Faça-se a Ordem

Vimos no texto “E foi assim que tudo começou” sobre a Teoria da Abiogênese. Essa era a teoria utilizada nos séculos anteriores para explicar o surgimento da Vida. Os cientistas antigos acreditavam que quando deixávamos, por exemplo, um pão envelhecer em cima de uma mesa, os fungos que apareciam nele depois de alguns dias eram decorrentes de uma formação espontânea de vida – ou seja, eles foram criados a partir do próprio pão. Da mesma forma, os “vermes” que apareciam em uma carne podre ou os ratos em uma pilha de trapos sujos eram todos criados espontaneamente a partir da matéria inanimada.

Hoje em dia sabemos que os fungos nascem dos esporos espalhados ao vento por outros fungos, e que os “vermes” da carne podre nada mais são do que larvas de moscas e outros insetos, e que, em última análise, toda a vida que conhecemos é gerada a partir de uma forma de vida anterior – todos os animais, plantas, fungos e bactérias vêm de seus “pais”. Essa última frase resume o que chamamos de Teoria da Biogênese, ou Teoria Biótica, e ela só foi efetivamente demonstrada no século retrasado por um pesquisador chamado Louis Pasteur. Esse brilhante cientista também foi responsável por inventar um método de esterilização que hoje em dia leva seu nome (a pasteurização) e foi considerado o pai da Bioquímica por ter descoberto que as leveduras (tipos de fungos) podem transformar glicose em gás carbônico e álcool dentro de suas células, em um processo chamado de fermentação. Essa mesma fermentação é utilizada para a fabricação de bebidas alcoólicas há milhares de anos.

Embora a Teoria Biótica tenha sido um enorme avanço para o conhecimento biológico, ela não é completa. Pensemos juntos: se todo os organismos são “filhos de seus pais”, então quem foi o primeiro organismo, o primeiro pai e mãe? Falta uma peça neste quebra-cabeça, não? Pois é, isso é uma pergunta que tira o sono de muitos cientistas até hoje. Na verdade, não sabemos como a primeira vida surgiu, mas isso não é nem de perto um beco sem saída para a ciência. Várias teorias tentam explicar o que aconteceu naquele ambiente inóspito e selvagem que foi a nossa Terra há cerca de 3,5 bilhões de anos atrás e que permitiu que hoje vivamos em um pequeno paraíso à deriva em um universo aparentemente vazio de outras formas de vida.

No século anterior, dois cientistas chamados Miller e Urey conseguiram demonstrar, simulando em laboratório, as condições semelhantes ao que se acreditava que na época eram as da Terra primitiva, que é possível criar elementos orgânicos simples, como aminoácidos, de precursores como gás carbônico, metano e água. Esse trabalho foi a pedra inicial de todo um ramo da ciência moderna que tenta desvendar os passos bioquímicos iniciais para a formação espontânea de compostos complexos. Atualmente, esses estudos já se encontram muito avançados, e chegamos à conclusão de que os componentes que encontramos nos organismos de hoje em dia surgiram simultaneamente na Terra primitiva e também no espaço, na superfície de meteoros que depois se chocaram no nosso planeta. Isso mesmo, no espaço! (neste momento vale a pena dizer que antes da atmosfera atual se formar, havia muito mais eventos de colisão de meteoritos, e eles tiveram um papel fundamental na nossa história. Basta pensar que boa parte da água no nosso planeta foi trazida do espaço com a colisão de cometas ricos em gelo, mas isso é assunto para uma outra hora). Mas isso não quer dizer que a vida foi trazida de fora do planeta. Na verdade, algumas reações químicas que são extremamente difíceis de ocorrer espontaneamente na terra ocorrem comumente nos asteroides e nas nebulosas espaciais. Dessa forma, à exceção de algumas poucas moléculas, como as bases nitrogenadas que formam nosso DNA e RNA, já temos comprovação de que a maior parte dos compostos das células atuais podem ser recriadas em condições terrestres ou espaciais. E acreditamos que seja apenas uma questão de tempo até que encontremos as últimas peças dessa parte do quebra-cabeça da Vida.

Agora que sabemos que os componentes dos organismos podem surgir espontaneamente, podemos partir para a próxima grande pergunta no enigma do surgimento da vida: como, a partir desses compostos simples e isolados, pode um sistema complexo e auto-organizado, como um ser vivo, se formar?

  ***

Em primeiro lugar, precisamos que definir o que significa um sistema auto-organizado no contexto da biologia. Imagine um conjunto de coisas que interagem entre si e que são capazes de se manter no tempo indefinidamente como uma única unidade complexa. Uma sociedade de formigas é um exemplo razoável – cada formiga interage com suas companheiras através de uma complexa sinalização química (vamos falar mais sobre feromônios nos próximos textos), avisando para as outras sobre a presença de alimentos e predadores, além de dividir as tarefas eficientemente entre elas. O resultado final é uma colônia funcional que se comporta como um único organismo; ou um sistema complexo auto-organizado. O mesmo pode ser dito sobre todos os organismos multicelulares, como nós animais e as plantas – somos todos colônias de células que interagem entre si e formam uma unidade auto-organizada complexa.

Podemos ir ainda mais adiante nesse raciocínio. As próprias células de todos os organismos são formadas por proteínas, ácidos nucleicos (DNA e RNA), e organelas, que interagem entre si para se replicarem e se manter ao longo do tempo. Não é exatamente aquela definição de sistema auto-organizado que falamos no parágrafo anterior? Na verdade, essa definição vem de uma disciplina da física, que há muitos anos estuda o comportamento desses tipos de sistemas e tenta fazer predições acerca de seu funcionamento. Essa disciplina se chama Modelagem de Sistemas Complexos, e é utilizada para os mais variados fins, desde o desenvolvimento de computadores até a operação de usinas nucleares.

Nas células de todos os organismos vivos, nenhuma molécula se replica sozinha, isto é, elas precisam de outras moléculas para serem construídas. Um exemplo claro é a própria fita de DNA. Se purificarmos o material genético de uma célula e o injetarmos dentro de uma membrana celular vazia, ela nunca se tornaria uma célula viva novamente. Isso acontece porque o DNA, por si só, não faz nada dentro da célula. O mesmo também ocorre para todos os outros componentes celulares. Eles precisam estar organizados de forma coordenada para que as reações necessárias à manutenção da vida ocorram organizadamente. No restante deste texto, vamos tentar explicar de uma maneira resumida como pode ter se dado a transição desses elementos isolados para a vida complexa que conhecemos.

Um pesquisador excepcional chamado Stuart Kauffman tentou, entre as décadas de 1980-90, aplicar os conceitos de sistemas complexos para explicar como, a partir dos precursores químicos simples que existiam em nosso planeta enquanto este ainda era jovem, poderia surgir algo tão complexo quanto uma célula viva. De uma maneira simplificada, a ideia de Kauffman era de que na Terra primitiva existia uma grande quantidade de compostos capazes de realizar processos espontâneos de catálise, como pequenas cadeias de aminoácidos ou de RNA. Isso quer dizer que essas pequenas moléculas podem construir umas às outras sem precisar de ajuda de estruturas complexas como enzimas. Pensando que cada um desses compostos, seja qual for sua natureza química, poderia, aleatoriamente, catalisar a formação espontânea de alguns dos seus vizinhos, podemos supor que se houver um número suficientemente grande desses compostos, eles eventualmente poderiam formar uma rede intrincada em que cada um deles é construído por pelo menos um outro – sem exceções. Isto é o que Kauffman chama de um sistema coletivamente auto-catalítico. Pareceu complicado? Não se preocupe, é mais simples do que você está pensando.

Vamos imaginar que jogamos alguns botões de roupas no chão (vamos ao esquema, no número 1). Agora imagine que, com vários pedaços de fios, vamos sair ligando esses botões aleatoriamente entre si (esquema, no número 2). O que estamos fazendo é uma representação de compostos químicos auxiliando na formação uns dos outros – cada botão é uma molécula de RNA ou uma cadeia pequena de aminoácidos; e cada fio ligando dois botões significa que um deles pode auxiliar na formação do outro espontaneamente. Vamos supor agora que cada botão possa se ligar no máximo em outros dois botões, esta é a regra do nosso jogo. Além disso, para cada número de botões, possuímos apenas metade do número de fios para ligá-los. Se o número de botões for pequeno (por exemplo, 10), é bastante grande a probabilidade de que, ao ligá-los aleatoriamente com nossos fios, alguns desses botões fiquem sozinhos, sem nenhum fio os ligando em alguém, ou com apenas um fio saindo ou chegando neles. Pensando na metáfora biológica, essas seriam moléculas que, ou não seriam catalisadas e não catalisariam a formação de ninguém, ou seriam construídas por alguém, mas não construiriam ninguém. Este, então é um sistema que não pode se auto-sustentar.

 

Apresentação2

Esquema dos botões e fios

 

Ainda pensando com nos nossos botões, se ao invés de jogarmos 10 deles no chão, jogássemos 50, a probabilidade de termos algum deles que não seja ligado por ninguém é muito menor. De fato, se formos aumentando a quantidade de botões, chegaremos eventualmente a um cenário onde a probabilidade de existir algum botão que não ligue ou seja ligado por alguém é necessariamente zero. Isso quer dizer que quando atingirmos essa “massa crítica” de botões, poderemos simplesmente pegar um deles do chão aleatoriamente e veremos que mexeremos em todos os outros ao mesmo tempo (no esquema, número 3, representado por organismos ou sistemas altamente organizados). Voltando para a biologia, isso significa que cada uma daquelas moléculas constrói e é construída por alguma outra no sistema. Essa é exatamente aquela definição de um sistema coletivamente auto-catalítico que mencionamos anteriormente.

O que acabamos de ver é como um sistema formado de partes completamente aleatórias pode ser tornar ordenado – é literalmente o surgimento de ordem a partir do caos. Isso não é nenhuma novidade para a física. Os físicos teóricos há décadas já sabem inclusive calcular com exatidão quantos botões são necessários para se formar um sistema auto-organizado para qualquer número de fios e de ligações máximas entre botões. O grande mérito de Kauffman foi se dar conta que essas definições físicas são essenciais para explicar a biologia. Como biólogo, ele já havia estudado quais as prováveis moléculas que existiam na Terra primitiva, e sabia que não se havia descoberto como poderiam surgir espontaneamente longas cadeias de RNA ou DNA (o que não se demonstrou até hoje). Então, ao invés de se focar na ideia muito difundida até hoje de que o DNA ou RNA polimerizados em longas cadeias seriam moléculas absolutamente necessárias para o aparecimento de vida, Kauffman usou a física para demonstrar que é possível o surgimento de (proto)organismos complexos sem um repositório físico de informação hereditária – apenas moléculas simples interagindo de forma complexa. Esses organismos, inclusive, teriam a capacidade de sofrer evolução Darwiniana como qualquer organismo atual; e poderiam eventualmente passar a sintetizar a longas cadeias de DNA ou RNA, que só então seriam incorporadas definitivamente nas células para gerar a vida como conhecemos hoje em dia.

 

Sobre o autor 😉

Ricardo D’O. Albanus é biólogo e possui mestrado em Bioquímica pela UFRGS. Atualmente utiliza ferramentas de biologias de sistemas e bioinformática para estudar doenças humanas e também processos de evolução em nível molecular.

e-mail: rdalbanus@hotmail.com

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