DISSIPAÇÃO TERMODINÂMICA – CONDIÇÕES PRÉ-BIÓTICAS E OS MARES ARQUEANOS

A vida obtém sua vitalidade apenas na sua interação com o ambiente externo, e aquilo que estabelece as condições ambientais da Terra primitiva foi, e, é essencial para qualquer teoria sobre a origem da vida. A hipótese de que os mares da Terra primitiva foram fundamentais há cerca de 3,8 bilhões de anos suporta a proposta das sopas de material orgânico (Knauth e Lowe, 2003).

Moelculas organicas

Essa ideia já foi experimentalmente testada e confirmada, uma vez que as moléculas orgânicas poderiam ter sido criadas por raios e reações fotoquímicas em uma atmosfera redutora Arqueana contendo quantidade de hidrogênio na forma de amônia (NH3) e metano (CH4). Or’o (1961 e 1964) demonstrou que todas as bases de ácido nucleico podem ser obtidas através da mistura de cianeto de hidrogênio (HCN) com cianogênio (C2N2) e ciano-acetileno (HC33N) em uma solução aquosa (Matthews, 2004). Estas “ciano-moleculas” precursoras são produtos comuns de uma atmosfera redutora submetida á fótons e UV (Stribling e Miller, 1987 e Orgel, 1994).

Uma hipótese alternativa é que as moléculas orgânicas são formadas em envelopes circumestelares, ou seja, em regiões próximas de estrelas que lançam porções de sua atmosfera para o espaço (Hoyle e Wickramasinghe, 1978; Kwok, 2004). Já se sabe que as regiões de altas densidades moleculares orgânicas são frequentemente associadas com as regiões de formação estelar (Ehrenfreund e Charnley, 2000). Mais de 140 moléculas orgânicas foram encontradas no espaço, embora as nucleobases do DNA e RNA ainda precisem ser precisamente detectadas (Kwok, 2009). As moléculas orgânicas dispersas devem ter sido depositadas em oceanos da Terra, veiculadas por cometas, asteróides ou poeira espacial. Aminoácidos e nucleobases foram encontrados em meteoritos condritos carbonáceos, que acredita-se serem derivados de cometas, tais como o meteorito de Murchinson (Martins et al, 2008).

Ambas as teorias sobre a origem da matéria orgânica original são viáveis e apoiadas pela comunidade científica, dado as evidências empíricas.  As duas teorias tornam a concentração elevada de moléculas orgânicas necessárias na sopa inicial e dependem de como era a atmosfera no início da vida, um tema ainda muito debatido com novas perspectivas, considerando que muitas vezes acabava alterando o equilíbrio dinâmico de processos (Sagan, 1997).

Moleculas orgânicas encontradas no espço

Moléculas orgânicas encontradas no espaço. Clique para ampliar

Uma análise recente feita por Tian e colegas (2005) mostra que a atmosfera primitiva da Terra pode ter sido mais fria do que inicialmente previsto e, que poderia ter retido até 30% de hidrogênio em massa. Se este cenário se confirmar, o mais provável teria sido a produção de moléculas orgânicas através de relâmpagos e reações fotoquímicas em H2 e CO2, em vez do uso de amoníaco e metano, que foram assumidos nas experiências originais Miller.

Em 2008, Cleaves e seus colegas demonstraram que, mesmo em uma atmosfera neutra, os rendimentos abiogênicos de aminoácidos poderiam ser aumentados em até duas ordens de grandeza, se os inibidores de oxidação, tais como o ferro (Fe2+) estivessem presentes.

Acredita-se que a atmosfera primitiva da Terra foi duas vezes mais densa do que a atual (Walker, 1985), e contendo a mesma quantidade de nitrogênio, mas significativamente maiores quantidades de CO2 e vapor de água, talvez um pouco de amônia e metano, e provavelmente hidrogênio (Cnossen et al, 2007)

Entender a atmosfera primitiva tem muita relevância para compreender o espectro de luz solar que poderia ter penetrado a superfície da Terra. O CO2 tem um grande coeficiente de extinção de fótons em comprimentos de onda mais curtos do que cerca de 202nm. O vapor de água absorve fortemente o ultravioleta inferior a 170nm, e fortemente no infravermelho acima de cerca de 1000 nm, mas é essencialmente transparente entre esses limites. A amônia, NH3, também absorve fortemente abaixo de 200nm. A Terra primitiva, provavelmente, teve muito mais atividade vulcânica do que a atual, devido ao calor interno da acreção, bombardeamento de asteróides e da radioatividade interna. Os componentes mais importantes expelidos pela atividade vulcânica era o dióxido de carbono, dióxido de enxofre (SO2), e vapor de água. O vapor e nuvens densas de água na Terra primitiva refletiam de maneira uniforme diferentes comprimentos de onda (daí a brancura das nuvens) teriam absorvido preferencialmente o espectro infravermelho solar (Chaplin, 2009).

No início da origem do Sol, ele era mais ativo devido a alta taxa de rotação e seu espectro foi provavelmente mais intenso do que é agora, especialmente no ultravioleta (Tehrany et al, 2002) e até 25-30% menos intenso no visível (Sagan e Chyba, 1997).

Um campo magnético maior, devido a uma taxa de rotação mais elevada, implicaria em maior exposição a raios-Gamma e raios-X que teriam sido muito mais prevalentes e, através da degradação na atmosfera da Terra, teriam levado a um adicional de luz ultravioleta sobre a superfície da Terra.

As conclusões são que a superfície da Terra durante o Arqueozóico (4 e 3,5 bilhões de anos) foi submetida a uma radiação ultravioleta de cerca de 200 a 300nm de comprimento, cerca de 1031 vezes maior que a atual.

Outro ponto é entender o quanto desta luz ultravioleta intensa teve um efeito prejudicial (através da fotólise) sobre reações fotoquímicas; grandes taxas de mutação; ou ainda, se teve efeito benéfico (Biondi et al, 2007) através da promoção de reações fotoquímicas necessárias, tais como a síntese de abiogênica das bases de ácidos nucleicos, ribose e outros hidratos de carbono (Schwartz, 1995). Ou ainda, se houve uma pressão seletiva favorável (Sagan, 1973), sobre as primeiras moléculas de vida (Cockell, 1998).

A luz ultravioleta foi crucial para a origem da vida por outra razão; RNA e DNA são moléculas que absorvem luz ultravioleta (com pico de absorção a 260nm). Na presença de água convertem essa luz rapidamente em calor (Middleton et al, 2009) promovendo assim a evaporação.

A replicação de RNA e DNA na superfície do mar teria sido favorecida termodinamicamente no intenso ambiente de luz UV da Terra primitiva, já que, por acoplamento ao ciclo da água, forneceu uma nova rota para uma maior produção de entropia (Michaelian, 2009).

Para entender isso, precisamos entender a termodinâmica dos oceanos.

Atualmente, uma capa de 50µm da superfície do mar hospeda um ecossistema com uma elevada densidade orgânica, e acima de 104 a densidade do material abaixa (Grammatika & Zimmerman, 2001).

O material orgânico é composto por cianobactérias, diatomáceas, vírus, RNA e DNA de flutuação livre e outros componentes vivos e não-vivos do material orgânico, como lipídeos, aldeídos, clorofila e outros pigmentos. Um elevado enriquecimento de metais vestigiais é também encontrado nessa microcamada. A elevada densidade de material na superfície é atribuída a flutuabilidade natural e tensão superficial (Hardy, 1982).

diatomáceas são protistas unicelulares com frústula silicosa. Cada frústula é formada por duas valvas, ligeiramente desiguais (a menor das valvas encaixa-se na maior). Habitam a zona fótica dos oceanos (até cerca de 200m de profundidade), mares, lagos e rios, apresentando tanto formas bentônicas como planctônicas. Podem ser solitárias ou coloniais.

Diatomáceas são protistas unicelulares que habitam a zona fótica dos oceanos (até cerca de 200m de profundidade), mares, lagos e rios, apresentando tanto formas bentônicas como planctônicas. Podem ser solitárias ou coloniais.

A camada de revestimento da superfície do mar, em particular a microcamada, está sujeita a fortes variações diurnas de temperatura, salinidade, pH, concentração de aldeídos e outras moléculas orgânicas como resultado de interações fotoquímicas e fotobiogeoquímicos na interface ar/mar (Zhou e Mopper, 1997)

Durante o dia, o infravermelho (700 a 10.000 nm), o espectro visível (400 a 700 nm) e o ultravioleta (290 a 400 nm) são absorvidos na superfície do mar. No entanto, o material orgânico e inorgânico na superfície altera as suas propriedades ópticas, de tal forma que uma parte importante da energia total absorvida na película vem, de fato, da luz visível e ultravioleta (Michaelian, 2011).

Pode-se calcular que o material orgânico na camada da superfície oceânica aumenta a absorção de energia em cerca de 13,3% (respectivamente 9,1% de UV e 4,2% luz visível) ao passo que a água pura, absorve predominantemente na região do infravermelho (Michaelian, 2010a). Florações de cianobacterias causam considerável aquecimento adicional da superfície do mar (Kahru et al, 1993).

Simulações feitas por Gnanadesikane colegas (2010), utilizando modelos climáticos indicam que a dependência da clorofila ao aquecimento solar tem um impacto de primeira ordem sobre a distribuição espaço-temporal dos ciclones tropicais. Não só a localização do ciclone, mas tanto em frequência e intensidade são afetadas pela concentração à superfície clorofila (Gnanadesikan et al, 2010).

Uma vez que o acúmulo de material orgânico nessa microcamada é atribuído à tensão superficial, a flutuabilidade natural e o efeito de eliminação de bolhas acredita-se que uma camada orgânica rica na superfície também pode ter ocorrido nos oceanos pré-bióticos (Michaelian, 2011).

O coeficiente de absorção de UV acima (considerando que a clorofila não existia nos oceanos prér-bióticos), leva a um aumento da energia absorvida na microcamada dos oceanos do Arqueozóico devido às bases de ácidos nucleicos e outros produtos orgânicos. Em água pura o aumento é de cerca de 19% para um dia sem nuvens, e cerca de 490% para um dia nublado (onde 260% vem do UV e 230% da luz visível) (Michaelian, 2010).

O aumento da absorção dos fótons de elevada energia na superfície do oceano Arqueozóico com material orgânico implicaria em um aumento no ciclo da água.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, RNA, DNA, Dissipação, Termodinâmica, Entropia, Arqueano, Arqueozóico, Miller, Meteoros, Estrelas, Murchinson, Ultravioleta, infravermelho, Microcamada, Materia orgânica.

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Referências

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