Sobre a Origem Extraterrestre das Espécies: Moléculas do Espaço e as Origens da Vida

Dr. Max Bernstein*, publicado em Strange Horizons, 06/04/01

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.

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* 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.