbulentos, essa história está surgindo.

Nossas descobertas mudam a forma como vemos o mundo (Crédito: Nasa / ESA / Samantha Cristoforetti)

Nossas descobertas mudam a forma como vemos o mundo (Crédito: Nasa / ESA / Samantha Cristoforetti)

Isso significa que estamos nos aproximando de uma das grandes divisões da história da humanidade: a divisão entre aqueles que conhecem a história do início da vida e aqueles que nunca conheceram.

Algumas das pessoas vivas hoje se tornarão as primeiras na história que podem dizer honestamente que sabem de onde vieram

Cada pessoa que morreu antes de Darwin publicar Origem das Espécies em 1859 desconhecia as origens da humanidade, porque nada sabia sobre a evolução. Mas todos os vivos agora, exceto grupos isolados, podem saber a verdade sobre nosso parentesco com outros animais.

Da mesma forma, todos os nascidos após Yuri Gagarin orbitar a Terra em 1961 viveram em uma sociedade que pode viajar para outros mundos. Mesmo se nunca formos nós mesmos, a viagem espacial é uma realidade.

Esses fatos mudam nossa visão de mundo de maneiras sutis. Indiscutivelmente, eles nos tornam mais sábios. A evolução nos ensina a valorizar todos os outros seres vivos, pois eles são nossos primos. As viagens espaciais nos permitem ver nosso mundo à distância , revelando como ele é único e frágil.

Algumas das pessoas vivas hoje se tornarão as primeiras na história que podem dizer honestamente que sabem de onde vieram. Eles saberão como era seu ancestral final e onde viveu.

Esse conhecimento nos mudará. Em um nível puramente científico, ele nos dirá sobre a probabilidade de a vida se formar no Universo e onde procurá-la. E isso nos dirá algo sobre a natureza essencial da vida. Mas, além disso, ainda não podemos saber a sabedoria que a origem da vida revelará.

Micróbios - contexto, contexto, contexto

Os humanos ficam sépticos quando nossos micróbios intestinais habituais passam para a corrente sanguínea. Os mesmos micróbios podem ser bons no intestino, mas perigosos no sangue. Eles são mutualistas apenas em virtude de  onde vivem .

Os mesmos princípios se aplicam às chamadas 'bactérias oportunistas' que vivem em nossos corpos - normalmente são inofensivas, mas podem causar infecções fatais em pessoas cujo sistema imunológico está enfraquecido. Tudo depende do contexto. Mesmo simbiontes tão essenciais e duradouros como as mitocôndrias, as usinas de energia que existem nas células de todos os animais, podem causar estragos se acabarem no lugar errado. Um corte ou hematoma pode dividir algumas de suas células e espalhar fragmentos de mitocôndria em seu sangue - fragmentos que ainda mantêm algumas de suas antigas características bacterianas. Quando seu sistema imunológico os detecta, ele erroneamente presume que uma infecção está ocorrendo e monta uma forte defesa. Se a lesão for grave e mitocôndrias suficientes forem liberadas,a inflamação resultante em todo o corpo pode se transformar em uma condição letal chamada síndrome da resposta inflamatória sistêmica (SIRS). SIRS pode ser pior do que a lesão original. Absurdamente, é simplesmente o resultado de uma reação exagerada do corpo humano a micróbios que foram domesticados por mais de 2 bilhões de anos. Assim como uma erva daninha é uma flor no lugar errado.

Os princípios do contexto são fáceis de esquecer. Gostamos de nossas narrativas em preto e branco, com heróis e vilões claros. Nos últimos anos, vimos o ponto de vista de 'todas as bactérias devem ser mortas' lentamente dar lugar a 'as bactérias são nossas amigas e querem nos ajudar', embora esta última seja tão errada quanto a primeira. Não podemos simplesmente presumir que um determinado micróbio é "bom" apenas porque vive dentro de nós. Até os cientistas esquecem disso. O próprio termo  simbiosefoi distorcida de modo que seu significado neutro original (viver junto) foi infundido com um toque positivo e conotações quase esquisitas de cooperação e harmonia. Mas a evolução não funciona assim. Não favorece necessariamente a cooperação, mesmo que seja do interesse de todos. E sobrecarrega até mesmo os relacionamentos mais harmoniosos com conflitos.

Controlando nossos microbiomas

Bacteriócitos

Para conter nossos micróbios de modo que os restrinjam a fazer o bem ao nosso corpo, os organismos desenvolveram muitos mecanismos, como os bacteriócitos. Cerca de um quinto das espécies de insetos encerram seus simbiontes nessas células especiais.

Os bacteriócitos evoluíram repetidamente em diferentes linhagens. Alguns insetos os encaixam entre outras células; outros os agrupam em órgãos chamados bacteriomas, que se ramificam do intestino como cachos de uvas. Qualquer que seja sua origem, suas funções são as mesmas: conter e controlar bactérias simbiontes; impedir que se espalhem para outros tecidos; e escondê-los do sistema imunológico. Os bacteriócitos não são acomodações luxuosas. Uma só pode conter dezenas de milhares de bactérias, tão compactadas que fazem as latas de sardinha parecerem espaçosas.

Eles também são ferramentas de controle. Apesar dos relacionamentos antigos e mutuamente dependentes que muitos insetos têm com seus simbiontes, ainda há muito espaço para conflitos. Se isso parece estranho, pense nos milhões de pessoas diagnosticadas com câncer todos os anos. O câncer é uma doença de rebelião celular, em que uma célula ataca os regulamentos de seu próprio corpo. Ele cresce e se divide de forma incontrolável, produzindo tumores que podem colocar em risco a vida de seu hospedeiro. Se as células humanas podem fazer isso quando na verdade são parte do mesmo animal, é fácil imaginar que uma bactéria como a Blochmannia, que ainda é um organismo separado de sua formiga hospedeira, possa fazer o mesmo. Pode se transformar em uma espécie de câncer simbiótico que se replica sem controle, absorve a energia de que a formiga precisa para si mesma e invade células de que não deveria.

Com os bacteriócitos, os insetos podem impedir que isso aconteça. Os insetos podem controlar o movimento de nutrientes através dos bacteriócitos, impedindo-os de quaisquer simbiontes trapaceiros que violem os termos de sua locação e falhem em fornecer os benefícios necessários. Eles podem bombardear os micróbios em cativeiro com enzimas prejudiciais e produtos químicos antibacterianos para manter sua população sob controle rígido.

O gorgulho dos cereais - um gorgulho de focinho comprido que devora arroz e outros grãos - faz isso com a bactéria Sodalis em seus bacteriócitos, que produzem substâncias químicas que constituem as duras conchas protetoras do gorgulho. Quando o inseto faz essa casca pela primeira vez na idade adulta, ele relaxa o controle das bactérias, que quadruplicam em número. Mas, uma vez que a casca é definida, o gorgulho não precisa mais de seus companheiros microbianos - e os mata. Ele recicla o conteúdo de seus bacteriócitos, Sodalis e tudo, em matéria-prima e faz com que a célula se autodestrua. Com suas prisões celulares, o gorgulho pode expandir sua população de bactérias domesticadas quando a situação exigir, e eliminá-las quando a parceria não for mais benéfica.

Bacteriófagos

A contenção é mais difícil para animais com espinha dorsal como nós. Temos que controlar um consórcio de micróbios muito maior do que qualquer inseto, e temos que fazer isso sem bacteriócitos. A maioria de nossos micróbios vive em torno de nossas células, não dentro delas. Basta pensar em seu instinto. É um tubo longo e pesadamente dobrado que, se totalmente aberto, cobriria a superfície de um campo de futebol. Dentro desse tubo, há trilhões de bactérias. Há apenas uma camada de células epiteliais que as impede de penetrar nas paredes do intestino e alcançar os vasos sanguíneos que poderiam levá-las a outras partes do corpo. O epitélio intestinal é nosso principal ponto de contato com nossos outros micróbios, mas também nosso maior ponto de vulnerabilidade. E ainda assim, nós também podemos controlar nossos simbiontes. Como?

Para começar, usamos muco, a mesma gosma viscosa que entope seu nariz quando você está resfriado. Quase todos os animais usam muco para cobrir tecidos que são expostos ao mundo exterior. Para nós, isso significa intestinos, pulmões, narizes e órgãos genitais. Ele atua como uma barreira física. O muco é feito de moléculas gigantes chamadas mucinas, cada uma consistindo de uma estrutura protéica central com milhares de moléculas de açúcar ramificando-se dela. Esses açúcares permitem que as mucinas individuais se enredem, formando um matagal denso, quase impenetrável. Também é operado por vírus.

Quando se pensa em vírus, provavelmente se pensa em Ebola, HIV ou gripe. Mas a maioria dos vírus infecta e mata os micróbios. Eles são chamados de bacteriófagos, ou fagos, para abreviar. Todos eles têm cabeças angulares no topo de pernas finas. Quando tocam uma bactéria, eles injetam seu DNA e transformam o micróbio em uma fábrica para a produção de mais fagos. Eles acabaram saindo do hospedeiro de maneira fatal. Os fagos não infectam animais; e eles superam em muito os vírus que o fazem. Os trilhões de micróbios em nosso intestino podem conter quatrilhões de fagos.

Os fagos adoram muco. Em um ambiente típico, haverá 10 fagos para cada célula bacteriana. No muco, haverá 40. Imagine hordas e hordas deles, de cabeça para baixo, com as pernas esticadas e esperando para abraçar os micróbios que passam em um abraço letal. E esses fagos ligados ao muco podem ser mais do que apenas ferramentas rudimentares para matar micróbios. Os cientistas suspeitam que os animais, ao alterar a composição química de seu muco, podem potencialmente recrutar fagos específicos, que matam algumas bactérias enquanto fornecem passagem segura para outras. Talvez esta seja uma forma pela qual selecionamos nossos parceiros microbianos.

Este conceito tem implicações profundas. Isso sugere que os fagos (vírus) têm uma relação mutuamente benéfica com os animais. Eles mantêm nossos micróbios sob controle e nós, em troca, os ajudamos a se reproduzir, oferecendo-lhes um mundo cheio de hospedeiros bacterianos. Os fagos têm 15 vezes mais probabilidade de encontrar uma vítima se grudarem no muco.

A Máquina Genética e seu controle

As máquinas de sobrevivência começaram como receptáculos passivos para os genes, fornecendo pouco mais do que paredes para protegê-los da guerra química de seus rivais e da devastação do bombardeio molecular acidental. No início, eles se "alimentavam" de moléculas orgânicas disponíveis gratuitamente na sopa. Essa vida fácil chegou ao fim quando o alimento orgânico da sopa, que foi lentamente acumulado sob a influência energética de séculos de sol, se esgotou. Um grande ramo das máquinas de sobrevivência, agora chamadas de plantas, começou a usar a luz solar diretamente para construir moléculas complexas a partir de moléculas simples, reencenando em velocidade muito mais alta os processos sintéticos da sopa original. Outro ramo, agora conhecido como animais, 'descobriu' como explorar o trabalho químico das plantas, comendo-as ou comendo outros animais.Os dois ramos principais das máquinas de sobrevivência desenvolveram truques cada vez mais engenhosos para aumentar sua eficiência - vários modos de vida, e novos modos de vida estavam continuamente sendo abertos. Sub-ramos e sub-sub-ramos evoluíram, cada um se destacando em uma maneira específica e especializada de ganhar a vida: no mar, no solo, no ar, no subsolo, nas árvores, dentro de outros corpos vivos. Esta sub-ramificação deu origem à imensa diversidade de animais e plantas que tanto nos impressiona hoje.dentro de outros corpos vivos. Esta sub-ramificação deu origem à imensa diversidade de animais e plantas que tanto nos impressiona hoje.dentro de outros corpos vivos. Esta sub-ramificação deu origem à imensa diversidade de animais e plantas que tanto nos impressiona hoje.

Tanto os animais quanto as plantas evoluíram para corpos multicelulares, cópias completas de todos os genes sendo distribuídos a todas as células. Não sabemos quando, por que ou quantas vezes de forma independente, isso aconteceu. Algumas pessoas usam a metáfora de uma colônia, descrevendo um corpo como uma colônia de células. Prefiro pensar no corpo como uma colônia de genes e na célula como uma unidade de trabalho conveniente para as indústrias químicas dos genes.

Eles podem ser colônias de genes, mas apenas por seu comportamento, os corpos adquiriram inegavelmente uma individualidade própria. Um animal se move como um todo coordenado, como uma unidade. Subjetivamente, sinto-me uma unidade, não uma colônia. Isto é esperado. A seleção favoreceu genes que cooperam com odiers. Na competição feroz por recursos escassos, na luta implacável para comer outras máquinas de sobrevivência e para evitar ser comido, deve ter havido um prêmio para a coordenação central em vez da anarquia dentro do corpo comunal. Hoje em dia, a intrincada coevolução mútua dos genes ocorreu a tal ponto que a natureza comunal de uma máquina de sobrevivência individual é virtualmente irreconhecível. Na verdade, muitos biólogos não o reconhecem e discordarão de mim.

O controle das máquinas de sobrevivência

O aparelho que eles usam para cronometrar seus movimentos tem mais em comum com um computador eletrônico, embora seja estritamente diferente na operação fundamental. A unidade básica dos computadores biológicos, a célula nervosa ou neurônio, realmente não se parece em nada com um transistor em seu funcionamento interno. Certamente o código pelo qual os neurônios se comunicam entre si parece um pouco como os códigos de pulso dos computadores digitais, mas o neurônio individual é uma unidade de processamento de dados muito mais sofisticada do que o transistor. Em vez de apenas conexões diretas com outros componentes, um único neurônio pode ter dezenas de milhares. O neurônio é mais lento que o transistor, mas foi muito mais longe na direção da miniaturização, uma tendência que dominou a indústria eletrônica nas últimas duas décadas.Isso é comprovado pelo fato de que existem cerca de dez bilhões de neurônios no cérebro humano: você poderia colocar apenas algumas centenas de transistores em um crânio.

Os neurônios são basicamente células, com um núcleo e cromossomos como outras células. Mas suas paredes celulares são desenhadas em projeções longas, finas e semelhantes a fios. Freqüentemente, um neurônio tem um 'fio' particularmente longo chamado axônio. Embora a largura de um axônio seja microscópica, seu comprimento pode ser de muitos pés: existem axônios individuais que percorrem todo o comprimento do pescoço de uma girafa. Os axônios são geralmente agrupados em grossos cabos multifilares chamados nervos. Eles vão de uma parte do corpo a outra, levando mensagens, como se fossem cabos de telefone. Outros neurônios têm axônios curtos e estão confinados a densas concentrações de tecido nervoso chamadas gânglios ou, quando são muito grandes, cérebros. Os cérebros podem ser considerados análogos em função aos computadores. * Eles são análogos no sentido de que ambos os tipos de máquina geram padrões complexos de produção,após a análise de padrões complexos de entrada e após a referência às informações armazenadas.

A principal maneira pela qual o cérebro realmente contribui para o sucesso das máquinas de sobrevivência é controlando e coordenando as contrações dos músculos. Para fazer isso, eles precisam de cabos que conduzam aos músculos, e são chamados de nervos motores. Mas isso leva à preservação eficiente dos genes apenas se o tempo das contrações musculares tiver alguma relação com o tempo dos eventos no mundo exterior. É importante contrair os músculos da mandíbula apenas quando as mandíbulas contêm algo que vale a pena morder, e contrair os músculos das pernas em padrões de corrida apenas quando há algo que vale a pena correr para perto ou para longe. Por essa razão, a seleção natural favoreceu os animais que se tornaram equipados com órgãos dos sentidos, dispositivos que traduzem padrões de eventos físicos no mundo exterior no código de pulso dos neurônios. O cérebro está conectado aos órgãos dos sentidos - olhos,orelhas, papilas gustativas, etc. - por meio de cabos chamados nervos sensoriais. O funcionamento dos sistemas sensoriais é particularmente desconcertante, porque eles podem realizar feitos muito mais sofisticados de reconhecimento de padrões do que as melhores e mais caras máquinas feitas pelo homem; se não fosse assim, todos os digitadores seriam redundantes, substituídos por máquinas de reconhecimento de fala ou máquinas de leitura de caligrafia. Os datilógrafos humanos ainda serão necessários por muitas décadas.Os datilógrafos humanos ainda serão necessários por muitas décadas.Os datilógrafos humanos ainda serão necessários por muitas décadas.

É um equívoco comum pensar que, como uma máquina como um míssil teleguiado foi originalmente projetada e construída por um homem consciente, ela deve estar realmente sob o controle imediato do homem consciente. Outra variante dessa falácia é 'os computadores não jogam xadrez, porque só podem fazer o que um operador humano lhes diz'. É importante que entendamos por que isso é falacioso, porque afeta nossa compreensão do sentido em que se pode dizer que os genes "controlam" o comportamento. O xadrez de computador é um bom exemplo para mostrar o que quero dizer, então vou discuti-lo brevemente.

Os computadores ainda não jogam xadrez tão bem quanto os grandes mestres humanos, mas atingiram o padrão de um bom amador. Mais estritamente, deveríamos dizer que os programas alcançaram o padrão de um bom amador, pois um programa de jogo de xadrez não é exigente com o computador físico que usa para demonstrar suas habilidades. Agora, qual é o papel do programador humano? Em primeiro lugar, ele definitivamente não está manipulando o computador de momento a momento, como um titereiro puxando os cordões. Isso seria apenas trapaça. Ele escreve o programa, coloca no computador, e então o computador fica por conta própria: não há mais intervenção humana, exceto para o oponente digitando seus movimentos. O programador antecipa todas as posições de xadrez possíveis e fornece ao computador uma longa lista de bons movimentos, um para cada contingência possível? Certamente não,porque o número de posições possíveis no xadrez é tão grande que o mundo chegaria ao fim antes que a lista fosse completada. Pelo mesmo motivo, o computador não pode ser programado para experimentar "em sua cabeça" todos os movimentos possíveis e todos os acompanhamentos possíveis, até encontrar uma estratégia vencedora. Existem mais jogos de xadrez possíveis do que átomos na galáxia. Chega de soluções triviais para o problema de programar um computador para jogar xadrez. Na verdade, é um problema extremamente difícil, e não é de surpreender que os melhores programas ainda não tenham alcançado o status de grão-mestre.e todos os acompanhamentos possíveis, até encontrar uma estratégia vencedora. Existem mais jogos de xadrez possíveis do que átomos na galáxia. Chega de soluções triviais para o problema de programar um computador para jogar xadrez. Na verdade, é um problema extremamente difícil, e não é de surpreender que os melhores programas ainda não tenham alcançado o status de grão-mestre.e todos os acompanhamentos possíveis, até encontrar uma estratégia vencedora. Existem mais jogos de xadrez possíveis do que átomos na galáxia. Chega de soluções triviais para o problema de programar um computador para jogar xadrez. Na verdade, é um problema extremamente difícil, e não é de surpreender que os melhores programas ainda não tenham alcançado o status de grão-mestre.

O papel real do programador é mais parecido com o de um pai ensinando seu filho a jogar xadrez. Ele informa ao computador os movimentos básicos do jogo, não separadamente para cada posição inicial possível, mas em termos de regras expressas de forma mais econômica. Ele não diz literalmente em português simples 'os bispos se movem na diagonal', mas diz algo matematicamente equivalente, como, embora mais brevemente: 'Novas coordenadas do bispo são obtidas a partir de coordenadas antigas, adicionando a mesma constante, embora não necessariamente com o mesmo sinal, tanto para a antiga coordenada x quanto para a antiga coordenada y. ' Então ele pode programar algum 'conselho', escrito no mesmo tipo de linguagem matemática ou lógica, mas chegando em termos humanos a dicas como 'não deixe seu rei desprotegido', ou truques úteis como 'bifurcar' com o Cavaleiro. Os detalhes são intrigantes,mas eles nos levariam muito longe. O ponto importante é este. Quando está realmente jogando, o computador está sozinho e não pode esperar ajuda de seu mestre. Tudo o que o programador pode fazer é configurar o computador de antemão da melhor maneira possível, com um equilíbrio adequado entre listas de conhecimentos específicos e dicas sobre estratégias e técnicas.

Os genes também controlam o comportamento de suas máquinas de sobrevivência, não diretamente com os dedos nas cordas das marionetes, mas indiretamente como o programador de computador. Tudo o que podem fazer é configurá-lo de antemão; então a máquina de sobrevivência fica por conta própria, e os genes só podem permanecer passivamente dentro dela. Por que eles são tão passivos? Por que eles não agarram as rédeas e assumem o comando de momento a momento? A resposta é que eles não podem devido a problemas de intervalo de tempo.

Os genes atuam controlando a síntese de proteínas. Esta é uma forma poderosa de manipular o mundo, mas é lenta. Leva meses puxando pacientemente os fios das proteínas para construir um embrião. O ponto principal sobre o comportamento, por outro lado, é que ele é rápido. Ele funciona em uma escala de tempo não de meses, mas de segundos e frações de segundos. Algo acontece no mundo, uma coruja pisca no alto, um farfalhar na grama alta trai a presa e, em milissegundos, o sistema nervoso entra em ação, os músculos saltam e a vida de alguém é salva - ou perdida. Os genes não têm tempos de reação assim.

 

Micróbios e simbiose

Qualquer animal contém seu próprio genoma, mas também muitos outros microbianos que influenciam sua vida e desenvolvimento. Em alguns casos, os genes microbianos podem se infiltrar permanentemente no genoma de seus hospedeiros. Realmente faz sentido vê-los como entidades separadas? Não importa o quanto olhemos para o problema, é claro que os micróbios subvertem nossas noções de individualidade. Eles moldam isso também. Seu genoma é praticamente igual ao meu, mas nossos microbiomas podem ser muito diferentes. Talvez seja menos que contenha multidões e mais que seja multidões.

Esses conceitos podem ser profundamente desconcertantes. Independência, livre arbítrio e identidade são centrais em nossas vidas. Por outro lado, tal destaca a beleza da Biologia. Somos criaturas sociais e buscamos compreender nossas conexões com outras entidades vivas. As simbioses são os melhores exemplos de sucesso por meio da colaboração e dos poderosos benefícios dos relacionamentos íntimos.

A simbiose indica os fios que conectam toda a vida na Terra. Por que organismos tão díspares quanto humanos e bactérias podem viver juntos e cooperar? Porque compartilhamos um ancestral comum. Armazenamos informações no DNA usando o mesmo esquema de codificação. Usamos uma molécula chamada ATP como moeda de energia. O mesmo é verdade em toda a vida. Como disse uma vez um biólogo holandês “Do elefante à bactéria do ácido butírico - é tudo a mesma coisa!”.

Uma vez que entendamos como somos semelhantes e quão profundamente se estendem os laços entre animais e micróbios, nossa visão do mundo se tornará imensurávelmente enriquecida. A vida de todas as criaturas depende desses organismos invisíveis com os quais vivem, mas dos quais não têm conhecimento, que contribuem e às vezes são responsáveis ??por suas habilidades, e que existem no planeta há muito mais tempo do que eles. É uma mudança estonteante de perspectiva, mas gloriosa.

Exemplos de simbiose / bactérias que desempenham um papel crucial no desenvolvimento da vida

V.fischeri e lula brilham

A superfície do órgão leve é ??coberta por muco e campos de pêlos pulsantes chamados cílios. Os cabelos criam uma corrente turbulenta que atrai partículas de tamanho bacteriano, mas não maiores. Esses micróbios se acumulam no muco, entre eles V.fischeri.

Quando uma célula V.fischeri toca a lula, nada acontece. Se cinco células entram em contato, elas ativam vários genes de lula. Alguns desses genes produzem um coquetel de substâncias químicas antimicrobianas que deixam V.fischeri ileso ao criar um ambiente inóspito para outros micróbios. Outros liberam enzimas que quebram o muco da lula, produzindo uma substância que atrai ainda mais V.fischeri. Essas mudanças explicam por que o V.fischeri logo domina a camada de muco, embora outras bactérias inicialmente o superem em mil para um. Só ele tem a capacidade de transformar a superfície da lula em uma paisagem que atrai mais do seu tipo e dissuade os concorrentes.

Assim que muda a lula por fora, a bactéria começa a se mover para dentro. Ele desliza por um dos poucos poros, viaja por um longo duto, passa por um gargalo e finalmente atinge várias criptas cegas. Sua chegada muda ainda mais a lula. As criptas são revestidas por células em forma de pilares que agora se tornam maiores e mais densas, envolvendo os micróbios que chegam em um abraço apertado. À medida que as bactérias se acomodam aos interiores remodelados, a entrada da cripta se estreita e os dutos se contraem. O órgão leve atinge sua forma madura.

Como? Duas moléculas na superfície do V.fischeri fundamentam seus poderes transformativos - PGN e LPS.

Este exemplo de lula nos diz que o desenvolvimento de um animal é mais do que um processo autônomo. Ele progride usando instruções nos genes de um animal, mas também nos genes de seus micróbios. É o resultado de uma negociação contínua - uma conversa entre várias espécies, das quais apenas uma está fazendo o desenvolvimento real. É o desdobramento de todo um ecossistema.

Bactéria intestinal e co-desenvolvimento

Um intestino que funcione bem precisa de uma grande área de superfície para absorver nutrientes, razão pela qual as paredes são densamente revestidas de longos pilares em forma de dedos. Ele precisa regenerar constantemente as células em sua superfície, que são eliminadas com o passar da maré de comida. Ele precisa de uma rica rede de vasos sanguíneos subjacentes para transportar nutrientes de um lado para o outro. E precisa ser lacrado - suas células devem aderir firmemente umas às outras para evitar que moléculas estranhas vazem para os vasos sanguíneos.

Todas essas propriedades essenciais são comprometidas sem micróbios. Se os ratos crescerem na ausência de bactérias, seus intestinos não se desenvolverão totalmente, os pilares serão mais curtos, as paredes mais vazadas e os ciclos de regeneração mais lentos.

As bactérias, no entanto, não remodelam fisicamente o intestino. Em vez disso, eles trabalham por meio de seus hosts. A bactéria intestinal B-theta ativou uma ampla gama de genes de camundongos envolvidos precisamente no desenvolvimento do intestino (absorvendo nutrientes etc.). Em outras palavras, o micróbio disse aos camundongos como usar seus próprios genes para fazer um intestino saudável. Essa ideia é co-desenvolvimento.

Biofouling e o crescimento milagroso de ostras e vermes tubulares

Jogar uma sucata aleatória de metal na água do mar levaria a bactérias, algas, mariscos ou cracas e, eventualmente, tubos brancos (abrigando o 'verme ondulado' Hydroides elegans) após vários dias. O que faz essas criaturas aparecerem de repente?

Essas criaturas têm estágios larvais que vagueiam pelo oceano aberto até encontrarem um lugar para pousar. As larvas são microscópicas e extremamente abundantes (até 100 em uma gota de água do mar). Em algum ponto, essas larvas se acomodam e se metamorfoseiam.

Os cientistas descobriram que as larvas do H.elegans eram atraídas por bactérias e, especificamente, por biofilmes - esteiras viscosas de bactérias densamente compactadas que crescem rapidamente em superfícies submersas. Quando uma larva encontra um biofilme, ela nada ao longo da bactéria, pressionando seu rosto contra ela. Depois de alguns minutos, ele se ancora expelindo um fio de muco de sua cauda e secreta uma meia transparente pelo corpo. Firmemente seguro, ele começa a se transformar em um adulto e nunca mais se moverá. Essa transformação se deve aos H.elegans.

As larvas de H.elegans respondem às bactérias P-luteo mais fortemente como a maioria dos outros animais. Os oceanos estão fervilhando de larvas que só completam seus ciclos de vida quando em contato com a bactéria.

Por que confiar em pistas bacterianas? A presença de um biofilme poderia fornecer informações importantes a um animal de lava - (a) há uma superfície sólida (b) que já existe há algum tempo (c) não é muito tóxica (d) e tem nutrientes suficientes para sustentar os micróbios.

B-frag e o sistema imunológico

Apesar da sabedoria popular de que os micróbios têm uma influência negativa no sistema imunológico do corpo, o B-frag, uma bactéria intestinal comum, parece sugerir o contrário. Na verdade, esse micróbio em particular poderia corrigir alguns dos problemas imunológicos em ratos livres de germes.

Sua presença restaura os níveis normais de células T auxiliares, uma classe de células do sistema imunológico que se reúne e coordena o resto do conjunto. Na verdade, era a única molécula de açúcar no revestimento do frag-B, o PSA, que aumentava o número de células T. Mais tarde, foi demonstrado que o PSA pode prevenir e curar doenças inflamatórias como colite e esclerose múltipla, pelo menos em ratos.

Lembre-se de que o PSA é um antígeno; uma molécula bacteriana. O PSA deve desencadear a inflamação, segundo o senso comum. Em vez disso, ele faz o oposto, suprime a inflamação. Isso é chamado de 'fator de simbiose', uma mensagem química para 'Eu venho em paz'.

O sistema imunológico não é apenas um meio de controlar micróbios. É pelo menos parcialmente controlado por micróbios também.

Riftia pachyptila

Poucos meses antes do Millenium Falcon explodir no espaço, um veículo igualmente aventureiro chamado Alvin viajou para baixo no oceano. Ele entrou na água 400 quilômetros ao norte das Ilhas Galápagos, onde duas placas tectônicas se afastam uma da outra como amantes separados. A separação deles criou uma fenda na crosta terrestre, que foi um local provável para encontrar as primeiras fontes hidrotermais - locais onde se acreditava que água superaquecida vulcanicamente seria expelida pelo fundo do oceano.

Neste submundo supostamente sem vida, intocado pelo sol, fustigado por água que pode atingir até 400 graus Celsius e comprimido pela enorme pressão do oceano acima, a equipe de Alvin descobriu um ecossistema oculto tão rico quanto qualquer floresta tropical. Eles estavam tão despreparados para coletar espécimes de vida que o único conservante que tinham era vodca.

Um dos gigantescos vermes tubulares que prosperaram ali foi o Riftia pachyptila. É enorme, maior do que qualquer outro verme do fundo do mar que foi descoberto. Estranhamente, não tinha boca, nem intestino, nem ânus. Então, como o verme sobreviveu se não pode comer? A hipótese mais óbvia é que ele absorveu nutrientes pela pele como uma tênia, mas essa ideia foi rapidamente anulada porque era simplesmente muito grande.

A maior pista é que o trofossomo do verme, um órgão misterioso que compõe a metade de seu peso corporal, estava repleto de cristais de enxofre puro. Um dos pesquisadores mencionou isso em uma de suas palestras na Universidade de Harvard, o que despertou o pensamento de uma jovem zoóloga chamada Colleen Cavanaugh. Ela se levantou, afirmando empiricamente que era obra de uma bactéria. O pesquisador disse-lhe que se sentasse e deu-lhe um dos vermes para estudar.

Acontece que a epifania de Cavenaugh estava correta. O trofossomo de Riftia continha bactérias, cerca de um bilhão delas para cada grama de tecido. Outro cientista havia mostrado que o trofossomo era rico em enzimas que podem processar compostos de sulfeto. Cavanaugh juntou essas informações e sugeriu que essas enzimas vinham das bactérias, que as usavam para fazer comida de uma forma totalmente diferente de tudo o que se conhecia na época.

Em terra, a vida é alimentada pela luz solar. Plantas, algas e algumas bactérias podem aproveitar a energia do sol para fazer sua própria comida, transformando CO2 e água em açúcares. Esse processo, pelo qual o carbono é desviado da matéria inorgânica para as substâncias comestíveis, é chamado de carbono fixador, e o uso da energia do sol para fazer isso é chamado de fotossíntese. Esta é a base de todas as cadeias alimentares com as quais estamos familiarizados.

Nos oceanos mais profundos, a luz solar não é uma opção. Para Riftia, eles usam enxofre como fonte de energia (ou melhor, sulfetos que são expelidos da abertura vulcânica). As bactérias oxidam esses produtos químicos e usam a energia liberada para fixar o carbono. Isso é quimiossíntese. Em vez de produzir O2 como seu produto residual, essas bactérias quimiossintetizantes produzem enxofre puro. Daí os cristais amarelos no trofossomo de Riftia.

Microbiomas

Cada um de nós tem nosso microbioma distinto (clientela de bactérias), esculpido pelos genes que herdamos, os lugares em que vivemos, os medicamentos que tomamos, a comida que comemos, os anos que vivemos, o mãos que apertamos. Microbialmente, somos semelhantes, mas diferentes.

Quando os microbiologistas começaram a catalogar o microbioma humano em sua totalidade, eles esperavam descobrir um microbioma central: um grupo de espécies que todos compartilham. Agora é discutível se esse núcleo existe. Embora algumas espécies sejam comuns, nenhuma é encontrada em todos os lugares. Se existe um núcleo, ele existe no nível das funções, não dos organismos. Existem certas tarefas, como digerir um determinado nutriente, que são sempre preenchidas por algum micróbio (mas nem sempre o mesmo).

Na verdade, cada indivíduo é mais como um arquipélago - uma cadeia de ilhas. Cada uma das partes do nosso corpo tem sua própria fauna microbiana, assim como as várias ilhas Galápagos têm suas tartarugas e tentilhões especiais. O intestino humano é dominado por Bacteriodes, por exemplo, enquanto o Streptococcus domina a boca.

Cada órgão também é variável em si mesmo. Os micróbios que vivem no início do intestino delgado são muito diferentes dos do reto.

Archaea, Bactéria e criação dos Eucariotos

Introdução a arquéias, bactérias e procariontes

As bactérias sempre fizeram parte da nossa ecologia. Nós evoluímos entre eles. Além disso, evoluímos a partir deles. Os animais pertencem a um grupo de organismos chamados eucariotos, que também inclui todos os fungos e algas vegetais. Todos os eucariotos são construídos a partir de células que compartilham a mesma arquitetura básica, o que os distingue de outras formas de vida.

Por exemplo, os eucariotos contêm um núcleo que contém o DNA da célula. Eles têm um esqueleto interno que fornece suporte estrutural e transporta moléculas de um lugar para outro. E eles têm  mitocôndrias; centrais elétricas em forma de feijão que fornecem energia às células.

Todos os eucariotos compartilham essas características porque todos evoluímos de um único ancestral há cerca de dois bilhões de anos. Antes disso, a vida na Terra podia ser dividida em dois domínios, as bactérias e as arquéias. Archaea gosta de colonizar ambientes inóspitos e extremos. Esses dois grupos consistiam em células únicas que careciam da sofisticação dos eucariotos. Eles amarram mitocôndrias e um núcleo. Eles eram procariontes.

A (possível) evolução dos eucariotos

Durante aproximadamente os primeiros 2,5 bilhões de anos de vida na Terra, bactérias e arqueas traçaram cursos evolutivos amplamente separados. Então, em uma ocasião fatídica, uma bactéria de alguma forma se fundiu com um archaeon, perdendo sua existência de vida livre e ficando presa para sempre em seu novo hospedeiro. É assim que muitos cientistas acreditam que os eucariotos surgiram. É a nossa história de criação; dois grandes domínios da vida se fundindo para criar um terceiro, na maior simbiose de todos os tempos. O archaeon forneceu a estrutura da célula eucariótica enquanto a bactéria acabou se transformando na mitocôndria.

Todos os eucariotos descendem dessa união fatídica. É por isso que nossos genomas contêm muitos genes que ainda têm um caráter arqueado e outros que se parecem mais com os de bactérias. É também por isso que todos nós temos mitocôndrias em nossas células. Essas bactérias domesticadas mudaram tudo. ao fornecer uma fonte extra de energia, eles permitiram que as células eucarióticas se tornassem maiores, acumulassem mais genes e se tornassem mais complexas.

Há um enorme vazio entre as células mais simples de bactérias e arquéias e as mais complexas de eucariotos, e a vida conseguiu cruzar esse vazio exatamente uma vez a cada quatro bilhões de anos.

Uma introdução à microbiologia e microorganismos

Todos nós temos um abundante zoológico microscópico, conhecido coletivamente como microbiota ou microbioma. Eles vivem em superfícies dentro de nossos corpos e, às vezes, dentro de nossas próprias células. A grande maioria deles são bactérias, mas também existem outros organismos minúsculos, incluindo fungos (como leveduras) e arqueas. Existem também vírus, em números insondáveis ??- um viroma que infecta todos os outros micróbios e, ocasionalmente, as células do hospedeiro.

As esponjas estão entre os animais mais simples, com corpos estáticos que nunca ultrapassam a espessura de algumas células, e também abrigam um microbioma próspero. Às vezes, se você olhar uma esponja ao microscópio, mal conseguirá notar o animal por causa dos micróbios que o cobrem. As formigas vivem em colônias que podem chegar aos milhões, mas cada formiga é uma colônia em si. Um urso polar, viajando sozinho pelo Ártico, com nada além de gelo em todas as suas direções, está completamente cercado.

Na verdade, os micróbios estão por toda parte. Eles vivem nas águas das fossas oceânicas mais profundas e nas rochas abaixo. Eles existem em números astronômicos. Na verdade, eles excedem em muito os números astronômicos; existem mais bactérias em seu intestino do que estrelas em nossa galáxia.

Quando Orson Welles disse “Nascemos sozinhos, vivemos sozinhos, morremos sozinhos”, enganou-se. Mesmo quando estamos sozinhos, nunca estamos verdadeiramente sozinhos. Existimos em simbiose - um termo maravilhoso que se refere a diferentes organismos vivendo juntos. Alguns animais são colonizados por micróbios enquanto ainda são ovos não fertilizados, outros pegam seus primeiros parceiros no momento do nascimento. Em seguida, prosseguimos em nossas vidas na presença deles. Quando comemos, eles também comem. Quando viajamos, eles vêm junto. Quando morremos, eles nos consomem. Cada um de nós é um zoológico por direito próprio - uma colônia encerrada em um único corpo. Um coletivo multiespécies. Um mundo inteiro.