DISSIPAÇÃO TERMODINÂMICA – ENTROPIA, CENÁRIOS PARA A ORIGEM DA VIDA, ARMAZENAMENTO/FIDELIDADE DE INFORMAÇÃO E EVOLUÇÃO.

A ligação entre a entropia e informação foi feita por Shannon e Weaver em 1949. No entanto, a informação só tem relevância termodinâmica no contexto da sua capacidade de catalisar processos irreversíveis. Em um ambiente de não-equilíbrio com as forças termodinâmicas sobre o sistema, a informação é, portanto, associada mais corretamente com a produção de entropia.

Representação do o Arqueano ou Arcaiqueano (antes Arqueozoico) é o éon que está compreendido aproximadamente entre 3,85 bilhões de anos e 2,5 bilhões de anos atrás.

Representação do o Arqueano, éon que compreende o período de tempo entre 3,85 bilhões e 2,5 bilhões de anos atrás.

Como os mares começaram a esfriar no Arqueano, logo após a origem da vida, a competição para nucleotídeos livres implicaria que segmentos de RNA ou DNA tiveram temperaturas de desnaturação diminuídas, e poderiam absorver mais luz ultravioleta, transferindo essa energia de forma mais eficiente para os graus moleculares de liberdade na superfície do mar circundante. Isso acabou favorecendo aqueles segmentos que se reproduziam ás custas de uma maior probabilidade de desnaturação. Alguns segmentos favorecidos seriam aqueles com mais adenina-uracila (A-U) em pares de RNA, ou timina-adenina (A-T) para pares de DNA, ao contrário daqueles pares com mais guanina-citosina (G-C), que durante certos períodos da Terra Pré-biótica tem maior temperaturas de desnaturação devido às fortes ligações de Van der Waals entre pares G-C e que mais tarde passariam a ser unidas por três pontes de hidrogênio enquanto, A-T apenas por duas. Por exemplo, um segmento de DNA contendo 30% de pares G-C tem uma temperatura de desnaturação de 82◦C enquanto que aqueles que contém 60% desses pares desnaturam a 96◦C (Chang, 2000).

Se, por acaso, um códon de um filamento longo de RNA/DNA codifica uma simples enzima que poderia ajudá-lo a desnaturar a uma temperatura mais baixa, em seguida, estas cadeias de RNAs/DNAs manteriam sua capacidade de replicação e, consequentemente, a sua vantagem seletiva, mesmo em mares mais frios. Por exemplo, o aminoácido Asparagina é facilmente sintetizado abiogenicamente; um metabolito do ciclo da ureia que pode ser produzido a partir de amônia. Ureia (e também formamido e formaldeído) na presença de íons de magnésio podem reduzir as temperaturas de fusão de DNA em cerca de 0,6◦C para cada aumento de 1% da substância de desnaturação (Jungmann et al, 2008).

A vantagem termodinâmica da manutenção, a produção de entropia em mares cada vez mais frias, poderia ter sido a origem do conteúdo de informação e a fidelidade de reprodução de  RNA/DNA.

A associação de uma molécula de RNA/DNA com uma enzima, ou proteína, ainda existe é muito comum hoje em dia, é conhecida como um vírus. Proteínas absorvem fortemente comprimentos de onda de 280nm, devido o anel aromático do seu componente de aminoácidos tirosina, triptofano e fenilalanina (Haggis, 1974; Chang, 2000). Eles poderiam, portanto, ter primeiro servido como moléculas “antena”, fornecendo uma maior absorção de UV, e, assim, um aquecimento mais local, favorecendo a desnaturação e, portanto, a maior produção de entropia.

Com maior resfriamento dos oceanos veio uma maior pressão de seleção para os segmentos mais longos RNA/DNA que poderiam codificam enzimas ainda mais complexas e agora especificas e que poderiam auxiliar a desnaturação a temperaturas ainda mais baixas (Michaelian, 2011).

A desnaturação da enzima helicase existente hoje requer, requer um íon de magnésio para o acoplamento da adenosina trifosfato (ATP) ser hidrolisada ao ácido nucleico. (Frick et al, 2007). As proteínas e outras moléculas contendo um íon de magnésio teriam uma afinidade natural para RNA/DNA, devido à sua atração iônica aos grupos fosfato carregados negativamente da cadeia principal.

Íons de magnésio também são componentes importantes do pigmento clorofila. O aminoácido glicina prontamente sintetizado abiogenicamente reage com succinil-CoA a partir do ciclo do ácido cítrico para formar uma porfirina que, quando associada a um íon de magnésio, compõem a clorofila.

Outro resultado possível é a reprodução de RNA/DNA por UV e temperatura assistida em mares mais frios e a codificação de sequências de RNA que promovem o auto-processamento (por exemplo: íntros e de auto-splicing), ou no caso do DNA, uma forma primitiva da enzima topoisomerase que pode quebrar comprimentos de DNA em partes menores por um tempo transitório, dando efetivamente a trechos grandes de RNA/DNA uma baixa temperatura de desnaturação de pequenos segmentos (Michaelian, 2011).

O resíduo catalítico da enzima topoisomerase é o aminoácido tirosina. Este aminoácido é também utilizado no fotossistema II de cloroplastos, agindo como o doador de elétrons da clorofila oxidada. Por causa do seu anel aromático, a tirosina absorve fortemente comprimentos de 280nm (Chang, 2000) e, em água o DNA/RNA demonstrou estabilidade química sob condições de exposição a altas doses de radiação UV (Barbiera et al, 2002), sugerindo que a associação inicial dessas moléculas pode ter sido como um tipo de antena robusta absorvente de fóton para aumentar a temperatura da água local suficientemente para desnaturação.

cloroplastos utilizam comprimentos de onda da luz visível compreendidos entre 400 nm e 720 nm. Apenas algumas reacções utilizam os infravermelhos e os ultravioletas. Dentro do espectro absorvido, a clorofila absorve principalmente na zona do vermelho, emitindo a radiação com outros comprimentos de onda. Este facto permite explicar a cor verde da clorofila. A luz vermelha fornece a energia necessária para a fotossíntese.

Cloroplastos utilizam comprimentos de onda da luz visível entre 400nm e 720nm. Apenas algumas reações utilizam os infravermelhos e os ultravioletas. Dentro do espectro absorvido, a clorofila absorve principalmente na zona do vermelho, emitindo a radiação com outros comprimentos de onda. Este facto permite explicar a cor verde da clorofila. A luz vermelha fornece a energia necessária para a fotossíntese. Clique para ampliar

É possível que os segmentos de RNA/DNA continham os códons que especificam um ou mais desses co-fatores aminoácidos formulando enzimas que agem na desnaturação primitiva e que aos poucos se transformou em uma clorofila primitiva.

A partir de uma reconstrução filogenética dos genes de fotossíntese de todas as linhagens fotossintéticos, Xiong et al (2000) determinaram que bactérias púrpuras são os mais antigos organismos fotossintéticos. Estas bactérias usam bacterioclorofila em um centro de reação que absorve fortemente a luz UV a 280nm e 400nm, com absorção muito limitada no espectro visível e um pequeno pico de absorção no infravermelho, em 800nm (Nozawa et al, 1987). A absorção no infravermelho conduziu à sugestão (Nisbet et al, 1995) que os primeiros organismos vivos eram quimiotróficos torno das fontes hidrotermais e usando a luz infravermelha fraca a partir da fototaxia (orientação), que mais tarde desenvolveram em fotossíntese associada a quimiotrofia.

Com alguma modificação na bacterioclorofila, levando a clorofila, a eficácia do processo de absorção e dissipação de luz seria reforçada. Com a nova molécula de clorofila aliada com o RNA/DNA, a eficácia do processo de absorção de luz e dissipação iria ser melhorada ainda mais, e moléculas orgânicas como aldeídos, ciano-moléculas, dióxido de enxofre, ácido sulfúrico e água das nuvens acabaram permitindo a absorção de radiação visível. A clorofila absorve fortemente comprimentos de onda de 430nm, apenas onde a água é mais transparente (Michaelian, 2011).

Ao mesmo tempo, segmentos de RNA/DNA que codificam enzimas que poderiam ajudá-la a capturar e polimerizar os nucleotídeos flutuantes livres, então, encontraria ainda mais vantagem seletiva em mares ainda mais frios. Desta forma, uma fita única de RNA/DNA com nucleotídeos livres ou oligonucleotídeos flutuando se tornaria cada vez mais improvável. É relevante considerar que a polimerase de ácidos nucleicos de hoje contêm íons Zn++ e Mg++ como co-fatores para a sua atividade enzimática (Rauchfuss, 2008).

O ATP é sintetizado nos cloroplastos das plantas por um processo conhecido como Foto-fosforilação, mas pode ter existido uma rota fotoquímica primitiva mais direta para a sua síntese envolvendo luz UV e calor. Por exemplo, Muller (2005) sugere que a termossíntese de ATP pode ser possível através de ciclos de temperatura em fontes hidrotermais.

A absorção de luz UV e de dissipação das bases de ácido nucleico durante horas e posteriormente um esfriamento da superfície durante a noite por meio de evaporação e a radiação da luz do dia poderiam ter proporcionado um motor de calor semelhante para a síntese de ATP abiogênica.

Um fato notável é que a proteína bacteriorodopsina, que promove a produção de ATP em archaeas, acaba atuando como uma bomba de prótons na absorção de um fóton de comprimento de 568nm, no visível, também funciona perfeitamente bem na absorção de comprimentos de 280nm no ultravioleta (Kalisky et al, 1981). A energia dos fótons de UV é absorvida por aminoácidos aromático como a tirosina e triptofano e a energia é transmitida para o cromóforo.

Assim, o ATP pode ser obtido. A partir da energia livre de luz UV a vida encontrou um meio de colher esta energia para promover reações endergônicas que exigiam um modo mais suave de transferência de energia que não poderia ser fornecida por UV direta ou fótons visíveis.

O aumento da concorrência entre os segmentos de DNA/RNA (produzidos na atmosfera da primitiva Terra ou vindas do espaço, pelos cometas e meteoritos), poderiam, assim constituir os primeiros passos da evolução através da seleção natural (Michaelian, 2011).

Desde quando a vida induziu alterações na composição da atmosfera da Terra, a chuva de moléculas orgânicas do céu cessou. Os vírus, que podem ser remanescentes dos primórdios da vida, e que foram capazes de obter suas moléculas componentes de atividade abiogênica e se reproduzem através do mecanismo de “Reprodução Assistida de RNA/DNA por Ultravioleta e Temperatura” (RATUV) evoluíram para parasitar a produção de ácido nucleico complexa da vida existente dentro do ambiente da célula (Smith, 1965).

Suas proteínas associadas podem ter evoluído a partir de enzimas e desnaturação simples para veículos que facilitem a entrada através das membranas celulares. Sua principal função parece também ter mudado, de seres dissipadores de luz ultravioleta para agentes que causam a mortalidade por meio da lise em bactérias e organismos superiores, permitindo que os seus nutrientes possam ser reciclados em vida fotossintética. Tem sido sugerido que os vírus co-evoluiu com células primordiais, estimulando-as a produzir paredes rígidas, o que causou a privacidade genética, permitindo evolução vertical (Jalasvuori e Bamford, 2008). A Evolução vertical também tem aumentado a produção de entropia na Terra através do ciclo da água, produzindo formas de vida móveis que transportam nutrientes, permitindo assim a dissipação da energia do fóton em moléculas a se espalhar em regiões inóspitas, inicialmente, para a sua reprodução (Michaelian, 2009).

Os vírus podem ser muito mais prevalentes na água do mar do que se suspeitava; sendo o componente principal do material orgânico na água do mar (Wommack & Colwell, 2000), compondo uma fauna chamada de “virioplancton”, geralmente encontrada em concentrações de 104-108 por ml de água do mar, geralmente cerca de uma a duas ordens de grandeza mais comum do que o fitoplâncton bacteriano que eles parasitam.

O DNA viral parece ser responsável por cerca de 20% do DNA encontrado dissolvido em água do mar. O resto parece ser solúvel em cerca de 500 pares de bases de tamanho (o DNA viral tem mais do que 20 mil pares de bases) de origem ainda desconhecida, mas provavelmente o resultado seja da lise de bactérias e vírus. A lise bacteriana por vírus aumenta a produção de cianobactérias e outros fitoplâncton percorrendo nutrientes necessários, tais como fósforo e hidrogênio (Wommack Colwell, 2000). Este material orgânico flutuante, com efeito, aumenta a absorção e dissipação da luz do sol na superfície de lagos e oceanos de hoje (Jones et al, 2005)

Essa teoria vê a origem da vida como um imperativo termodinâmico; um novo processo irreversível, decorrente assim das condições ambientais que se tornaram adequadas, acoplando processos irreversíveis abióticos existentes para aumentar a produção da entropia global da Terra em sua interação com o ambiente solar.

O fluxo de fótons solares teria sido mais intenso e mais extenso em fonte de energia livre disponível durante o Arqueano. A teoria da dissipação termodinâmica sugere a vida como um processo ligado a dissipação de fótons de UV. Fontes químicas e gradientes térmicos e de energia livre teriam sido limitados em tamanho e extensão e não seriam um difícil problema para a evolução da vida, aparecendo logo após a origem da vida, a partir da dissipação de química (Michaelian, 2011).

O que é então a seleção a seleção natural? A teoria da dissipação termodinâmica sugere que a seleção natural seleciona sistemas acoplados biótica-abioticamente levando a produção de entropia global cada vez maior, de acordo com o princípio de Onsager, com evidências empíricas.

Quaisquer evidências indicando que a superfície da Terra era fria no momento da origem da vida tornaria a teoria inviável. Desta forma ela respeita os princípios básicos da filosofia da ciência. A teoria atual sugere que a vida como a conhecemos pode ser menos universal do que as teorias prevalecentes podem indicar, uma vez que, além dos requisitos habituais de água em estado líquido, componentes químicos, e uma fonte de energia livre, a teoria também impõe requisitos rigorosos na fronteira inicial e a evolução das condições externas; uma janela atmosférica permitindo um elevado fluxo de UV para atingir a superfície, de e descendo gradualmente abaixo da temperatura de fusão de RNA/DNA, ciclos de temperatura, e um ciclo de água. Tal teoria evita dificuldades da hipótese RNA-world (Michaelian, 2011).

Um mecanismo de ciclos de temperatura para a amplificação de RNA e DNA, de fato foi demonstrado funcionar no laboratório (a reação em cadeia da polimerase) e pode ter sido a forma de reprodução primitiva das primeiras bases genéticas.

Em contraste com as teorias prevalecentes, tal teoria não requer a descoberta de um mecanismo improvável abiótico que produziu um elevado enriquecimento inicial de enantiomeros quirais para explicar o homoquiralidade de vida atual.

Em vez disso, a presente teoria argumenta que homoquiralidade surgiu gradualmente ao longo do tempo, devido a uma pequena assimetria nas condições ambientais que promovem o mecanismo RATUV. Em particular, se de fato a vida surgiu quando a temperatura da superfície do mar tinha esfriado abaixo da temperatura de desnaturação do RNA/DNA, então, uma vez que a temperatura da superfície do mar seria maior no final da tarde da Terra primitiva, a absorção da pouco luz circularmente polarizada pela molécula dextrogira (Angel et al, 1972), pode ter contribuído para a abundância de RNA/DNA com os nucleotídeos D-enantiomeros. Filamentos duplos contendo predominantemente nucleotídeos L-enantiômeros absorveriam a luz polarizada circularmente de forma inferior aos dextrogiros de tal forma a não conseguir elevar as temperaturas da água local tão frequentemente para desnaturação, reduzindo assim a sua replicação e evolução (Michaelian, 2010). Mais sobre a quiralidade foi descrito em A NEW PHYSICS THEORY OF LIFE na qual oferece uma explicação natural sobre a quiralidade de nosso material genético.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, RNA, DNA, Dissipação, Termodinâmica, Entropia, Arqueano, Ultravioleta, Microcamada, Matéria orgânica, RATUV, Replicação abiótica RNA/DNA, Clorofila, Homoquiralidade,  ATP, Topoisomerase

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Referências

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