- Sobre a Origem Extraterrestre das
Espécies
Moléculas do Espaço e as Origens da Vida
-
|
|
Quando eu
estava na escola secundária, nosso livro de química descrevia a teoria
científica prevalecente da origem da vida em termos de uma "sopa primordial".
Este modelo, geralmente atribuído a Charles Darwin, sustenta que a vida surgiu
de uma lagoa quente rica em nutrientes na Terra primordial, e que foi uma
ocorrência fortuita. Porém, antes que a vida pudesse surgir, deveria ter havido
moléculas bióticas complexas (como aquelas que compõem sistemas vivos) que
poderiam de alguma maneira se reproduzir e então estar sujeitas a seleção para
evoluir (em que ponto estas moléculas são "vivas" é uma pergunta interessante,
mas fora do escopo deste artigo). Estas moléculas só poderiam sobreviver, ainda
mais se formar, em condições muito favoráveis: um planeta adequado com água
líquida, muitos ingredientes adequados para começar e uma fonte de energia para
impulsionar a química que conduziria à formação de moléculas bióticas. Contudo,
o que essas "condições favoráveis" eram e como estes compostos muito simples
poderiam ter resultado em moléculas bióticas era uma questão de conjetura até os
experimentos cruciais de Miller e Urey nos anos cinqüenta.
As agora famosas experiências
Miller-Urey, inventadas para testar a teoria da sopa primordial, mostraram
como estes tipos de moléculas bióticas poderiam ter surgido ao cozinhar uma
pequena Terra dentro de um frasco. Na ocasião, os cientistas acreditavam que
Júpiter se assemelhava à Terra primordial, com muito hidrogênio, metano e gás de
amônia. Com uma atmosfera densa destes gases e um oceano morno servindo como
ingredientes iniciais, tudo que a receita requer é que você aqueça o conteúdo
suavemente a um sol de baixo a médio por algumas centenas de milhões de anos,
mexa com marés e adicione luz e ou radiação UV para dar gosto. Quando os
primeiros organismos começarem a nadar por aí, está pronta para servir!
Figura 2 |
Na realidade, a experiência (veja Figura 2)
consistiu em criar faíscas (raios) em uma esfera de vidro (a Terra) contendo
água (o oceano) e alguns gases simples como amônia, hidrogênio e metano (a
atmosfera). Os resultados foram empolgantes. Quando eles analisaram os materiais
que foram criados na experiência, descobriram coisas como aminoácidos (do que
proteínas e conseqüentemente todas coisas vivas são compostas) e bases de purina
(os passos na escada em espiral que compõem o DNA). Começando com alguns
compostos muito simples, um aparelho bastante simples e um pouco de energia,
estas moléculas bióticas, os componentes fundamentais de sistemas vivos, tinham
se formado espontaneamente. Embora eles estivessem entre os primeiros a tentar
resolver o problema e houvessem apenas começado, Urey e Miller já tinham feito
um tremendo progresso, e parecia que logo os cientistas entenderiam como as
moléculas que precediam a vida tinham ocorrido. Mas as coisas podem ter sido um
pouco mais complexas que se pensou inicialmente.
Na época dos experimentos de MIller-Urey, era dado como certo que a água, ar e
todos os outros ingredientes químicos que estavam na sopa primordial estavam
presentes na Terra primordial em abundância. Embora isto ainda seja apresentado
em livros de ensino secundários hoje, a noção de que os oceanos, atmosfera e
outros componentes necessários para a vida sempre estiveram aqui foi seriamente
abalada por novas descobertas e teorias. Modelos modernos de formação do planeta
sugerem que a Terra era uma bola quente de rocha fundida da qual os oceanos e
atmosfera haviam sido varridos. Embora possa ser possível que ar e água tenham
sido preservados bem abaixo da superfície da Terra em formação e tenham
posteriormente emergido, parece difícil reter um oceano e atmosfera terrestre
inteiros sob tais condições.
Figura 3. Esta cratera de quilômetros de tamanho, criada por um impacto
que liberou uma força explosiva maior que 10 megatons de TNT, foi
provavelmente causada por um meteoro de apenas dezenas de metros de
diâmetro. |
Além disso nós sabemos do número e tamanho
de crateras tanto na Terra quanto em outros lugares que a Terra foi
periodicamente atingida por asteróides e cometas, causando cataclismas
equivalentes à detonação de incontáveis bombas atômicas (acredita-se agora que
nossa Lua se formou em tal evento de rocha derretida lançada em órbita quando um
objeto do tamanho de Marte colidiu com a Terra). Os maiores destes impactos
seguramente teriam abortado qualquer vida nascente na Terra naquele momento e
feito a maior parte da atmosfera e oceanos evaporar, privando a Terra de
qualquer água e ar que teria conseguido reter de sua formação (veja Figura 3).
Assim, embora as experiências Miller-Urey estejam entre as maiores já
realizadas, houve uma conscientização entre cientistas de que a Terra estava
provavelmente privada de muito de seu oceano e atmosfera originais devido à sua
formação quente e impactos repetidos capazes de ferver oceanos, como o que criou
a Lua. Enquanto isto não torna a sopa primordial impossível, torna-a muito mais
difícil de cozinhar.
Figura 4. Esta IDP tem aproximadamente 10 mícrons de tamanho. |
Muitos cientistas pensam que isto implica
que a água e o ar devem ter vindo para a Terra depois do esfriamento e um
período de intenso bombardeio. Esta nova teoria, que ganhou apoio forte em anos
recentes, propõe que a água e gases foram entregues a Terra por cometas e outros
objetos extraterrestres; isto é conhecido como o modelo exogênue (exo, de fora).
Neste caso nós não estamos considerando eventos muito grandes, capazes de
destroçar a Terra, mas sim a chegada de cometas e meteoritos pequenos e objetos
muito menores como partículas de pó interplanetárias (IDPs). IDPs são grãos
microscópicos de pó de cometas que estão presentes por todo o sistema solar
interno -- eles às vezes podem ser vistos no céu noturno como estrelas cadentes
(veja Figura 4).
Esta não é nenhuma conjetura selvagem; tal poeira cometária e asteroidal foi
coletada na atmosfera superior usando aviões ER2 da Nasa (uma versão
ligeiramente maior do antigo U2) voando a 70,000 pés, e foi calculado que
literalmente dezenas de toneladas de tal pó caem na Terra diariamente.
Presumivelmente, havia ainda mais escombros flutuando ao redor mais cedo na
história do sistema solar, assim o fluxo de pó era maior quando a vida surgiu,
talvez há 4 bilhões anos atrás, do que é agora.
Até que ponto a carência de água, por exemplo, na Terra primordial pode ter sido
compensada pela chegada de tais compostos do espaço? O oceano não parece ser
diretamente gelo de cometa derretido, já que a abundância de deutério
(hidrogênio pesado) na água cometária é três vezes maior que na água do oceano.
Mas a maioria dos cientistas concorda que escombros do espaço devem ter
contribuído em um volume grande de água (ou um equivalente) para a Terra que foi
então diluído, seja por outra fonte (digamos asteróides), ou por água
terrestre.
Enquanto pode ser difícil conceber que até mesmo uma fração da água da Terra
poderia ter vindo do espaço, é preciso recordar que nossos oceanos são apenas
uma fina camada na superfície do planeta, um volume muito pequeno relativo ao
todo. Além disso, cometas são constituídos principalmente de gelo de água, assim
ao longo do curso de muitos, muitos anos um planeta poderia acumular quantidades
muito grandes de água enquanto pedaços pequenos de cometas fossem absorvidos. Se
a Terra recebeu bastante água de cometas para fazer mesmo uma parte de nossos
oceanos, então outros planetas também devem ter recebido. Assim relatórios que
sugerem que já houve oceanos de água líquida em Marte e Vênus, e que ainda há
gelo polar em nossa Lua, fazem sentido.
Por que então todos os planetas e luas não têm oceanos? O problema não é
adquirir a água, mas retê-la. Planetas e luas pequenos não têm gravidade
suficiente para segurar oceanos ou uma atmosfera, assim as moléculas tendem a
evaporar e escapar para o espaço. Enquanto cometas pequenos, IDPs e meteoritos
estavam entregando água e suprindo com gás ao longo do sistema solar interno, as
condições nos outros planetas não eram favoráveis para formação e manutenção de
vida. Isto é o que eu gosto de chamar a teoria Cachinhos de Ouro: alguns eram
muito pequenos, alguns estavam muito quentes, só a Terra estavam beeeem no
ponto. Quer dizer, exatamente o tamanho certo e no lugar certo para reter sua
água e ar para que pudesse abrigar vida por bilhões de anos.
E se a água foi trazida para a Terra, então outros compostos também devem ter
sido trazidos. Os cientistas ainda estão avaliando e revisando o que é conhecido
sobre a formação, modificação e entrega de moléculas do espaço, e as implicações
deste trabalho para as origens da vida. Mas nós sabemos agora que as moléculas
que foram feitas na experiência da sopa primordial de Miller-Urey literalmente
caíram na Terra do céu, assim de graça. A lista de tais compostos lê como um
catálogo químico de aminoácidos, bases de purina e pirimidina, cetonas,
hidrocarbonetos aromáticos e alifáticos e assim por diante. Basicamente tudo o
que você poderia possivelmente querer para tornar um planeta habitável.
Minha própria
pesquisa tenta entender onde e como estes tipos de compostos poderiam surgir
no espaço e por quais processos eles vêm para a Terra. Eles se formam em nosso
sistema solar como resultado de circunstâncias bastante incomuns ou por um
processo mais geral galáctico ou até mesmo universal? Isto afeta diretamente a
questão de quão provável é nós encontrarmos planetas habitáveis, ou habitados,
em outros lugares na galáxia. Cada vez mais evidência está se acumulando que
indica que compostos orgânicos grandes, do tipo que nós vemos em meteoritos, são
vistos não só ao longo de nossa galáxia, mas em outras também!
A maioria dos químicos está acostumado a pensar em termos de reações criando
moléculas em líquidos, como a água, por causa de sua experiência humana normal.
Assim quando os cientistas começaram a considerar como fazer química no contexto
da criação da vida, foi assumido que aconteceria em água líquida, da mesma
maneira que uma pessoa vê na cozinha. É por isso que é uma sopa primordial.
Enquanto muitas de tais reações certamente aconteceram na superfície da Terra, e
elas podem ter sido críticas a todo o processo, não nos ajuda a entender como
fazer moléculas grandes nas profundidades do espaço entre as estrelas, onde a
temperatura é tão baixa que o ar seria solidificado. Nosso grupo no
Centro de Pesquisa Ames
(e o
SETI
Institute) está comprometido em simular as condições no espaço, e nós
descobrimos que é surpreendentemente fácil fazer combinações orgânicas
interessantes sob condições interestelares comuns.
Figura 5 |
O que nós fazemos, em efeito, é uma
experiência do tipo Miller-Urey no espaço. Em vez de cozinhar um pouco da Terra
em um frasco, como eles fizeram, nós preparamos um pequeno cometa ou um pouco de
espaço interestelar em uma caixa de metal. Nós estamos servindo um daiquiri
espacial congelado, em lugar de uma sopa primordial, mas a meta final é a mesma:
fornecer sustentação para moléculas orgânicas. O aparelho no qual nós fazemos um
pequeno pedaço do espaço aqui na Terra é mostrado na Figura 5.
Este aparelho é essencialmente uma câmara de metal evacuada que pode ser
esfriada a alguns graus Kelvin (-440 F), ao centro da qual um substrato (ou um
único cristal de sal grande ou um quadrado de chapa de metal, dependendo do que
está estando medido) está suspenso. É difícil conseguir uma temperatura tão
baixa a menos que a câmara esteja sob vácuo, assim a nossa contém ao redor de
cem bilionésimos de uma atmosfera. Nós então cultivamos gelos na superfície
deste substrato ao liberar gases na câmara; a tais baixas temperaturas quase
tudo (menos hidrogênio e hélio) gruda e se congela. Uma vez que nós cultivamos
um gelo, nós medimos sua absorção de luz (incluindo freqüências não visíveis ao
olho humano) para comparar nossos resultados com as observações de astrônomos de
matéria interestelar; um teste de gosto de nosso daiquiri se você desejar. Além
disso, nós podemos fazer outras medidas, observando como os gases congelados
simples são convertidos em moléculas maiores sob a ação de fótons de
alta-energia, idênticos àqueles no espaço.
Por exemplo, de moléculas simples de um átomo de carbono geralmente observadas
no meio interestelar, como álcool de metil, nós fazemos moléculas muito maiores
e mais complexas sob condições que são representativas de nuvens interestelares
densas. Estas moléculas são bem parecidas com aquelas que são vistas em
meteoritos e IDPs, tanto em termos de estrutura quanto de outras propriedades
que exibem. Por exemplo, nós mostramos que a fotoquímica de gelo interestelar
fornece uma explicação para a presença em meteoritos das estruturas químicas
chamadas quinonas. Estas estruturas são interessantes porque estão onipresentes
na natureza desempenhando funções bioquímicas fundamentais em todas coisas vivas
(i.e. mediando transporte de elétrons).
Além de demonstrar semelhanças estruturais, também é edificante notar outras
qualidades (especialmente funcionais) que nossos produtos simulados compartilham
com moléculas extraterrestres autênticas. Meu colega,
Dr.
Jason Dworkin, mostrou que as moléculas que ele faz nas suas simulações são
capazes de se auto-estruturar em vesículas (estruturas ocas com duas camadas
parecidas com membranas), que muitos acreditam terem sido absolutamente
essenciais para o desenvolvimento da vida. Estas estruturas já tinham sido
observadas por nosso amigo
Dr. David Deamer (UC Santa Cruz) nos seus estudos de meteoritos ricos em
carbono. Assim, os primeiros lares nos quais a vida residiu podem muito bem ter
sido construídos de materiais feitos no meio interestelar.
Outro atributo interessante de moléculas do espaço é que uma vez que elas se
formam ou são modificadas próximas do zero absoluto, elas são freqüentemente
ricas em deutério, como mencionado acima. Realmente, isto é tão comum e bem
conhecido entre cientistas espaciais que a presença de deutério é freqüentemente
usada como um método de testar se um composto é de fato do espaço. Enquanto este
uso do deutério como uma demonstração do pedigree interestelar de moléculas
meteoríticas seja aceito, ainda não é completamente entendido como o deutério
chega lá. Em nossas experiências nós ocasionalmente acrescentamos deutério
deliberadamente a um dos materiais iniciais para ver onde ele vai para tentar
entender a distribuição de deutério observada em meteoritos e IDPs.
Finalmente, a característica que pode constituir a evidência mais provocante de
uma ligação entre aminoácidos extraterrestres e vida na terra é a quiralidade.
Certas moléculas orgânicas são construídas de forma que imagens-espelho da mesma
molécula são em todos os sentidos idênticas, exceto pelo fato de que as duas não
são podem ser fisicamente sobrepostas. Esta característica é chamada quiralidade
[handedness], análoga a nossas mãos esquerda e direita que são imagens espelho
mas não podem ser sobrepostas. Esta característica de certas moléculas
orgânicas, incluindo muitos aminoácidos, pode prover uma pista crucial da
ligação entre moléculas orgânicas extraterrestres e a origem da vida.
É sabido há muito tempo que vida na Terra favorece aminoácidos canhotos. Os Drs.
John Cronin e Sandra Pizzarello da Arizona State University mostraram
recentemente que há um leve excesso de alguns aminoácidos canhotos em meteoritos
ricos em carbono. O fato de que vários aminoácidos diferentes de mais de um
meteorito partilham esta propriedade com a vida na Terra sugere que a
característica canhota dos aminoácidos em nossos corpos pode ter sido
determinada por contribuição extraterrestre.
Mas por que canhoto? É bem conhecido que certos tipos de energia podem ter
quiralidade, da mesma maneira que moléculas -- por exemplo, fótons e partículas
de alta energia (mas não o calor). Há várias teorias que envolvem a ação de
algum tipo de força ou radiação com quiralidade selecionando aminoácidos
canhotos. Por exemplo, foi sugerido que aminoácidos canhotos devessem ser
ligeiramente mais estáveis porque a força (subatômica) fraca não age igualmente
sobre moléculas destras e canhotas. Porém, este efeito parece muito pequeno para
explicar o que Cronin e Pizzarello observaram.
Foi mostrado que se pode destruir moléculas de uma quiralidade em particular
ligeiramente mais depressa que a outra usando radiação polarizada circularmente
(cpr). Assim, foi sugerido que talvez a cpr no meio interestelar criou a
predisposição para moléculas canhotas destruindo preferencialmente as destras. O
problema aqui é que este processo parece ser muito ineficiente, assim uma pessoa
precisaria ter começado com uma quantidade absurdamente grande de aminoácidos
flutuando no espaço para terminar com o que nós vemos hoje.
Recentemente, em uma variação desta idéia, alguns de nós temos considerado se os
aminoácidos poderiam ter sido criados por algum tipo de cpr de tal forma que a
predisposição para a esquerda já estaria lá desde o começo. Ainda, este processo
teria que ser mais eficiente que a destruição para selecionar uma mão em
particular, e ainda não foi mostrado que é possível formar moléculas
seletivamente de uma mão particular usando cpr, ainda menos se este processo é
eficiente o bastante para explicar o que foi relatado pelos Drs. Cronin e
Pizzarello. Meu colega,
Dr.
Scott Sandford, e eu esperamos testar esta hipótese nos próximos anos.
Mas até mesmo se nós tivermos razão e a cpr for a causa da quiralidade, como se
obtém cpr no espaço? Cpr pode ser o resultado de uma fonte giratória, como uma
estrela de nêutrons girando, que produz radiação de uma quiralidade particular
abaixo, e da quiralidade oposta acima. Se tal estrela fosse orientada
corretamente à nuvem molecular densa da qual nosso sistema solar se formou,
então aminoácidos canhotos teriam sido favorecidos aqui; se a nuvem estivesse no
outro lado da estrela, então aminoácidos destros teriam sido favorecidos. Uma
conseqüência interessante deste cenário é que aminoácidos canhotos não só seriam
favorecidos em nosso sistema solar, mas também em qualquer outro sistema se
formando desta nuvem. Porém, sistemas planetários que se formaram em outro
lugar, de outras nuvens, poderiam favorecer aminoácidos destros. Em tal planeta
a comida poderia muito bem parecer comestível, e análise química indicaria que
seria feita de aminoácidos digeríveis, mas poderia ser veneno a um terráqueo.
Na ausência de radiação polarizada circularmente, as moléculas iniciais poderiam
não mostrar nenhuma tendência para qualquer quiralidade. É interessante
especular sobre como a vida poderia surgir em tal sistema planetário. Talvez as
primeiras moléculas reprodutoras conteriam aminoácidos de um tipo ou outro, e
toda a vida seguiria desse caso. Mas e se surgisse de forma que permitisse que
aminoácidos de ambos os tipos fossem úteis? Presumivelmente uma quiralidade
ganharia da outra em qualquer linhagem determinada porque o custo de manter dois
conjuntos diferentes de maquinaria química para lidar com ambos os tipos seria
proibitivo. Mas pode-se imaginar casos em que organismos diferentes que usem
aminoácidos de quiralidade diferente desfrutariam vantagens mútuas através de
simbiose. Se plantas ou organismos de colônia crescessem em camadas, uma
composta de aminoácidos canhotos e o outra de destros, então qualquer predador
que viesse comê-las só consumiria uma camada antes de ter que parar já que a
outra quiralidade, em nossa experiência pelo menos, pode ter efeitos nocivos.
Esta especulação sobre imagem espelho biota é conjetura selvagem, é claro, mas é
interessante contemplar as conseqüências de compostos do espaço. A trajetória do
início da evolução, se não a origem da vida, pode ter sido dependente da
formação de moléculas em grãos de gelo no espaço exterior bilhões de anos atrás.
Dado que os processos que fazem e entregam estes compostos são universais, isto
pode aumentar as chances de que, se houver vida em outro lugar no universo, ela
se pareça conosco -- em um nível molecular.
- - -
* O Dr. Max
Bernstein é um
cientista espacial que trabalha no
NASA Ames Research Center
através de um acordo de cooperação com o
Instituto SETI. Ele estuda a fotoquímica de gelos em nuvens interestelares,
cometas, e outros corpos no sistema solar exterior; você pode aprender mais
sobre sua pesquisa visitando o website de
seu laboratório.
Este artigo foi traduzido com sua gentil permissão, e publicado com o
consentimento do excelente
Strange Horizons.
Leitura Adicional
Bakes, E.L.O. The Astrochemical Evolution of the Interstellar Medium.
A nice slim basic text that covers everything from the first seconds of the
universe to the origins of life.
M. P. Bernstein, S. A. Sandford, L. J. Allamandola, J. S. Gillette, S. J.
Clemett, and R. N. Zare. "UV Irradiation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in
Ices: Production of Alcohols, Quinones, and Ethers." Science,
Vol. 283, February 19, 1999.
M.P. Bernstein, S. A. Sandford, and L. J. Allamandola. "Life's
Far-Flung Raw Materials." Scientific American, July 1999.
Bernstein, M. P., J. P. Dworkin, S. A. Sandford, and L. J. Allamandola.
"Ultraviolet Irradiation of Naphthalene in H2O Ice: Implications for Meteorites
and Biogenesis." Meteoritics and Planetary Science, Vol. 36, 2001.
Pendleton, Y. J., and J. D. Farmer. "Life: A Cosmic Imperative?" Sky and
Telescope, Vol. 94, No.1, July 1997.
"Stuff
of Life" -- an online article from New Scientist on the related work of Dr.
Jason Dworkin.
