Recentemente estou tendo problemas para manter o blog atualizado por questões acadêmicas. A falta de tempo faz com que eu dedique o pouco tempo que me resta para outras atividades. Mas esse não é o fim ou, talvez, as férias do blog, apenas quero fazer um teste.
Ultimamente as visualizações do blog têm crescido de forma gratificante, porém, comentários nas postagens continuam sendo algo que não se vê por aqui. O que está acontecendo? Será que todas aquelas visualizações apontadas no blog são reais? Então deixarei essa postagem por no mínimo uma semana para esperar a resposta por isso. Então se você que está lendo essa postagem, acompanha e gosta do blog, comente, por favor.
Dependendo do resultado, darei continuidade ao blog com postagens cada vez mais rápidas, dando prioridade a isso no meu tempo livre. Caso contrário, terei que me ocupar em outras coisas no pouco tempo que não me é roubado pelos estudos e pesquisas. Dessa forma o blog ficaria em segundo plano, e só voltaria a ter conteúdos mais rapidamente quando eu estiver novamente gozando de merecidas férias.
Espero resultados... Espero comentários.
terça-feira, 20 de março de 2012
sábado, 10 de março de 2012
A Origem da Vida: A Terra, a Lua e a Probabilidade do Aparecimento da Vida
Há cerca de 4,5 bilhões de anos formou-se o planeta Terra. A formação da Terra e de outros planetas em sistemas solares diferentes do nosso provavelmente teve a mesma sequência de eventos, da qual faremos a seguir uma breve descrição.
As estrelas, incluindo o Sol, surgiram a partir de gás, que pela ação da força da gravidade se concentrou formando glóbulos, cuja densidade central tornou-se bastante grande a ponto de produzir uma condensação inicial, um nódulo. Sobre esse núcleo central gradualmente mais convergiu de tal forma que a pressão gerada levou à produção de calor – sabemos que a compressão de um gás produz calor, o que pode ser testado com facilidade ao se encher o pneu de uma bicicleta com uma bomba manual: o calor é produzido pela maior frequência de choque entre as moléculas que compõem o gás.
A alta pressão do gás aquecido tornou-se capaz então de suportar muitas outras camadas de gás que, convergindo a partir de várias direções, elevou a temperatura a um nível tal que luz passou a se emitida. Esse processo continuou até que o sistema entrou em equilíbrio, justamente quando a pressão no nódulo passou a ser tão grande que favoreceu a formação do plasma e concomitante a fusão de prótons e produção de hélio. No entanto, no caso do Sol – e de outras estrelas – o movimento turbulento do gás nas cercanias do nódulo também impedia que uma grande porção se acumulasse diretamente no núcleo da estrela recém-nascida. O momento angular desse gás fez com ele passasse a girar e formasse grandes anéis que orbitavam ao redor da estrela. Os anéis formaram então os discos de acreção (aumento de massa por aglomeração). A estabilidade desses anéis só era obtida se sua rotação obedecesse às leis de Kepler, isto é, os anéis mais externos tinham que girar mais lentamente que os anéis internos. Essa situação produziu fricção entre os anéis e a consequente frenagem das camadas mais internas. O efeito gravitacional fez com que as camadas mais internas fossem então capturadas pela parte central da estrela, o que gradualmente aumentou sua massa. Os anéis mais externos tinham a velocidade angular cada vez mais aumentada, e como consequência da força centrífuga também contribuía para aumentar sua distância da parte central.
Após algum tempo, a turbulência gasosa diminuiu e o Sol atingiu sua massa definitiva. O disco de acreção, constituído pelos anéis mais externos localizados no plano equatorial do Sol, era composto por gás e poeira. Essa poeira finalmente condensou-se formando os planetesimais que, por sua vez, terminaram por gerar os planetas.
Retornando à Terra, após cerca de 1 bilhão de anos desde sua formação, a crosta já havia se resfriado e solidificado e, nessa época, a vida surgiu. Com certeza a vida não apareceu antes porque as temperaturas muito elevadas, de centenas de graus Celsius, eram mais altas que as energias de ligação dos compostos e, portanto, incompatíveis até com a manutenção das valências químicas tipicamente formadas entre o carbono e os outros elementos.
Sabemos a data aproximada da formação da Terra por meio da análise de rochas sabidamente antigas, como aquelas encontradas em forma de sedimento nas grandes profundidades em mares, lagos e lagoas. Nessa condição, as rochas permaneceram protegidas desde a sua formação. Essas são as chamadas rochas sedimentares.
Para aferir a idade da Terra é preciso medir a idade das rochas que são encontradas na crosta. A rocha mais antiga nos dará uma ideia da idade do planeta.
Uma das técnicas de datação é feita medindo-se a quantidade de certos elementos estáveis, como o chumbo, e comparando essa quantidade à quantidade do elemento radioativo instável que o gerou, por exemplo, o urânio-238 (238U), que sempre consome 4,5 bilhões de anos para decair a metade de sua concentração inicial. Isso se chama meia-vida do elemento. Como o decaimento do 238U, gera-se chumbo, o elemento estável que não vai sofrer nenhuma outra transformação. Após mais 4,5 bilhões de anos, a quantidade que sobrou de urânio-238 vai então se reduzir à metade e assim sucessivamente. Quando num determinado momento se mede a razão entre o chumbo e o urânio-238, temos então uma déia da idade da rocha desde sua formação, ou solidificação. Uma rocha que contém mais chumbo do que urânio-238 é mais velha que uma rocha que conte mais urânio-238 do que chumbo. Outros elementos também podem ser usados para calcular a idade das rochas partindo do mesmo princípio.
Como os vários isótopos radioativos possuem meias-vidas diferentes, para uma determinada datação às vezes é mais conveniente selecionar-se radionuclídeos que tenham meias-vidas mais adequadas para a escala de tempo que se quer determinar. Por exemplo, o rubídio-87 (87Rb) decai para estrôncio-87 (87Sr) com uma meia-vida de 47 bilhões de anos, e o potássio-40 (40K) decai para argônio com uma meia-vida de 1,3 bilhão de anos. Logo, o radioisótopo potássio-40 é o mais indicado para datações que envolvam uma escala de tempo de ordem de alguns bilhões de anos, como é o caso da Terra.
Um exemplo mostra como é feito o cálculo: imagine que uma determinada rocha possui quantidades iguais de 40K e de argônio. Assumindo que todo o argônio encontrado na rocha originou-se do potássio-40, podemos deduzir que houve um decaimento de exatamente uma meia-vida, ou seja, 1,3 bilhões de anos. Logo, a rocha possui 1,3 bilhão de anos. Qual a idade da rocha supondo que a análise tivesse revelado três vezes mais argônio que 40K? Nesse caso, a proporção de 40K para argônio seria de ¼, o que é o mesmo que ½ x ½, ou seja, duas meias-vidas. Traduzindo em números: 2 x 1,3 bilhão de anos = 2,6 bilhões de anos. É importante ressaltar aqui que tais valores são aproximados, e que na escala de grandeza dos resultados, um erro de alguns séculos é tolerável. Outro cuidado com a datação que utiliza o argônio ou outros gases é assumir que a rocha não passou por um segundo processo de fusão desde a sua formação. Se isso acontecesse, uma parte ou todo o argônio aprisionado no interior da rocha teria escapado para a atmosfera, o que introduziria um grande erro no cálculo da idade dessa rocha.
Para se saber quantos anos se passaram desde o aparecimento da vida, é preciso acompanhar o registro de fósseis nas várias camadas geológicas. O estudo desse registro é chamado de cronoestratigrafia ou bioestratigrafia. Brevemente, para se estabelecer a idade dos fósseis faz-se uma correlação entre a idade de uma determinada camada geológica e o registro dos fósseis nela contido. Desse modo, sabendo-se a idade das rochas de uma camada geológica e analisando-se o conjunto de fósseis presentes aí podemos obter não só uma estimativa das idades das espécies que viveram e foram extintas numa determinada época, como também da sequência de aparecimento e extinção. Nesse contexto, o leste da África torna-se um terreno ideal para esse tipo de estudo, graças à intensa atividade vulcânica que ocorreu nessa região. Por exemplo, usando o método de decaimento radioativo é possível datar as várias camadas de lava ou de cinzas vulcânicas com certa precisão. Com esses dados, pode-se então descobrir a idade dos fósseis depositados entre as camadas datadas.
É difícil estabelecer precisamente o limite inferior da história da vida.
Embora a análise de rochas da era pré-cambriana revele que os fósseis não estejam ausentes, eles são raros e exibem uma aparência atípica, diferente daquela dos fósseis encontrados na era fanerozoica, caracterizada pela relativa e incontestável abundância de vestígios de vida. Esses fósseis da era pré-cambriana seriam mais corretamente denominados de microfósseis, porque podem ser vistos apenas com o auxílio de microscópios (para a observação, é necessário preparar fatias muito finas e transparentes das rochas). A observação predominante de microfósseis não deve surpreender porque é possível intuir que as primeiras formas de vida seriam de fato microscópicas (vale lembrar que evolução ocorre no sentido das formas mais simples para as mais complexas) e talvez bem diferentes morfologicamente das espécies mais recentes.
De acordo com os registros publicados, o microfóssil mais antigo teria cerca de 3,5 bilhões de anos. Este resultado foi obtido por J. William Schopf e colaboradores e, até recentemente, constituía o registro mais antigo de um fóssil. No entanto, esse valor foi contestado com a alegação de que os achados de Schopf teriam sido selecionados, isto é, Schopf teria escolhido somente aquelas amostras mais sugestivas da presença de fósseis de microorganismos e teria descartado outras de pior qualidade, cuja formação poderia ser explicada por fenômenos abióticos.
Em ciência, o procedimento de seleção de resultados é condenável e teria posto em dúvida a autenticidade dos fósseis de 3,5 bilhões de anos. Assim, a questão do fóssil mais antigo permanece aberta. No entanto, sabe-s com certeza que a vida já estava formada na era pré-cambriana, conforme mencionado acima. Porém, esse detalhe não é muito informativo, pois a era pré-cambriana cobre um vasto intervalo de tempo, que vai desde a formação da Terra até cerca de 600 milhões de anos atrás. Vamos tentar afunilar mais um pouco o aparecimento dos primeiros vestígios de organismos.
Regredindo-se um pouco mais do que os 3,5 bilhões de anos de Schopf, há argumentos que apóiam a noção de que a vida tenha surgido há cerca de 3,8 bilhões de anos. Uma evidência para tal baseou-se na análise da razão entre as concentrações de carbono-13, um isótopo do carbono-12 e o próprio carbono-12. Essa análise foi feita em inclusões carbonáceas em rochas encontradas na Groelândia, dentre as mais antigas que se conhece. Como as formas vivas “preferem” consumir o carbono-12 (por ser mais leve e mais reativo quimicamente do que o carbono-13), a ocorrência com valor acima do esperado sugere a intervenção de processos biológicos. Por outro lado, inclusões carbonáceas que não tivessem resultado de processos vitais apresentariam um valor constante. É preciso lembrar, entretanto, que essas evidências são indiretas e baseiam-se comente nos supostos vestígios deixados pelos organismos.
Mas também há descrições de fósseis antigos semelhantes às cianobactérias de Schopf. Os microfósseis foram encontrados na Austrália, em 1980, por John Dunlop, e morfologicamente não diferem muito da descrição diagramática dos supostos fósseis de Schopf. Os microfósseis consistiam em formações chamadas de estromatólitos, estruturas compostas por tipos especiais de rochas. Dunlop sabia que os estromatólitos da Austrália eram antigos, pois foram detectados em rochas sedimentares encontradas no fundo de uma lagoa vulcânica.
Os estromatólitos são rochas estratificadas, formadas por camadas de colônias de bactérias que usavam a luz solar para obter energia. Os estromatólitos das rochas sedimentares parecem-se muito com formações modernas encontradas no Caribe e na parte ocidental da Austrália. A estrutura peculiar dos estromatólitos, mostrada na figura abaixo, deve-se à atividade metabólica das cianobatérias que secretam um muco pegajoso, composto primariamente por carboidratos.
Estromatólito.Esses filamentos secretados pelas cianobactérias permitem que, ao se dividir, as células filhas possam permanecer juntas assumindo a aparência filamentosa característica. Esses organismos podem então ser considerados precursores dos metazoários, ou seja, dos organismos multicelulares.
Durante sua vida, as cianobactérias depositam grãos minerais em camadas típicas que podem ser identificadas com segurança porque as cianobactérias modernas ainda realizam esse processo. Dessa maneira, o limite inferior para o aparecimento de microfósseis parece situar-se na vizinha de 3,5 bilhões de anos. Há, no entanto, relatos mostrando que formações como os estromatólitos poderiam ter surgido de maneira abiótica.
Por outro lado, o limite superior dessa faixa temporal tem um valor de 2,5 bilhões de anos, pois há registros convincentes de colônias de algas e de invertebrados assim datados. Dessa maneira, se quisermos ser conservadores e cautelosos, podemos arbitrar um valor de 3 bilhões de anos como representativo de uma convergência derivada de diversas evidências coletadas de forma independente. Essa data aproximada divide o éon arqueano – o mais antigo – do éon proterozoico, aquele que testemunhou o aparecimento da vida primitiva.
---
Polêmica à parte, os microfósseis descritos por Schopf, ou os microfósseis dos estromatólitos, correspondem a impressões de bactérias filamentosas que muito provavelmente já realizavam a fotossíntese, pois sua semelhança morfológica com as cianobactérias modernas é muito grande. Note que mesmo tomando como base o limite inferior de 3,5 bilhões de anos, temos que aceitar que esses microrganismos primitivos representam, na verdade, registros de formas de vida prontas e funcionais, bem adaptadas a seu ambiente. Estes microrganismos já adotavam sofisticados processos bioquímicos e, para todos os efeitos, exibiam características não muito distintas das bactérias modernas, pelo menos do ponto de vista bioquímico. Portanto, é razoável admitir que os eventos anteriores, que diretamente precederam a formação de uma célula primitiva, a protocélula, o progenoto, ou o protobionte, são mais antigos ainda. Se considerarmos o intervalo de tempo entre o resfriamento da crosta terrestre e o aparecimento dos microfósseis, chegamos à conclusão de que a formação da vida pode ter consumido cerca de 100-300 milhões de anos, o que na escala geológica é muito pouco. Para se ter uma ideia mais concreta desse intervalo de tempo, imaginemos que a idade da Terra corresponda às 24 horas de um dia. Nessa escala, a vida teria aparecido em menos de 1 minuto!
Esses aspectos ligados à data provável do aparecimento da vida tornam a discussão mais interessante ainda. O fato de que esse processo tenha ocorrido ao fim do primeiro quarto da existência da Terra, tão logo a crosta atingiu níveis de temperaturas compatíveis com certas reações químicas, é sugestivo. Do ponto de vista cronológico, essa simples observação nos informa que a vida parece ser um fenômeno provável.
Há ainda outro argumento que reforça a ideia de que o aparecimento da vida na Terra constituiu um evento provável. Além de situarmos o aparecimento da vida no limite do primeiro quarto de existência da Terra, temos que aceitar também a possibilidade de que a vida possa ter tido vários começos. Isto porque sabemos que durante os primeiros 500-700 milhões de anos de existência da Terra, houve intenso bombardeio de asteróides e de outros objetos celestes de grande massa, que ao chocar-se contra o planeta produziram catástrofes de abrangência global.
O nosso satélite natural, a Lua, que foi formado a partir de um grande choque entre a Terra e um corpo com a massa aproximada de Marte, serve como registro histórico desse intenso bombardeio. As inúmeras crateras da Lua refletem a intensidade e a frequência dos choques sofridos em sua infância. Como a Lua já esteve muito mais próxima da Terra, podemos considerar que em termos de distâncias astronômicas nosso satélite natural é uma extensão do planeta. Assim, podemos inferir que as crateras da Lua são um registro do início catastrófico da própria Terra. Só não observamos mais crateras na Terra porque nosso planeta possui atmosfera e está sujeito, portanto, a intensos processos de erosão causada por chuvas, vento, terremotos e por movimentos das placas tectônicas. Como ¾ da superfície da Terra estão cobertos por água, muitas das crateras estão ocultas. Da mesma maneira, as próprias florestas contribuem para disfarçar o cenário topográfico da superfície.
Ainda assim, há alguns registros notáveis de choques mais recentes. A península de Yucatan, no Golfo do México, exibe uma gigantesca cratera de um bólide que atingiu a Terra há 65 milhões de anos. Essa data marca o chamado evento K/T (de cretáceo/terciário; o K vem do alemão Kreide, que significa calcáreo), que com certeza corresponde ao fim da era geológica e dá início a era terciária. A figura abaixo mostra a dimensão dessa cratera, resultante de um impacto que certamente produziu mudanças climáticas de nível continental. As setas mostram o traçado ainda visível do impacto.
Durante sua vida, as cianobactérias depositam grãos minerais em camadas típicas que podem ser identificadas com segurança porque as cianobactérias modernas ainda realizam esse processo. Dessa maneira, o limite inferior para o aparecimento de microfósseis parece situar-se na vizinha de 3,5 bilhões de anos. Há, no entanto, relatos mostrando que formações como os estromatólitos poderiam ter surgido de maneira abiótica.
Por outro lado, o limite superior dessa faixa temporal tem um valor de 2,5 bilhões de anos, pois há registros convincentes de colônias de algas e de invertebrados assim datados. Dessa maneira, se quisermos ser conservadores e cautelosos, podemos arbitrar um valor de 3 bilhões de anos como representativo de uma convergência derivada de diversas evidências coletadas de forma independente. Essa data aproximada divide o éon arqueano – o mais antigo – do éon proterozoico, aquele que testemunhou o aparecimento da vida primitiva.
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Polêmica à parte, os microfósseis descritos por Schopf, ou os microfósseis dos estromatólitos, correspondem a impressões de bactérias filamentosas que muito provavelmente já realizavam a fotossíntese, pois sua semelhança morfológica com as cianobactérias modernas é muito grande. Note que mesmo tomando como base o limite inferior de 3,5 bilhões de anos, temos que aceitar que esses microrganismos primitivos representam, na verdade, registros de formas de vida prontas e funcionais, bem adaptadas a seu ambiente. Estes microrganismos já adotavam sofisticados processos bioquímicos e, para todos os efeitos, exibiam características não muito distintas das bactérias modernas, pelo menos do ponto de vista bioquímico. Portanto, é razoável admitir que os eventos anteriores, que diretamente precederam a formação de uma célula primitiva, a protocélula, o progenoto, ou o protobionte, são mais antigos ainda. Se considerarmos o intervalo de tempo entre o resfriamento da crosta terrestre e o aparecimento dos microfósseis, chegamos à conclusão de que a formação da vida pode ter consumido cerca de 100-300 milhões de anos, o que na escala geológica é muito pouco. Para se ter uma ideia mais concreta desse intervalo de tempo, imaginemos que a idade da Terra corresponda às 24 horas de um dia. Nessa escala, a vida teria aparecido em menos de 1 minuto!
Esses aspectos ligados à data provável do aparecimento da vida tornam a discussão mais interessante ainda. O fato de que esse processo tenha ocorrido ao fim do primeiro quarto da existência da Terra, tão logo a crosta atingiu níveis de temperaturas compatíveis com certas reações químicas, é sugestivo. Do ponto de vista cronológico, essa simples observação nos informa que a vida parece ser um fenômeno provável.
Há ainda outro argumento que reforça a ideia de que o aparecimento da vida na Terra constituiu um evento provável. Além de situarmos o aparecimento da vida no limite do primeiro quarto de existência da Terra, temos que aceitar também a possibilidade de que a vida possa ter tido vários começos. Isto porque sabemos que durante os primeiros 500-700 milhões de anos de existência da Terra, houve intenso bombardeio de asteróides e de outros objetos celestes de grande massa, que ao chocar-se contra o planeta produziram catástrofes de abrangência global.
O nosso satélite natural, a Lua, que foi formado a partir de um grande choque entre a Terra e um corpo com a massa aproximada de Marte, serve como registro histórico desse intenso bombardeio. As inúmeras crateras da Lua refletem a intensidade e a frequência dos choques sofridos em sua infância. Como a Lua já esteve muito mais próxima da Terra, podemos considerar que em termos de distâncias astronômicas nosso satélite natural é uma extensão do planeta. Assim, podemos inferir que as crateras da Lua são um registro do início catastrófico da própria Terra. Só não observamos mais crateras na Terra porque nosso planeta possui atmosfera e está sujeito, portanto, a intensos processos de erosão causada por chuvas, vento, terremotos e por movimentos das placas tectônicas. Como ¾ da superfície da Terra estão cobertos por água, muitas das crateras estão ocultas. Da mesma maneira, as próprias florestas contribuem para disfarçar o cenário topográfico da superfície.
Ainda assim, há alguns registros notáveis de choques mais recentes. A península de Yucatan, no Golfo do México, exibe uma gigantesca cratera de um bólide que atingiu a Terra há 65 milhões de anos. Essa data marca o chamado evento K/T (de cretáceo/terciário; o K vem do alemão Kreide, que significa calcáreo), que com certeza corresponde ao fim da era geológica e dá início a era terciária. A figura abaixo mostra a dimensão dessa cratera, resultante de um impacto que certamente produziu mudanças climáticas de nível continental. As setas mostram o traçado ainda visível do impacto.
Península do Yucatan.Outra cratera famosa é aquela encontrada no deserto do Arizona, nos Estados Unidos. Por estar no deserto, essa cratera está muito bem preservada e permitiu uma análise relativamente precisa de como foi o choque. Apesar do grande tamanho – diâmetro de aproximadamente 1.216 metros -, calcula-se que o meteorito tinha apenas 50 metros de comprimento. No entanto, com a massa estimada de centenas de toneladas, devido a sua composição de ferro e níquel, esse meteoro gerou uma explosão equivalente a 20 milhões de toneladas de TNT no momento de seu impacto. Desse modo, é fácil apreciar que choques de meteoros com massas superiores àquelas do meteoro do Arizona podem ter tido conseqüências de magnitude continental.
Depois deste período de impactos freqüentes, quando 99% dos grandes choques já haviam ocorrido, outros choques, agora mais espaçados, continuaram durante um longo tempo. Atualmente, acredita-se que um choque com as características do meteoro do Yucatan ocorra apenas a cada 100 mil anos.
Os grandes impactos teriam afetado o planeta no sentido de eliminar qualquer tipo de vida que tivesse surgido, principalmente os microorganismos que tenham vivido na superfície da Terra. Portanto, a observação de que o início da vida ocorreu numa época próxima à formação da Terra, aliada à noção bastante razoável de que a vida possa ter começado várias vezes, reforça a conclusão de que a sequência de eventos que originou aquilo que chamamos de vida não foi um processo tão improvável. De todo modo, a noção daquilo que é provável ou não só tem sentido do ponto de vista de reprodutibilidade. No caso da vida, independentemente de sua probabilidade, sabemos que esse fenômeno ocorreu e produziu conseqüências. Portanto, nossa tarefa nos dias de hoje é simplesmente discutir sobre aquilo que é, ou aquilo que aconteceu e está presente hoje em dia.
A escala de tempo que descreve os principais eventos relevantes ao aparecimento da vida durante a era pré-cambriana está representada na figura abaixo.
Depois deste período de impactos freqüentes, quando 99% dos grandes choques já haviam ocorrido, outros choques, agora mais espaçados, continuaram durante um longo tempo. Atualmente, acredita-se que um choque com as características do meteoro do Yucatan ocorra apenas a cada 100 mil anos.
Os grandes impactos teriam afetado o planeta no sentido de eliminar qualquer tipo de vida que tivesse surgido, principalmente os microorganismos que tenham vivido na superfície da Terra. Portanto, a observação de que o início da vida ocorreu numa época próxima à formação da Terra, aliada à noção bastante razoável de que a vida possa ter começado várias vezes, reforça a conclusão de que a sequência de eventos que originou aquilo que chamamos de vida não foi um processo tão improvável. De todo modo, a noção daquilo que é provável ou não só tem sentido do ponto de vista de reprodutibilidade. No caso da vida, independentemente de sua probabilidade, sabemos que esse fenômeno ocorreu e produziu conseqüências. Portanto, nossa tarefa nos dias de hoje é simplesmente discutir sobre aquilo que é, ou aquilo que aconteceu e está presente hoje em dia.
A escala de tempo que descreve os principais eventos relevantes ao aparecimento da vida durante a era pré-cambriana está representada na figura abaixo.
Escala de tempo pré-cambrianoA noção de que a vida é provável estimula a imaginação. Será que dadas as condições apropriadas, a vida sempre surgiria? A vida seria então uma manifestação comum no Universo? Teria sempre a mesma química? Dentro do possível, vamos tentar abordar essas perguntas com os poucos dados de que dispomos. Mas já fica aqui a previsão de que embora suspeitemos que não estamos sozinhos no Universo, dificilmente saberemos de fato se isso acontece ou não. [Pelo menos em relação à vida inteligente] A razão para tal é prática. As grandes distâncias entre os sistemas solares que poderiam abrigar vida exigiriam tempos de viagens imensos, mesmo a grandes velocidades, o que dificulta bastante a verificação ‘in loco’ da existência de vida inteligente extraterrestre. [Mas estamos sempre depositando novas esperanças nas futuras descobertas físicas]
Voltando à Terra, infelizmente, até o momento, não existem fósseis que tenham registrado as formas prototípicas, os esboços pré-celulares de compartimentos, que poderiam corresponder a etapas anteriores à formação da primeira célula. Tampouco existem fósseis de polímeros a nossa disposição. Dessa maneira, a organização das moléculas orgânicas numa estrutura que oportunamente compôs o que chamamos de célula viva ainda permanece envolta em mistério. Não há nenhuma evidência de uma etapa intermediária que possa orientar nosso pensamento. Só podemos mesmo especular como ocorreu esse processo e realizar experimentos mentais.
Depois, tentaremos reunir alguns argumentos que sirvam para propor uma trajetória provável para o aparecimento da vida na Terra. Entretanto, antes de prosseguirmos é preciso compreender que a célula viva não resultou de uma sequência de eventos que obedecia alguma finalidade predeterminada. Isso significa que o próprio conceito de progresso conforme o entendemos deve ser abandonado. A história da vida, incluindo a evolução, não significa que a célula viva não constitui tenha se aperfeiçoado ao longo do caminho. Simplesmente ocorreram ajustes entre os organismos e o ambiente. Repetimos que a célula viva não constitui uma exceção da natureza, isto é, não goza de privilégios especiais, decorrentes de leis exclusivas. Em outras palavras, a biologia não tem regras próprias. As leis da físico-química que regem as reações químicas são soberanas e as mesmas, para um mineral ou organismo. Até o momento, tudo que conhecemos sobre o funcionamento da célula viva pode ser explicado lançando mão exclusivamente dessas leis que envolvem a gravidade, forças nucleares fortes, fracas e eletromagnéticas. Adotar essa postura intelectual pode não ser muito fácil, o que até se justifica com base na história da ciência. Até relativamente pouco tempo, a célula viva era um enigma não só com relação a sua constituição molecular, mas também no âmbito da própria termodinâmica.
Voltando à Terra, infelizmente, até o momento, não existem fósseis que tenham registrado as formas prototípicas, os esboços pré-celulares de compartimentos, que poderiam corresponder a etapas anteriores à formação da primeira célula. Tampouco existem fósseis de polímeros a nossa disposição. Dessa maneira, a organização das moléculas orgânicas numa estrutura que oportunamente compôs o que chamamos de célula viva ainda permanece envolta em mistério. Não há nenhuma evidência de uma etapa intermediária que possa orientar nosso pensamento. Só podemos mesmo especular como ocorreu esse processo e realizar experimentos mentais.
Depois, tentaremos reunir alguns argumentos que sirvam para propor uma trajetória provável para o aparecimento da vida na Terra. Entretanto, antes de prosseguirmos é preciso compreender que a célula viva não resultou de uma sequência de eventos que obedecia alguma finalidade predeterminada. Isso significa que o próprio conceito de progresso conforme o entendemos deve ser abandonado. A história da vida, incluindo a evolução, não significa que a célula viva não constitui tenha se aperfeiçoado ao longo do caminho. Simplesmente ocorreram ajustes entre os organismos e o ambiente. Repetimos que a célula viva não constitui uma exceção da natureza, isto é, não goza de privilégios especiais, decorrentes de leis exclusivas. Em outras palavras, a biologia não tem regras próprias. As leis da físico-química que regem as reações químicas são soberanas e as mesmas, para um mineral ou organismo. Até o momento, tudo que conhecemos sobre o funcionamento da célula viva pode ser explicado lançando mão exclusivamente dessas leis que envolvem a gravidade, forças nucleares fortes, fracas e eletromagnéticas. Adotar essa postura intelectual pode não ser muito fácil, o que até se justifica com base na história da ciência. Até relativamente pouco tempo, a célula viva era um enigma não só com relação a sua constituição molecular, mas também no âmbito da própria termodinâmica.
1. Introdução
1.1 Como a Vida Surgiu e Como Evoluiu
2. A Origem da Vida
2.1 Monismo e Dualismo
2.2 O Universo
2.3 O Universo em Expansão
2.4 Outros Modelos do Universo
2.5 A Origem do Carbono
Fonte: Readaptação de AB INITIO de Franklin David Rumjanek
domingo, 4 de março de 2012
A Origem da Vida: A Origem do Carbono
O carbono merece um destaque especial porque a química do ser vivo usa e abusa deste elemento. Por que o carbono? Todos sabem que a química da vida é baseada no carbono, embora não seja óbvio por quê. É claro que outros elementos são importantes também, como hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre, metais etc., mas dentro do contexto de vida e de processos vitais, lidaremos essencialmente com um esqueleto de carbono ligado aos outros elementos.
Apesar de o carbono exibir características químicas que o tornam adequado ao processo vital, tem também que preencher um outro requisito: a abundância. Para que possamos dar prosseguimento à narrativa, temos que fazer uma breve consideração sobre como surgiram os elementos que compõem o Universo, principalmente o carbono.
A razão para a seleção do carbono como o elemento vital se deve a suas propriedades químicas peculiares, que serão enumeradas e explicadas mais adiante.
Conforme já mencionamos, especula-se que as partículas fundamentais da matéria – prótons, elétrons e nêutrons -, que coletivamente podem ser chamadas de bárions, tenham se formado 15-5 segundos depois do Big Bang. A escala que mostra os principais eventos depois do Big Bang encontra-se abaixo.
Apesar de o carbono exibir características químicas que o tornam adequado ao processo vital, tem também que preencher um outro requisito: a abundância. Para que possamos dar prosseguimento à narrativa, temos que fazer uma breve consideração sobre como surgiram os elementos que compõem o Universo, principalmente o carbono.
A razão para a seleção do carbono como o elemento vital se deve a suas propriedades químicas peculiares, que serão enumeradas e explicadas mais adiante.
Conforme já mencionamos, especula-se que as partículas fundamentais da matéria – prótons, elétrons e nêutrons -, que coletivamente podem ser chamadas de bárions, tenham se formado 15-5 segundos depois do Big Bang. A escala que mostra os principais eventos depois do Big Bang encontra-se abaixo.
Linha de tempo do Big BangNota-se no diagrama que aos 3 minutos ocorre a nucleossíntese. Para nossa discussão sobre o carbono (e outros elementos também), essa é a etapa que mais importa. Durante a nucleossíntese, os elementos propriamente ditos se formaram.
A formação dos elementos só foi possível depois que a enorme energia inicial do Big Bang dissipou-se o suficiente para que os bárions – partículas subatômicas, como o pronto do núcleo atômico – pudessem se associar formando os átomos e, consequentemente, os elementos. Para que a nucleossíntese pudesse ocorrer era necessário contar com uma “janela” na qual o nível de energia não poderia ser aquele inicial, mas ainda bastante alto. Supostamente, essa janela foi atingida no terceiro minuto da criação do Universo.
O processo de fusão nuclear pode ser observado nas estrelas. No Sol, por exemplo, a enorme energia produzida, e que em parte sustenta a vida na Terra, é o resultado da fusão nuclear. No Sol e em grande número de estrelas, a produção de energia decorre da fusão de átomos de hidrogênio. O átomo de hidrogênio só tem um próton (cinza) e, assim, antes de gerar o hélio, conforme mostrado na figura abaixo, fundiu-se com um nêutron, gerando o deutério. Em seguida, o deutério e um nêutron, adicionado ao trítio, geram, então, o elemento hélio.
A formação dos elementos só foi possível depois que a enorme energia inicial do Big Bang dissipou-se o suficiente para que os bárions – partículas subatômicas, como o pronto do núcleo atômico – pudessem se associar formando os átomos e, consequentemente, os elementos. Para que a nucleossíntese pudesse ocorrer era necessário contar com uma “janela” na qual o nível de energia não poderia ser aquele inicial, mas ainda bastante alto. Supostamente, essa janela foi atingida no terceiro minuto da criação do Universo.
O processo de fusão nuclear pode ser observado nas estrelas. No Sol, por exemplo, a enorme energia produzida, e que em parte sustenta a vida na Terra, é o resultado da fusão nuclear. No Sol e em grande número de estrelas, a produção de energia decorre da fusão de átomos de hidrogênio. O átomo de hidrogênio só tem um próton (cinza) e, assim, antes de gerar o hélio, conforme mostrado na figura abaixo, fundiu-se com um nêutron, gerando o deutério. Em seguida, o deutério e um nêutron, adicionado ao trítio, geram, então, o elemento hélio.
Formação de hélio por nucleossíntese a partir de deutério e trítio.Quando todo o hidrogênio se esgotar no Sol, o que provavelmente acontecerá daqui a cerca de 5 bilhões de anos, o próprio hélio será consumido, dando origem à formação de elementos mais pesados. Nesse momento, o Sol se converterá numa estrela gigante vermelha e atingirá um volume muito maior que o atual. Bem antes dessa época, a vida na Terra já teria se extinguido, porque as temperaturas na superfície do planeta serão tão altas que, por exemplo, não haverá mais água; todos os oceanos ferverão e o vapor de água já se dissipará no espaço. A própria crosta terrestre assumirá uma consistência semelhante à lava vulcânica. Se ainda estivéssemos vivos, poderíamos observar o Sol ocupando todo o céu visível. Dada a proximidade com o Sol, nesse momento a Terra seria inevitavelmente engolfada pelo gigante vermelho, fazendo companhia a Mercúrio e Vênus. Mas essa é uma outra história. Voltemos ao começo.
Ainda durante os minutos inicias do Universo, a nucleossíntese prosseguia gerando outros elementos além do hidrogênio e do hélio. Segundo o processo chamado de triplo alfa, o carbono teria se formado. A formação do carbono pela reação do triplo alfa é mostrando na figura abaixo.
Ainda durante os minutos inicias do Universo, a nucleossíntese prosseguia gerando outros elementos além do hidrogênio e do hélio. Segundo o processo chamado de triplo alfa, o carbono teria se formado. A formação do carbono pela reação do triplo alfa é mostrando na figura abaixo.
Formação de carbono pela reação triplo alfa.Nessa reação, dois átomos de hélio se fundem formando o núcleo do berílio. Em seguida, um núcleo de hélio e um núcleo de berílio se fundem, formando então o núcleo excitado do carbono-12, cuja característica é a emissão de raios gama. Esse processo do triplo alfa já foi confirmado experimentalmente.
Com essa informação podemos aceitar que a reação que deu origem ao carbono é de fato o processo triplo alfa, e que essa fusão ainda ocorre nas estrelas. Assim, os seres vivos da Terra são verdadeiramente filhos de estrelas que provavelmente nem existem mais.
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O carbono reúne várias características não encontradas em outros elementos; dentre estas, podemos destacar as principais:
1- Pode estabelecer quatro valências diferentes. Com si próprio, ou com outros elementos, tais como o oxigênio, o nitrogênio, o enxofre e o hidrogênio. Essa propriedade química também confere ao carbono a capacidade de formar compostos ramificados. Dentre os elementos mais abundantes na crosta terrestre, o carbono é sabidamente aquele que forma o maior número de compostos.
2- As valências entre o carbono e os vários outros átomos, embora estáveis nas temperaturas terrestres, possuem energias de ligações não muito altas. Isso significa que é possível romper as ligações com energias que são facilmente obtidas na célula viva. Essa situação é compatível, portanto, com processos reversíveis, o que para a homeostasia característica das células vivas é muito importante.
3- Os compostos de carbono (em especial os hidrocarbonetos) são praticamente infinitos em sua variedade estrutural.
4- As valências entre o carbono e outros átomos e radicais possuem uma flexibilidade tal que as estruturas tridimensionais podem apresentar muitas formas diferentes. Isso significa que as valências do carbono sofrem torções que tornam possíveis a aproximação de muitos grupos reativos. Essa é, na verdade, a base da reação enzimática e da ligação entre ligantes e receptores.
A tabela abaixo mostra as abundâncias relativas de vários elementos no Sol e na crosta terrestre.
Abundância relativa dos elementosPercebe-se claramente que o carbono possui uma abundância relativa que fica abaixo da do hidrogênio, do oxigênio e do silício, por exemplo. Nessa lista, o carbono ocupa o oitavo lugar. Podemos concluir então que, para a formação da vida, o carbono foi de fato selecionado por suas propriedades e não apenas pela abundância.
A propriedade de formar quatro valências não é exclusividade do carbono. O silício, que é muito mais abundante na crosta terrestre que o carbono, também forma quatro valências. Por outro lado, o silício não forma valências com a mesma diversidade apresentada pelo carbono.
A tabela abaixo mostra as valências mais comuns do carbono, juntamente com as suas energias de ligação – a energia necessária para romper estas ligações. Para entender o que é energia de ligação, imagine que você esteja segurando dois ímãs que estão ligados um ao outro. O esforço para separá-los equivale à energia necessária para romper valências químicas.
A propriedade de formar quatro valências não é exclusividade do carbono. O silício, que é muito mais abundante na crosta terrestre que o carbono, também forma quatro valências. Por outro lado, o silício não forma valências com a mesma diversidade apresentada pelo carbono.
A tabela abaixo mostra as valências mais comuns do carbono, juntamente com as suas energias de ligação – a energia necessária para romper estas ligações. Para entender o que é energia de ligação, imagine que você esteja segurando dois ímãs que estão ligados um ao outro. O esforço para separá-los equivale à energia necessária para romper valências químicas.
Valências mais comuns do carbono.Esse parâmetro dá uma ideia da afinidade entre átomos que fazem parte de uma determinada valência. Quanto mais alta for a energia de ligação, mais estável a molécula, e de uma certa forma, menos reativa. Conforme veremos mais adiante, a célula viva só é viável porque contém um conjunto de moléculas que, no contexto das reações químicas, caracterizou-se por apresentar energias de ligação não muito altas. Tal situação facilita a reversibilidade das reações, as degradações de uma forma geral, a substituição de radicais etc. Se, ao contrário, as moléculas fossem muito estáveis e, portanto, mais inertes, pouco reativas, haveria uma menor possibilidade de que as reações ocorressem com a energia disponível na célula viva, ou ao seu redor. Ao conjunto de reações químicas que ocorrem nas células dá-se o nome de metabolismo.
Os compostos à base de silício apresentam diferenças consideráveis no que tange ao metabolismo. Vários autores (mormente de ficção científica) já propuseram que em outros ambientes o silício poderia também formar a base química de vida alienígena. Entretanto, esses autores também levaram em consideração que, no caso do silício, as valências são pouco flexíveis (mais resistentes a torções), o que restringe o número de tipos possíveis de estruturas tridimensionais. Outras valências do silício são muito estáveis, como nas moléculas dos silicatos. Por exemplo, o silicone, um polímero à base de silício, é formado por ligações alternadas entre o Si e O. Essas ligações são muito estáveis, pouco reativas, o que nem sempre é vantajoso no ambiente da célula viva. Compostos pouco reativos produziriam um metabolismo excessivamente lento. Além disso, a maioria dos polímeros de silicone é insolúvel na água, o que dificultaria muito o contato entre os reagentes e, em consequência, as reações entre estes.
Há ainda a situação inversa, como aquela de alguns compostos de silício cujas valências são muito instáveis. Por exemplo, os silanos – polímeros apresentando ligações diretas entre átomos de silício. Os silanos são estáveis apenas em temperaturas muito baias e, além disso, degradam-se facilmente na água. Quem sabe os silanos seriam a base da química vital em um ambiente bem mais frio do que aquele na Terra?
Como já foi mencionado, compostos do silício são pouco solúveis, o que também se torna um problema quando consideramos as reações químicas que envolvem gases. Por exemplo, a molécula do SiO2, equivalente ao dióxido de carbono ou gás carbônico (CO2), é sólida à temperaturas ambiente (o cristal de quartzo é comumente encontrado como areia). Por outro lado, sabemos que o CO2 é gasoso (pode formar uma atmosfera) e é altamente solúvel em vários solventes, sobretudo a água. Essas propriedades favorecem reações químicas envolvendo o CO2 devido a sua rápida difusão em vários meios distintos, ao contrário do quartzo. A solubilidade de um composto num determinado solvente permite uma velocidade de reação muito maior que aquela verificada entre reagentes sólidos.
Ao contrário do silício, o carbono permite a existência de literalmente milhões de compostos diferentes. Essa diversidade inclui pequenas moléculas orgânicas e polímeros. Os hidrocarbonetos incluem estruturas lineares e ramificadas, o que aumenta enormemente a diversidade destas moléculas. Ademais, pode-se afirmar que sempre é possível acrescentar mais um átomo de carbono a um hidrocarboneto.
Além dos hidrocarbonetos, existem outras grandes moléculas nas quais ocorrem ligações C-C. Os exemplos mais atuais são os fulerenos, que podem apresentar uma rica coleção de formas, e também os nanotubos de carbono. Em comparação, os polímeros à base de silício são mais monótonos, isto é, não exibem a variedade de estruturas poliméricas observadas nas células, dentre as quais apenas as proteínas apresentam milhares de variantes.
Percebe-se, diante desses dados, que na probabilidade de ocorrência de reações químicas sob as condições ambientais encontradas na Terra primitiva e na contemporânea, as moléculas à base de carbono claramente destacam-se. Compreende-se assim que a probabilidade de que o carbono – não um outro elemento – tenha constituído a base da vida aumente devido ao enorme acervo molecular disponível para reações diversas, mesmo em condições abióticas.
Desse modo, a ocorrência do carbono na crosta terrestre torna plausível uma situação na qual os compostos de carbono, assumindo a mais variadas estruturas, tenham interagido entre si, formando uma malha complexa que oportunamente adquiriu propriedades distintas, que hoje denominamos vida.
Para reforçar ainda mais a versatilidade do carbono, sabemos que além dos compostos normais encontrados nos seres vivos, este elemento pode assumir estruturas cristalinas, cujas propriedades físico-químicas entre si são muito distintas. Exemplos clássicos são o grafite, cujas aplicações são múltiplas (lápis, lubrificantes especiais e reatores nucleares) e o diamante.
Veremos depois como o carbono, a água e outros ingredientes básicos da vida podem ter chegado à Terra.
Os compostos à base de silício apresentam diferenças consideráveis no que tange ao metabolismo. Vários autores (mormente de ficção científica) já propuseram que em outros ambientes o silício poderia também formar a base química de vida alienígena. Entretanto, esses autores também levaram em consideração que, no caso do silício, as valências são pouco flexíveis (mais resistentes a torções), o que restringe o número de tipos possíveis de estruturas tridimensionais. Outras valências do silício são muito estáveis, como nas moléculas dos silicatos. Por exemplo, o silicone, um polímero à base de silício, é formado por ligações alternadas entre o Si e O. Essas ligações são muito estáveis, pouco reativas, o que nem sempre é vantajoso no ambiente da célula viva. Compostos pouco reativos produziriam um metabolismo excessivamente lento. Além disso, a maioria dos polímeros de silicone é insolúvel na água, o que dificultaria muito o contato entre os reagentes e, em consequência, as reações entre estes.
Há ainda a situação inversa, como aquela de alguns compostos de silício cujas valências são muito instáveis. Por exemplo, os silanos – polímeros apresentando ligações diretas entre átomos de silício. Os silanos são estáveis apenas em temperaturas muito baias e, além disso, degradam-se facilmente na água. Quem sabe os silanos seriam a base da química vital em um ambiente bem mais frio do que aquele na Terra?
Como já foi mencionado, compostos do silício são pouco solúveis, o que também se torna um problema quando consideramos as reações químicas que envolvem gases. Por exemplo, a molécula do SiO2, equivalente ao dióxido de carbono ou gás carbônico (CO2), é sólida à temperaturas ambiente (o cristal de quartzo é comumente encontrado como areia). Por outro lado, sabemos que o CO2 é gasoso (pode formar uma atmosfera) e é altamente solúvel em vários solventes, sobretudo a água. Essas propriedades favorecem reações químicas envolvendo o CO2 devido a sua rápida difusão em vários meios distintos, ao contrário do quartzo. A solubilidade de um composto num determinado solvente permite uma velocidade de reação muito maior que aquela verificada entre reagentes sólidos.
Ao contrário do silício, o carbono permite a existência de literalmente milhões de compostos diferentes. Essa diversidade inclui pequenas moléculas orgânicas e polímeros. Os hidrocarbonetos incluem estruturas lineares e ramificadas, o que aumenta enormemente a diversidade destas moléculas. Ademais, pode-se afirmar que sempre é possível acrescentar mais um átomo de carbono a um hidrocarboneto.
Além dos hidrocarbonetos, existem outras grandes moléculas nas quais ocorrem ligações C-C. Os exemplos mais atuais são os fulerenos, que podem apresentar uma rica coleção de formas, e também os nanotubos de carbono. Em comparação, os polímeros à base de silício são mais monótonos, isto é, não exibem a variedade de estruturas poliméricas observadas nas células, dentre as quais apenas as proteínas apresentam milhares de variantes.
Percebe-se, diante desses dados, que na probabilidade de ocorrência de reações químicas sob as condições ambientais encontradas na Terra primitiva e na contemporânea, as moléculas à base de carbono claramente destacam-se. Compreende-se assim que a probabilidade de que o carbono – não um outro elemento – tenha constituído a base da vida aumente devido ao enorme acervo molecular disponível para reações diversas, mesmo em condições abióticas.
Desse modo, a ocorrência do carbono na crosta terrestre torna plausível uma situação na qual os compostos de carbono, assumindo a mais variadas estruturas, tenham interagido entre si, formando uma malha complexa que oportunamente adquiriu propriedades distintas, que hoje denominamos vida.
Para reforçar ainda mais a versatilidade do carbono, sabemos que além dos compostos normais encontrados nos seres vivos, este elemento pode assumir estruturas cristalinas, cujas propriedades físico-químicas entre si são muito distintas. Exemplos clássicos são o grafite, cujas aplicações são múltiplas (lápis, lubrificantes especiais e reatores nucleares) e o diamante.
Veremos depois como o carbono, a água e outros ingredientes básicos da vida podem ter chegado à Terra.
1. Introdução
1.1 Como a Vida Surgiu e Como Evoluiu
2. A Origem da Vida
2.1 Monismo e Dualismo
2.2 O Universo
2.3 O Universo em Expansão
2.4 Outros Modelos do Universo
Fonte: Readaptação de AB INITIO de Franklin David Rumjanek
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