Panspermia
Hipóteses e Teorias sobre a Origem da Vida
A posição tradicional da teologia e alguma filosofia vê a origem da vida como o resultado de um evento sobrenatural que está permanentemente além dos poderes descritivos da química e da física. Na sua forma mais geral, esta visão não é necessariamente contraditória com o conhecimento científico contemporâneo sobre a evolução prebiótica, embora as descrições bíblicas da criação dadas nos dois primeiros capítulos do Génesis, tomadas literalmente e não metaforicamente, sejam inconsistentes com o conhecimento moderno.
Até meados do século XVII, a opinião predominante era que Deus criou o homem juntamente com animais e plantas superiores, mas que formas simples de vida, tais como vermes e insectos, surgem constantemente da lama, desperdício e matéria putrefacta durante curtos períodos de tempo. O fisiologista William Harvey (1578-1657), que estudou a reprodução e desenvolvimento de veados, foi o primeiro a desafiar esta visão postulando que todo animal vem de um ovo (“omnia viva ex ovo”) muito antes de Karl-Ernst von Baer (1792-1876) descobrir a existência de óvulos humanos por microscopia. Um cientista italiano, Francesco Redi (1626-1698), descobriu que a idéia de Harvey era verdadeira, pelo menos para os insetos; ele descobriu que as larvas na carne surgem dos ovos das moscas. Mais tarde, Lazzaro Spallanzani (1729-1799) descobriu que os espermatozóides eram necessários para a reprodução dos mamíferos. Antes de Pasteur, Spallanzani também mostrou que a matéria viva (“infusórios”) não provém de fluidos fervidos mantidos em recipientes fechados. Embora as descobertas de Redi e Spallanzani provaram definitivamente que insetos e animais maiores se desenvolvem a partir de ovos, permaneceu óbvio para uma grande maioria que pelo menos microorganismos, devido à sua ubiqüidade, são gerados continuamente a partir de material inorgânico. O debate sobre se a vida é gerada espontaneamente a partir de matéria não viva ou não, culminou na famosa controvérsia entre Louis Pasteur e Félix-Archimède Pouchet (1800-1872), que Pasteur venceu triunfantemente. Ele mostrou que mesmo os microorganismos nos fluidos provêm de germes que flutuam no ar, e também demonstrou que as soluções nutritivas poderiam ser protegidas contra essas criaturas através de esterilização adequada, como a filtragem ou a ebulição. No entanto, os cientistas contemporâneos não ficaram satisfeitos com as experiências de Pasteur porque uma questão delicada permaneceu: Se os organismos vivos não surgem de matéria não viva, como surgiu a vida em primeiro lugar?
No final do século XIX, outra hipótese foi iniciada pelo químico sueco Svante Arrhenius (1859-1927). Ele acreditava fortemente que o universo inteiro está cheio de germes vivos, um fenômeno que ele chamou de “panspermia”. Ele sugeriu que microorganismos e esporos de origem cósmica se espalharam do sistema solar para o sistema solar, e assim eles chegaram à Terra. Embora a visão de Arrhenius evite em vez de resolver o problema da origem da vida, e apesar da extrema falta de felicidade dos microrganismos sobrevivendo aos efeitos interestelares do frio, vácuo e radiação, alguns membros da comunidade científica do século XX voltaram à idéia de panspermia. Entre esses cientistas estão o astrônomo Fred Hoyle (1915-) e o biólogo molecular Francis Crick (1916-), que estão convencidos de que o período de tempo entre a origem da Terra e o aparecimento dos primeiros organismos celulares neste planeta era muito curto para que a vida tivesse ocorrido espontaneamente.
A teoria da “seleção natural como força motriz da evolução” de Darwin resultou em uma nova visão sobre o fenômeno da vida que ainda é válida. Embora Darwin não se tenha comprometido com a origem da vida, cientistas contemporâneos como Thomas Huxley (1825-1895) estenderam sua idéia, afirmando que a vida poderia ser gerada a partir de produtos químicos inorgânicos. Seguindo esta opinião, Alexander Oparin (1894-1980) foi o mais influente defensor da origem sucessiva dos organismos celulares a partir da matéria não viva. Ele suspeitou que essa transição foi prosseguida por uma série de reações químicas regulares e progressivas sob as condições físicas e químicas no início da Terra. Junto com John Scott Haldane (1860-1936), Oparin reconheceu que a produção abiológica de moléculas orgânicas na atual atmosfera oxidante da Terra é altamente improvável. Em vez disso, ambos sugeriram que o começo de vida ocorreu em águas quentes primordiais debaixo de condições mais redutoras (i.e., hidrogénio-ricas). Além disso, Oparin postulou a existência de coacervados pré-celulares – unidades globulares com estruturas de superfície tipo membrana – que podem ter concentrações altas de certas combinações químicas. Coacervados de fato se formam espontaneamente a partir de soluções aquosas coloidais de dois ou mais compostos macromoleculares.
No entanto, muitos problemas fundamentais na transição de matéria não viva para matéria viva permaneceram por resolver. A questão central dizia respeito ao papel da segunda lei da termodinâmica, que define o equilíbrio num sistema isolado como um estado de entropia máxima que parece contradizer a origem e a existência de organismos vivos altamente ordenados. Erwin Schrödinger (1887-1961) deu uma resposta decisiva a esta pergunta, afirmando que “a matéria viva foge da decadência para o equilíbrio” ou morte, compensando de forma constante a produção de entropia. Em qualquer organismo, isto é conseguido alimentando-o com energia livre ou matéria rica em energia que é utilizada pela maquinaria celular para conduzir reacções químicas essenciais. Schrödinger e outros também perceberam que os organismos vivos podem ser descritos termodinamicamente como sistemas abertos, mas não conseguiram explicar as condições físicas gerais para os processos de auto-ordenação. Estas foram percebidas por Ilja Prigogine (1917-) e Paul Glansdorff (1904-1999), que trabalharam em uma teoria termodinâmica de processos irreversíveis. Segundo Prigogine, a seleção e a evolução não podem ocorrer em sistemas de reação equilibrados ou quase equilibrados, mesmo que os tipos certos de substâncias estejam presentes. Ao invés disso, certas combinações de reações autocatalíticas com processos de transporte podem levar a distribuições espaciais peculiares de parceiros de reação, chamadas de “estruturas dissipativas”. Essas estruturas ordenadas são importantes para a formação da ordem funcional na evolução da vida, especialmente para a morfogênese precoce. Entretanto, os primeiros passos da auto-organização provavelmente envolveram pouca organização no espaço físico, mas uma ordem funcional extensa de uma variedade tremendamente complexa de compostos químicos. Manfred Eigen (1927-) explicou o processo de ordenação entre moléculas aumentando o princípio de Prigogine-Glansdorff com considerações fenomenológicas sobre o comportamento de moléculas auto-replicantes: Uma certa quantidade aproxima-se de um valor máximo em qualquer sistema aberto que esteja replicando autocataliticamente com fidelidade suficiente, e assim consumindo continuamente energia e matéria. Esta quantidade é chamada de “informação” e está intimamente relacionada com a “entropia negativa” postulada por Schrödinger. Além de estabelecer o cenário para uma interpretação molecular da informação biológica, Eigen desenvolveu os modelos matemáticos para descrever a “seleção”. De acordo com a teoria de Eigen, a seleção é o princípio natural fundamental que traz ordem em qualquer arranjo aleatório de espécies autocataliticamente replicadoras. Com a seleção, a informação é gerada sucessivamente, levando a uma otimização constante das espécies, que podem ser organismos ou moléculas.
Os modelos matemáticos desenvolvidos por Eigen suportam uma hipótese detalhada da origem da vida que compreende múltiplos e sucessivos passos para a transição de matéria inorgânica para matéria viva. Entretanto, deve ser mencionado que alguns cientistas têm teorias sobre a emergência da vida que diferem da teoria de Eigen. Entre elas está Stuart Kauffman (1939-), que acredita que a seleção natural é importante, mas não é o único princípio de ordenação do mundo biológico. Em vez disso, ele considera a auto-organização espontânea como representando a fonte predominante da ordem natural. Kauffman demonstrou que conjuntos de reações autocatalíticas inter-relacionadas podem passar por uma transição para um estado de nova ordem (ou seja, auto-organizado) assim que sua conectividade atinge um determinado valor limite. Além disso, Kauffman enfatiza que o fenómeno da autocatálise, que desempenha o papel central na teoria dele, não está limitado aos ácidos nucleicos. Portanto, ele conclui que mesmo os genes não eram necessários para a origem da vida. Em contraste com Kauffman, Eigen distingue “aleatório” autocatalítico ou atividade auto-replicante que é observado para uma variedade de espécies moleculares dos ácidos nucléicos “inerentemente” auto-replicantes. A capacidade inerente para auto-replicação, por sua vez, representa a base molecular para a seleção natural de acordo com a teoria de Eigen.
Experimentos bem definidos foram inventados a fim de simular os princípios que foram postulados para a evolução molecular. Com certas configurações experimentais, replicação e seleção podem ser feitas em um tubo de ensaio. Similarmente, as condições químicas na Terra primordial podem ser simuladas no laboratório. Vários cientistas tentaram verificar experimentalmente as idéias do século XX sobre a biogénese. As experiências deles são discutidas na secção seguinte.