DISSIPAÇÃO TERMODINÂMICA – UMA PROPOSTA DA FÍSICA PARA A ORIGEM DA VIDA

Somente a disputa por moléculas orgânicas não poderia ter levado a evolução através da seleção natural a dar origem a vida. De fato, há uma distinção grande entre as teorias sobre a origem da vida (Biopoese) e a teoria da evolução. Algumas pessoas ainda confundem essas duas teorias como se fossem uma coisa só. Muitas vezes acabam reduzindo a amplitude desses dois assuntos a uma argumentação reductio ad absurdum exatamente por não conhecer diferenças básicas como estas.

RNA-world

RNA-world

Essa incapacidade ficou claramente demonstrada em experimentos que Orgel e tantos outros pesquisadores que não conseguiram criar sistemas auto-replicantes em laboratório (Orgel, 2004). Boltzmann sugeriu há 150 anos, a força vital da vida e da evolução é derivada da dissipação de fótons, ou seja, através da produção de entropia (Michaelian, 2011).

O grande número de moléculas de RNA (ou DNA) no Arqueano absorvia mais luz solar e catalisava o ciclo da água da Terra primitiva. A reprodução e evolução eram sinônimos de aumento da produção de entropia da biosfera biótica e abiótica. Mutações nos complexos de RNA/DNA-proteína naturalmente selecionadas, e mais tarde de animais e ecossistemas complexos, seriam aquelas que acabariam permitindo cada vez mais o aumento na absorção de fótons de alta energia e maior eficiência na conversão destes em calor. A entropia é então, a aproveitabilidade de energia de um sistema.

O não-equilíbrio termodinâmico da abiogênese das moléculas primárias e sua polimerização não tinha até pouco tempo atrás sido devidamente considerado nas teorias que abordam a origem da vida. As temperaturas elevadas, ciclos de luz ultra-violeta (UV) tem sido úteis em demonstrar o aumento do rendimento de produção abiogênica dos nucleotídeos e polinucleotídeos. O problema da replicação do RNA/DNA sem o aparato enzimático tem sido resolvido através de mecanismos de temperatura e exposição assistida a ultravioleta, envolvendo a ciclagem da temperatura na superfície oceânica do mar primitivo em torno da temperatura de desnaturação do RNA/DNA e a extraordinária capacidade destas moléculas em absorver e dissipar rapidamente no calor da luz intensa e do UV que penetrava na atmosfera primitiva da Terra (Michaelian, 2011).

A formação e replicação de RNA/DNA seria termodinamicamente favorecida devido o aumento global da produção de entropia que estas moléculas ofereciam ao processo de acoplamento irreversível biótico-abiótico ocorrendo na biosfera, em particular, no ciclo da água. O conteúdo da informação e a fidelidade da replicação de RNA/DNA poderiam ter ocorrido se as sequências de polinucleotídeos codificadas para formar enzimas que facilitassem a desnaturação a temperaturas mais frias do mar (já que normalmente a desnaturação ocorre em temperaturas altas), ou de moléculas que atuassem como antenas captadoras de fótons, levando a uma replicação diferencial de sucesso com a produção de entropia potencial de sequências diferentes. Isso pode ter sido o começo da evolução através da seleção natural (Michaelian, 2011).

A homoquiralidade das moléculas hereditárias também foi discutida por Orgel (2004), especialmente sobre o produto racêmico de nucleotídeos frustrando a cópia de polinucleotídeos estáveis. Ele pode ser abordado do ponto de vista termodinâmico.  A luz polarizada do final da tarde na Terra Pré-biótica poderia ter guiado a homoquiralidade antes das temperaturas de superfície ter resfriado para um ponto em que as enzimas e, claro, a fidelidade de reprodução eram necessárias. A luz tem esse poder, já foi constatado por astrobiólogos que a mistura racêmica pode ser quebrada e certos grupos quirais favorecidos no espaço quando expostos a luz emitida por Supernovas (veja aqui).

A origem da vida e o começo de evolução, como representado pela teoria da dissipação termodinâmica tem a característica geral de um ciclo de auto-catalítico envolvendo um forte acoplamento entre os processos bióticos e abióticos, impulsionados por um aumento da produção de entropia da Terra em a sua interação com o seu ambiente solar. Este grande ciclo auto-catalítico envolvendo a vida e os processos de produção de entropia abióticos permanecem até hoje, e parecem evoluir no sentido da maior eficiência na produção de entropia. Desde o aparecimento da clorofila, novos pigmentos capazes de capturar cada vez mais do espectro do Sol foram incorporados aos sistemas de fotossíntese das plantas atuais e até mesmo da vida bacteriana (cianobacterias). Alguns exemplos são os carotenóides nas plantas verdes, as ficobilinas em fitoplânctons e como recentemente descoberto, aminoácidos micosporinas em fitoplânctons que absorvem toda a luz ultravioleta (Whitehead e Hedges, 2002).

A maioria destes pigmentos são conhecidos por não ter um papel direto na fotossíntese. Além disso, uma série de mecanismos complexos encontrados hoje em plantas existem para dissipar o calor em fótons absorvidos em excesso. Esses pigmentos e mecanismos têm sido até agora considerados meramente como “válvulas de segurança” para a fotossíntese (Niyogi, 2000).

Somente 27 anos após a publicação de ”A Origem das Espécies” (Darwin, 1859), Boltzmann (1886) reconheceu que a luta pela existência não era uma luta pela matéria-prima, nem para a energia, mas sim uma luta pela entropia, ou melhor, pela baixa entropia, que tornou-se disponível através da dissipação da energia dos fótons para os de baixa energia (produção de entropia), através de processos irreversíveis que ocorrem dentro da biosfera.

A evidência empírica do registro fóssil da história evolutiva da Terra, sugere que os sistemas vivos, em geral aumentaram em complexidade ao longo do tempo, e, correspondentemente, tem havido um aumento em sua produção total de entropia (Zotin, 1984).

Essas evidências empíricas sugerem que a natureza tende a encontrar vias abióticas e bióticas para produção de entropia, e a ideia do RNA e DNA como participantes do ciclo da água surgiu originalmente como estruturação de material no espaço e no tempo para fornecer uma nova rota para aumentar a produção de entropia da Terra em sua interação com o ambiente pré-biótico.

Os ácidos nucleicos DNA e RNA são absorventes eficientes de fótons entre 200-300nm, região do espectro do Sol onde esta o ultravioleta (Chang, 2000); só que parte importante do espectro que poderia ser filtrada através da densa atmosfera da Terra primitiva. Estas moléculas, na presença de água, são extraordinariamente rápidas na dissipação de fótons de alta energia de calor. Sendo assim, é plausível que a vida tenha surgido como um catalisador para absorver a luz solar na superfície de mares rasos, dissipando-se em calor e, promovendo assim processos irreversíveis, tais como o ciclo de água (evaporação/chuva), e as correntes de vento e do mar, todos os quais contribuem para a produção de entropia da biosfera (Peixoto et al, 1991). Schrodinger trata da vida como um sistema temodinâmico em seu livro “What´s life?”

Isso sugere que a origem da vida pode estar relacionada com a sua função termodinâmica de produção de entropia (Michaelian, 2009) sobre a replicação do RNA dando justificativa para o RNA-world (Gilbert, 1986), a primeira forma de “metabolismo”, replicação (Shapiro, 2007) em fontes hidrotermais (Wächtershäuser, 2006).

A partir da estrutura do RNA-World, Orgel (2004) reconhece vários problemas graves relacionados com baixos rendimentos nos passos individuais de síntese de RNA e sua replicação, e é otimista em relação à síntese abiogênica de RNA quando sugere outras rotas para síntese dessas moléculas. Os pontos mais problemáticos na abiogênese são; 1) a produção de ribose e a estabilidade ao longo dos outros açúcares mais estáveis e facilmente sintetizáveis, 2) a dificuldade da polimerização de nucleotídeos que levam a polinucleótidos, 3) o problema da mistura racêmica de nucleotídeos quirais frustrando a cópia dirigida de polinucleótidos, e, talvez o mais difícil, 4) a replicação de RNA sem a ajuda de enzimas.

A teoria da dissipação termodinâmica oferece um quadro consistente dentro do qual cada uma das dificuldades mencionadas é relaxada e correspondente a uma solução natural.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, RNA, DNA, Dissipação, Termodinâmica, Entropia, Homoquiralidade, Orgel, Abiogênese, Biogênese

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Referências

Orgel, L. E.: Prebiotic chemistry and the origin of the RNA world, Crit. Rev. Biochem. Mol., 39, 99–123, 2004.
Michaelian, K. Thermodynamic origin of life. Earth Syst. Dynam. Discuss., 1, 1–39, 2011
Whitehead, K. and Hedges, J. I.: Analysis of mycosporine-like amino acids in plankton by liquid chromatography electrospray ionization mass spectrometry, Mar. Chem., 80, 27–39, 2002.
Niyogi, K. K.: Safety valves for photosynthesis, Curr. Opin. Plant Biol., 3, 455–460, 2000.
Darwin, C. R.: On the Origin of Species by Means of Natural Selection, ed. J. Murray, London, 1859.
Chang, R.: Physical Chemistry, University Science Books, Sausalito, California, 2000.
Zotin, A. I.: Bioenergetic trends of evolutionary progress of organisms, in: Thermodynamics and regulation of biological processes, edited by: Lamprecht, I. and Zotin, A. I., De Gruyter, Berlin, 451–458, 1984.
Peixoto, J. P., Oort, A. H., de Almeida, M., and Tom´e, A.: Entropy budget of the atmosphere, J. Geophys. Res., 96, 10981–10988, 1991.
Gilbert, W.: The RNA World, Nature, 319, 618, 1986.
Shapiro, R.: A simpler origin for life, Scientific American, June, 24–31, 2007.
Wachtershauser, G.: From volcanic origins of chemoautotrophic life to bacteria, archaea and eukarya, Phil. Trans. R. Soc. B 361, 1787–1808, 2006

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