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A vida constitui apenas uma parte ínfima do universo conhecido,
A origem dos seres vivos intriga
o homem desde que o fenômeno vida
ganhou, no século 19, uma ciência
inteiramente dedicada a ele,
a biologia. O estudo dessa questão
baseou-se, por muito tempo, na idéia
de que a vida teria surgido a partir
de ‘moléculas precursoras’,
sejam elas proteínas ou ácidos
nucléicos (DNA/RNA). No final
do século passado, porém,
um novo modelo mudou o foco do
problema – de ‘como a vida apareceu’
para ‘como a vida funciona’ –,
levando a novas perguntas,
que inspiram pesquisas
com resultados instigantes.
Luiz Antônio Botelho Andrade Departamento de Imunobiologia, Universidade Federal Fluminense Edson Pereira da Silva Departamento de Biologia Marinha, Universidade Federal Fluminense
habitando uma fina camada de um planeta margi- nal. A singularidade do fenômeno, porém, é pertur- badora. A vida faz parte dos chamados ‘sistemas com- plexos’, para os quais o tempo é irreversível e cons- trutivo – ou seja, pode-se reconstruir a história da evo- lução dos seres vivos e da própria vida, mas é impos- sível definir sua trajetória futura. A vida é ainda um sistema altamente organizado, em contraste com um universo que sempre tende ao aumento da desordem (entropia), como afirma a se- gunda lei da termodinâmica. A contradição, porém, é apenas aparente. O aumento da organização do mun- do vivo é local: diz respeito só aos seres vivos e não a todo o universo. Assim, tais seres absorvem do meio a energia (alimentos, no caso dos heterotróficos, e luz solar, no caso dos autotróficos) necessária para suas atividades e para manter sua organização, mas no balanço final o universo continua tenden- do à desordem. Mas, afinal, o que é vida? É uma pergunta difícil. Para en- tendê-la integralmente e
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O que
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assumir criticamente as conseqüências de qualquer de suas possíveis respostas, é necessário percorrer a história, já longa, da própria pergunta.
Uma pergunta
sem lugar
As idéias sobre o mundo vivo não mudaram muito da Antigüidade até o Renascimento. Isso porque, nesse longo período, a pergunta ‘o que é vida?’ não teve um lugar próprio na filosofia ou na ciência, ou seja, o fenômeno vivo não foi concebido como uma questão em si. Nesse período, o interesse restrin- giu-se ao entendimento da ordem do universo – o vi- vo era apenas mais uma manifestação dessa ordem. Os filósofos gregos mais antigos pre- tendiam compreender o universo pe- la arché (origem, princípio): para Tales (c. 624-545 a.C.), a origem
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de tudo era a água; para Anaxímenes (morto em tor- no de 500 a.C.), era o ar. Partindo deles, e passando por sábios como Aristóteles (384-322 a.C.), com seu sistema de causas (material, formal, motriz e fi- nal) que explicariam a essência das coisas, chegou- se ao Renascimento ainda com a concepção de que cada corpo do mundo (estrela, pedra, planta, animal) seria sempre o produto de uma combinação especí- fica de matéria e forma. Por esse ponto de vista, a natureza – que coloca forma na matéria para criar astros, minerais ou seres vivos – é apenas um princípio que atua sob a condu- ção de Deus. Logo, todo o universo tem uma só or- dem e esta deve ser desvendada pela leitura cuida dosa da vontade divina. Tal leitura é uma decifra- ção dos signos, ou seja, as formas do mundo. Pode- se dizer que, até o século 16, o papel do homem era o de deci- frar um universo cifrado por Deus. A vida não suscitara uma discussão específica. A pergunta ‘o que é vida?’ não faz sentido nesse mundo. É uma pergunta sem lugar.
é vida?
ILUSTRAÇÃO
ALIEDO
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algo anterior à vida, na evolução), paravivos (seriam parasitos celulares) ou pós-vivos (teriam evoluído a partir de estruturas genéticas)? O segundo ponto frágil decorre do primeiro: como definir o momento da transição de inanimado para vivo? Imaginar um momento em que todos os predicados surgissem a um só tempo é muito próximo de imaginar o instan- te da ‘criação divina’.
A vida como
um código
Em 1943, o austríaco Erwin Schrödinger (1887- 1961), que 10 anos antes havia recebido o prêmio Nobel de física, fez uma série de palestras sobre a vida. O conteúdo de suas palestras (reunidas no livro O que é vida?, de 1944) teve grande influência nos meios científicos, inclusive na descoberta da estru- tura da molécula de DNA e no desenvolvimento da biologia molecular. Mais que tudo, esse trabalho é um testemunho da influência, no campo da biologia, de idéias reducionistas, tendo como arauto um dos melhores filhos da ‘ciência por excelência’, a física moderna. Schrödinger falou sobre dois temas básicos: a natureza da hereditariedade e a ordem a partir da desordem. Na essência, suas idéias são simples: o gene deveria ser um tipo de cristal aperiódico, que armazenaria informação através de um código em sua estrutura. Essa profética afirmação seria confir- mada com o modelo de dupla hélice do DNA. Quanto ao segundo tema, Shrödinger ressaltou que o ser vivo mantém sua ordem interna aumentando a desordem no meio externo, e portanto sem contrariar a segunda lei da termodinâmica. Em um desdobramento dessas idéias, o bioquími- co francês Jacques Monod (1910-1976), que ganha- ria o Nobel de medicina em 1965, definiu a vida, no livro O acaso e a necessidade (de 1970), como um sistema capaz de se perpetuar no tempo graças à manutenção de sua informação. Esta, segundo ele, estaria situada em um programa genético. Assim, todo ser vivo tem: 1. um projeto interno, que se rea- liza em suas estruturas (propriedade chamada de ‘teleonomia’); 2. capacidade de realizar tais estru- turas, sem interferência de forças externas (isso depende, portanto, de interações ‘morfogenéti- cas’ internas); e 3. poder de reproduzir e transmitir, inalterada, a informação sobre a própria estrutura (propriedade chamada de ‘invariância’). Esse ponto de vista enfatiza a importância do código e do programa genético para explicar o fenô- meno complexo da vida. Isso influenciou fortemen-
te os avanços da biologia molecular e fortaleceu a idéia, dominante até hoje, de que a compreensão da vida se reduz ao conhecimento da estrutura e do funcionamento dos genes.
A vida como
um operar
Um modelo alternativo para explicar o que é vida – a ‘autopoiese’ – foi proposto pelos neurobiólogos chilenos Humberto Maturana e Francisco Varela (1947-2001). Pode-se condensar a nova idéia em dois aforismos: ‘viver é conhecer’ e ‘conhecer é fazer’. Para eles, todo ser vivo, ao interagir com o meio, é capaz de conhecer, ou exibir uma conduta adequa- da (um ‘operar efetivo’), mas sua identidade (organi- zação) não se altera nos limites ou domínios de sua existência (ver ‘Sistema, organização e estrutura’). Segundo o modelo da autopoiese, todos os seres vivos (os organismos atuais e aqueles que já existi- ram) têm uma mesma organização. Isso poderia explicar por que se usa, desde sempre, apenas uma palavra – vida – para distinguir todos os seres que denominamos vivos. Todo ser vivo é considerado, nesse modelo, uma unidade autopoiética (um sis- tema), cuja organização é definida por uma rede de interações moleculares concatenadas, que pro- duz: 1) os próprios componentes que participam das
Sistema, organização e estrutura
O modelo da autopoiese exige uma redefinição de termos como siste- ma, organização e estrutura. ‘Sistema’ seria qualquer coleção de elementos que, através de suas interações preferenciais, estabelece uma fronteira operacional, que o separa de outros elementos com os quais também pode interagir. Já a ‘organização’ é dada pelas relações (entre componentes) que devem existir ou ocorrer para que algo exis- ta. A organização confere a um conjunto de elementos sua unidade de classe. Para designar um objeto (uma cadeira, por exemplo) precisamos reconhecer as relações entre seus componentes (pernas, encosto e assen- to) que tornam o ‘sentar’ possível. Já a ‘estrutura’ (cujo conceito deriva do conceito de organização) é o conjunto das relações efetivas entre os componentes de uma organização ou de um sistema. No exemplo da cadeira, ela pode ser descrita especificando-se, além das relações entre seus componentes (pernas, assento e encosto), os diferentes ma- teriais (madeira, plástico, couro, ferro, alumínio) de que é feita. Assim, a mesma organização pode ser efetivada por diferentes estruturas.
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Definem uma fronteira
Membrana Dinâmica metabólica
Produção de moléculas constitutivas da
Comentário feito por um observador
interações e das contínuas transformações internas dessa unidade; e 2) a fronteira física que dá forma à unidade. Na maioria dos textos sobre o metabolismo, o programa genético (código), está hierarquicamen- te acima do resto das biomoléculas participantes da rede metabólica. Assim, os ácidos nucléicos (ge- nes) ganham posição de destaque nessa percepção linear e unidirecional do metabolismo: ‘DNA e/ou RNA ® Proteínas.’ O modelo da autopoiese, porém, enfatiza a circularidade, ou fechamento operacional, da rede metabólica, levando a nova representação: ‘DNA e/ou RNA « Proteínas.’ Essa idéia pode ser visualizada em uma concep- ção do organismo na qual o código não tem posição ‘superior’ e pode ser representado por pontos indiferenciados (figura 1). Não são destacados, nes- sa concepção, este ou aquele ponto ou mesmo a com- plexidade das reações pontuais de catálise (acelera- ção de reações bioquímicas por enzimas). O que é ressaltado é o sistema que emerge, como um todo, e que assume uma configuração autocatalítica, já que várias biomoléculas atuam, simultaneamente, como catalisadores e como substratos para reações. A especificação de uma fronteira física, que se-
Nutrientes Membrana
Excreções
pare a célula do entorno, também é essencial para a existência do vivo: inúmeras reações catalíticas e autocatalíticas só ocorrem de modo eficiente e concatenado dentro dos limites da célula. Fora de- les, com os componentes diluídos no meio, algumas dessas reações nunca ocorreriam, por razões ter- modinâmicas ou pela improbabilidade de encon- tros efetivos. Assim, toda célula viva tem uma mem- brana plasmática contínua, delgada e permeável, que permite trocas entre ela e o meio, mas preser- va sua identidade molecular (figura 2). Em suma, a autopoiese vê a organização do vivo como uma rede de produção de moléculas constitu- tivas que se regenera continuamente e, ao mesmo tempo, define (através de uma fronteira) o domínio onde tal rede se realiza. É importante ressaltar que tudo isso são ‘comentários de um observador’. Para Maturana, as explicações que criamos sobre o mundo real não são ‘a realidade’, mas ‘ recortes da realidade’.
O ovo ou a galinha?
A observação das formas atuais de vida indica que mesmo o mais simples dos seres vivos é um sistema altamente complexo, onde se destacam duas classes de moléculas: 1) as ‘proteínas’, que constituem a maquinaria enzimática que realiza as reações ca- talíticas que mantêm a vida; e 2) os ‘ácidos nucléi- cos’, responsáveis pela manutenção e herança das informações do operar do ser vivo. Proteínas realizam as reações vitais, mas só ope- ram segundo o código contido no DNA, e este tam- bém é inoperante sem o aparato protéico/enzimá- tico especificado por ele próprio. A total interde- pendência entre essas moléculas essenciais remete a uma das principais questões ligadas à origem da vida: o chamado ‘dilema do ovo e da galinha’. Na origem da vida na Terra, quem veio primeiro: os genes ou as proteínas? É possível imaginar a presença, nos oceanos pri- mitivos, de sistemas organizados de reações en- zimáticas, do tipo coarcevados (gotículas ricas em certos compostos que surgem por separação de fase em soluções coloidais), mas como se perpetua- riam e evoluiriam sem um código genético? Os áci- dos nucléicos também poderiam surgir nas condi- ções da Terra primitiva, mas como formariam um sistema complexo e organizado sem interagir com o aparato protéico/enzimático? O dilema do ovo e da galinha ainda não tem uma solução consensual. Assim, para discuti-lo, é conve- niente apresentar os principais caminhos e aborda- gens dos programas de pesquisa que abordam a questão da origem da vida.
Figura 1. Representação de uma rede metabólica circular que produz, para um observador, um fechamento operacional
Figura 2. A organização do vivo como uma rede circular de produção de moléculas constitutivas que no seu operar especifica uma fronteira
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Vdec = Vger
Automanutenção
Auto-replicação
Implosão
Vdec >Vger
Vdec= =
Vger >Vdec
Vger=
∆[C]
∆t ∆[C] ∆t
∆[P]
∆t
dos de glicerol. Tais compostos atraem grande inte- resse porque são muito mais resistentes que a ribose (presente no RNA). Portanto, podem ter se acumu- lado, nos ambientes aquáticos da Terra primitiva, em quantidade suficiente para a formação posterior dos ácidos nucléicos. O problema, nesse caso, é de- monstrar a possibilidade da passagem de ‘um mun- do de análogos de RNA’ para ‘um mundo de RNAs’. Como se vê, a proposta da origem da vida a partir de um ‘polímero primordial’ de ácidos nucléicos ou análogos (o ovo) é rica em respostas que geram novas perguntas.
A hipótese
da galinha
Mesmo após a descoberta do DNA, a hipótese da galinha (a origem da vida com base em compostos moleculares protéicos) manteve-se viva, graças ao trabalho de seus defensores, que buscaram argu- mentos a seu favor. O primeiro foi obtido em 1953 por um estudante de química norte-americano, Stan- ley Miller. Ele reproduziu, em laboratório, as condi- ções que se acreditava serem as da atmosfera pri- mitiva da Terra, conseguindo a formação de mais de 12 aminoácidos, alguns deles descritos depois em meteoritos. Hoje, esse experimento é contestado, pois moléculas orgânicas só se formariam se a atmos- fera fosse quimicamente redutora, algo que não se considera possível na Terra primitiva. Na época, o experimento gerou nova pergunta: os aminoácidos primordiais, nas condições pré-bióticas, poderiam ter se ligado para formar peptídios (os
‘tijolos’ das proteínas)? A resposta foi dada pelo biofísico norte-americano Sidney Fox e seu grupo em estudos sobre a polimerização de misturas de aminoácidos pela ação do calor. Ele aqueceu, a 170oC, uma mistura seca de aminoácidos por três horas, e obteve um sólido com aparência de plástico. Ao moer o material e misturá-lo à água, descobriu que uma parcela (até 15% do peso) era solúvel e continha cerca de 50 aminoácidos combinados. Fox chamou esse produto solúvel de ‘proteinóide’ e vem seguindo essa linha de pesquisa por toda a sua vida. O grupo de Fox verificou depois que os proteinói- des eram capazes de formar vesículas (microesferas). Estas, segundo Fox, teriam servido como fronteiras para células primitivas. Essa idéia é contestada por muitos, mas o citologista belga Christian De Duve (Nobel de medicina em 1974) ressalta sua importân- cia: os proteinóides têm alguma atuação catalítica fraca e sua composição em aminoácidos é relativa- mente constante e reproduzível, apesar das condi- ções aleatórias da receita. Isso indica que as ligações entre os aminoácidos da mistura inicial não ocorre- riam só ao acaso, mas certas associações seriam privilegiadas. Outro argumento é o de que, devido à natureza estritamente físico-química dos fatores envolvidos, a formação de proteinóides pode ter permanecido constante nas prováveis condições (calor intenso) anteriores ao surgimento de seres vivos, até que tais condições se alteraram. Ainda que a formação do ‘proteinóide’ pudesse aumentar, na Terra primitiva, restava um problema: haveria suficiente diversi- dade de ‘proteínas precursoras’ (ou ao menos de peptídios) com atividade catalítica? A resposta foi fornecida, antes que a pergunta sur- gisse, pelo químico alemão Heinrich Wieland (1877- 1957), quando este demonstrou que aminoácidos contendo grupamentos do tipo tiol (tioésteres) po- diam formar peptídios em temperaturas mais bai- xas que as usadas por Fox e na ausência de catali- sadores. A importância do achado seria notada quan- do o bioquímico alemão (naturalizado norte-ame- ricano) Fritz Lipmann (1899-1986) descobriu que certos peptídios bacterianos (como o antibiótico gramididina-S) são sintetizados na natureza a par- tir de tioésteres. O próprio Lipmann sugeriu que o mecanismo de formação de peptídios, dependente de tioésteres, pode ter precedido o mecanismo sintetizador de proteína, dependente de RNA, na evolução da vida. De Duve, no livro Poeira vital – A vida como um imperativo cósmico, argumenta que tioésteres são relevantes para a formação de peptídios por duas razões principais: 1) tioésteres são essenciais no me- tabolismo atual (razão que chamou de ‘congruên- cia’); e 2) o grupamento tiol deriva do ácido sulfídri-
Figura 4. Sistema isocitrato/ octanol, onde micelas artificiais se auto-replicam, ou seja, mostram-se capazes de efetuar uma síntese orgânica a partir das propriedades estruturais definidas pelo próprio sistema
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co (H 2 S), o gás pútrido que impregnava o cenário físico-químico do berço da vida. Ele acrescenta ain- da o achado recente do grupo de Miller que mostra a viabilidade da síntese pré-biótica de dois tióis naturais, a coenzima-M (importante em bactérias produtoras de metano) e a cisteamina (componen- te indispensável da coenzima-A, essencial a todos os seres vivos atuais). Mesmo aceitando o papel-chave dos tioésteres, resta uma dúvida: sua formação exigiria um aporte de energia. O próprio De Duve propôs uma solução: tioésteres se formariam espontaneamente a partir dos ácidos livres e dos tióis em um meio aquoso quente e ácido. Um meio assim é pouco aconche- gante para seres vivos, mas trabalhos recentes in- dicam que bactérias termoacidófilas, de origem muito antiga, vivem em hábitats parecidos, perto de jatos hidrotérmicos submarinos.
Nem ovo, nem
galinha: o chocar
Uma solução possível para o dilema ‘ovo/galinha’ – a autopoiese – desvia o eixo de discussão do proble- ma, que passa de ‘como a vida se originou’ para ‘co- mo a vida funciona’. Essa idéia orienta outros gru- pos de pesquisa que contribuem para o debate sobre a origem da vida. A autopoiese, como visto, é definida como uma rede de produção de moléculas constitu- tivas que regenera a si mesma, continuamente, e ao mesmo tempo especifica, através de uma fronteira física, o domínio onde essa rede se realiza. Essa de- finição não destaca qualquer molécula ou função. Vários grupos usam esse referencial teórico em suas pesquisas. Um trabalho muito interessante, li- derado pelo químico italiano Pier Luigi Luisi na Suíça, envolve a chamada ‘vida mínima sintética’: a tentativa de realizar a autopoiese usando apenas sistemas de reações químicas. Luisi produziu, com um sistema formado por isocitrato e octanol, mice- las (pequenos agregados de compostos) que se au- to-replicam, ou seja, efetuam uma síntese orgâni- ca autônoma a partir das propriedades do seu sis- tema molecular. Tais micelas (figura 4) devem ser consideradas ‘vida sintética mínima’. Tal afirmação parece um anticlímax, diante das discussões já apresentadas. É importante salientar, porém, que seu caráter radical baseia-se exatamente no desvio da questão (de como a vida começou para como a vida funciona, ainda que em uma condição sin- tética mínima). Luisi de fato conseguiu demonstrar um operar autopoiético mínimo, que não invoca molé- culas ‘especiais’, como proteínas ou ácidos nucléicos.
Sugestões para leitura
DUVE, C.Poeira vital
- A vida como um imperativo cósmico, Rio de Janeiro, Ed. Campus,
EL HANI, C. N. & VIDEIRA, A. A. P. (org.)O que é a vida? Para entender a biologia do século XXI, Rio de Janeiro, Relume-Dumará,
MARGULIS, L. & SAGAN, C. O que é vida? Rio de Janeiro, Jorge Zahar Editor,
MATURANA, H. & Varela, F.De máquinas e seres vivos: autopoiese
- a organização do vivo, Porto Alegre, Artes Médicas,
MURPHY, M. P. & O’Neill, L. A. J. (org.). O que é vida? 50 anos depois: especulações sobre o futuro da biologia, São Paulo, Ed. Unesp,
Outra abordagem interessante é a do biólogo norte-americano Stuart Kaufman. Ele também pro- põe que a origem da vida nas condições da Terra primitiva pode estar associada a dinâmicas coleti- vamente ordenadas em sistemas complexos de rea- ções químicas, descartando a necessidade de uma hierarquia molecular para isso. A descoberta de seres como os micoplasmas, que têm em torno de 600 genes codificantes e um meta- bolismo baseado em, talvez, mil pequenas molécu- las, levou Kaufman a afirmar que nenhuma molécu- la se auto-replica, e sim o sistema como um todo. Assim, a reprodução de um micoplasma (e de todos os seres vivos conhecidos) seria uma autocatálise. Essa hipótese considera que o problema da origem da vida deve passar pela autocatálise do sistema, como um todo, e não de uma molécula em especial. Kaufman argumenta que sistemas de reações quí- micas suficientemente complexos, como os que pro- vavelmente existiram nos oceanos primitivos, po- deriam alcançar uma diversidade molecular tal que levaria à formação de subsistemas que fossem autocatalíticos – ou seja, vivos. Segundo o cientista, a razão entre reações e molé- culas cresce à medida que aumenta a diversidade molecular de um sistema. Assim, quando essa diver- sidade atingir certo nível, quase todo polímero irá catalisar pelo menos uma reação. Em um nível crítico de diversidade, emergem do sistema geral inúmeros conjuntos de reações catalíticas conectadas. Se os polímeros que atuam como catalisadores forem tam- bém os produtos das reações catalisadas, cada subsistema que emerge pode se tornar coletivamente autocatalítico, ou seja, realizar a auto-reprodução. John Bernal definia o ‘polímero primordial’ como aquele que deveria apresentar a capacidade de ‘autoduplicação e estocagem de informação genéti- ca’. Com base nesse argumento, é legítimo perguntar: como sistemas coletivamente autocatalíticos man- têm sua informação genética? Ou seja, tais sistemas podem evoluir, no sentido darwiniano da palavra? Esse é, certamente, o ponto mais frágil de hipóteses sobre a origem da vida como a de Kaufman. No entanto, alguns acreditam que, dentro de um amplo conjunto de sistemas autocatalíticos, podem ter sur- gido subsistemas moleculares que evoluíram no sen- tido de produzir ácidos nucléicos, ou seja, um código genético. Esse talvez seja mais um dos momentos da história da biologia em que uma contradição (o dilema do ovo e da galinha) é ultrapassada por um novo modo de olhar o problema. No entanto, ainda parece cedo para avaliar, com o distanciamento necessário, o verda- deiro impacto desse novo ponto de vista sobre os programas de pesquisa e as soluções propostas para o problema da origem da vida na Terra.
