Uma nova teoria física para a origem da vida


Jeremy England, 31, físico no MIT (Massachusetts Institute of Technology), acha que encontrou a força que impulsiona a origem e a evolução da vida.

Primeiramente, por que a vida existe?

Hipóteses populares creditam uma sopa pré-biótica, uma imensa quantidade de raios e um tremendo golpe de sorte. Mas se uma nova teoria estiver correta, a sorte pode ter exercido um papel mínimo. Em vez disso, de acordo com o físico que propõe a ideia, a origem e a subsequente evolução da vida seguem um padrão das leis fundamentais da natureza e “deve ser tão natural quanto pedras rolando por uma ladeira”.

No ponto de vista da física, há uma diferença essencial entre seres vivos e aglomerados inanimados de átomos de carbono: o primeiro tende a ser bem melhor em absorver a energia do seu ambiente e dissipar ela em forma de calor. Jeremy England, 31, professor no MIT (Massachusetts Institute of Technology), tem desenvolvido uma fórmula matemática que ele acredita que possa explicar essa capacidade. A fórmula, baseada em uma física já conhecida, indica que quando um grupo de átomos é guiado por uma fonte externa de energia (tal como o Sol ou combustíveis químicos) e cercada por um meio que mantenha o calor (como o oceano ou a atmosfera), ele provavelmente irá se reestruturar gradualmente, de forma a dissipar cada vez mais energia. Isso poderia significar que em determinadas condições, a matéria pode inevitavelmente adquirir o atributo físico associado à vida.

Células do musgo Plaguimnium, com cloroplastos visíveis, organelas responsáveis pela fotossíntese. Imagem por: Kristian Peters
Células do musgo Plaguimnium, com cloroplastos visíveis, organelas responsáveis pela fotossíntese. Imagem por: Kristian Peters

“Você começa com um aglomerado aleatório de átomos, e, se você deixá-lo exposto à luz por um determinado tempo, não seria surpreendente se você conseguisse uma planta”, diz England.

A teoria de England está destinada a fundamentar e sustentar, ao invés de substituir, a teoria da evolução de Darwin, que pode prover uma poderosa descrição da vida. “Eu certamente não estou dizendo que as ideias darwinianas estão erradas”, ele explica. “Muito pelo contrário, eu só estou dizendo que, de acordo com a perspectiva da Física, você pode chamar a evolução darwiniana de um caso específico de um fenômeno generalizado”

Sua ideia, detalhada em um paper e mais bem elaborada empalestras das quais ele está dando para universidades ao redor do mundo, gerou uma polêmica entre seus colegas, que veem isso como um tênue ou um potencial avanço.

England avançou “um bravo e importante passo”, diz Alexander Grosberg, professor de Física na Universidade de Nova Iorque que tem seguido os trabalhos de England desde os primeiros estágios. A “grande esperança” é como ele tem identificado o princípio da física subjacente que vem conduzindo a origem e a evolução da vida.

“Jeremy é apenas o mais brilhante jovem cientista do qual eu já ouvi falar”, diz Atilla Szabo, um biofísico do Laboratório de Físico-Química do NIH (National Institutes of Helth), que apoiou England e sua teoria depois de conhecê-lo em uma conferência. “Eu fiquei surpreso com a originalidade das ideias”.

Outros, tal como Eugene Shakhnovich, um professor de Química, Bioquímica e Biofísica na Universidade de Havard, não estão convencidos. “As ideias de Jeremy são interessantes e potencialmente promissoras, mas neste ponto ele é bastante especulativo, especialmente quando está se referindo ao fenômeno da vida”, diz Shakhnovich.

Os resultados teóricos de England são considerados válidos. É, em sua interpretação, o que os torna improváveis. Mas já há ideias de como testar essa interpretação no laboratório.

“Ele está tentando algo radicalmente diferente”, diz Mara Prentiss, professora de física da Universidade de Harvard. “Em linhas de organização, eu acho que ele tem uma ideia fabulosa. Certa ou errada, valerá muito a pena a sua investigação”

Simulação gráfica por Jeremy England e seus colegas, onde mostra um sistema de partículas confinadas dentro de um líquido viscoso do qual as partículas destacadas de turquesa são estimuladas por uma força. Depois de um tempo (de cima para baixo), a força provoca a formação de mais ligações entre as partículas. Imagem cedida por:  Jeremy England
Simulação gráfica por Jeremy England e seus colegas, onde mostra um sistema de partículas confinadas dentro de um líquido viscoso do qual as partículas destacadas de turquesa são estimuladas por uma força. Depois de um tempo (de cima para baixo), a força provoca a formação de mais ligações entre as partículas. Imagem cedida por: Jeremy England

Na sua monografia “O que é vida?”, em 1944, o eminente físico quântico Erwin Schrödinger argumentou que isto é o que os seres vivos precisam. Uma planta, por exemplo, absorve extremamente a luz solar, usa ela para produzir açúcares e “ejeta” luz infravermelha. A entropia total do universo aumenta durante a fotossíntese à medida que a luz solar se dissipa.

A vida não viola a Segunda Lei da Termodinâmica, mas até recentemente, físicos eram incapazes de usar a Termodinâmica para explicar porque ela deve surgir em primeiro lugar. Na época de Schrödinger, eles só poderiam resolver as equações da Termodinâmica aplicadas em sistemas fechados em equilíbrio. Na década de 60, o físico belga Ilya Prigogine teve progresso em prever o comportamento de sistemas abertos movidos por fontes de energia internas (o motivo dele ter ganho o Prêmio Nobel de Química em 1977). Mas o comportamento dos sistemas que estavam longe de um equilíbrio, conectados com o ambiente externo e fortemente influenciados por fontes externas de energia, não poderiam ser previstos.

A situação mudou mais tarde. na década de 90, devido, principalmente, ao trabalho de Chris Jarzynski, agora na Universidade de Maryland, e de Gavin Crooks, agora no Labotarótio Nacional Lawrence Berkeley. Jarzynski e Crooks mostraram que a entropia produzida por um processo termodinâmico, tal como o resfriamento de um copo de café, corresponde a uma simples razão: a probabilidade de que os átomos vão submeter-se a tal processo dividida pela probabilidade deles sofrerem o processo inverso (isto é, a interação espontânea de tal modo que o café aquece). A fórmula, ainda que rigorosa, poderia ser, em princípio, aplicada para qualquer processo termodinâmico, não importando o quão rápido ou longe do equilíbrio. “Nossa compreensão do equilíbrio de Mecânica Estática melhorou muito”, Grosberg disse. England, que é treinado em Física e Bioquímica, começou seu próprio laboratório no MIT há dois anos e decidiu aplicar o seu conhecimento de Física Estática em biologia.

Usando a formulação de Jarzynski e Crooks, ele derivou uma generalização da Segunda Lei da Termodinâmica que atribui a certos sistemas de partículas com certas características: os sistemas são fortemente movidos por uma fonte externa de energia tal como uma energia eletromagnética, e eles podem descartar calor em um banho circundante. Essa classe de sistemas inclui todos os seres vivos. England, então, determinou o quanto os sistemas tendem a evoluir ao longo do tempo à medida que a irreversibilidade aumenta. “Nós podemos mostrar, de forma muito simples, a partir da fórmula, que os resultados evolutivos vão ser aqueles que absorvem e dissipam mais energia para o ambiente externo, no caminho para chegarem lá”, ele diz. As descobertas fazem um senso intuitivo: partículas tendem a dissipar mais energia quando elas são estimuladas por uma força motriz.

“Isto significa que os aglomerados de átomos rodeados por um banho de certa temperatura, como a atmosfera ou o oceano, devem tender, ao longo do tempo, a se organizarem para repercutir melhor com as fontes de trabalho mecânicas, eletromagnéticas ou químicas nos seus ambientes”, England explica.
Courtesy of Michael Brenner/Proceedings of the National Academy of Sciences
Cachos de Esferas Auto-Replicativas: De acordo com a nova pesquisa da Harvard, o revestimento das superfícies das esferas podem causar a espontânea montagem em uma estrutura determinada, tal como o politetraedro (vermelho), o que faz que as esferas vizinhas percorram o mesmo caminho.

A auto-replicação (ou reprodução, em termos biológicos), é o processo que move a evolução da vida na Terra, é um mecanismo pelo qual um sistema pode dissipar uma ascendente quantidade de energia ao longo do tempo. Como England cita, é “uma boa forma de se dissipar é fazendo cópias de si mesmo”. Em um paperpara Journal of Chemical Physics, ele informou o mínimo teórico para que a dissipação possa ocorrer durante a auto-replicação das moléculas de RNA e das células bacterianas, e mostrou que é muito perto dos reais valores de dissipação que esses sistemas podem ter enquanto replicam. Ele também mostrou que o RNA, o ácido nucleico, que muitos cientistas acreditam que serviu como precursor do DNA, é particularmente um material simples e “barato”. Uma vez que o RNA surgiu, ele argumenta, a sua “aquisição darwiniana” não foi, talvez, surpreendente. A química da sopa pré-biótica, mutações aleatórias, geografia, eventos catastróficos e outros inúmeros fatores contribuíram para os detalhes da diversidade das fauna e flora do planeta. Mas, de acordo com a teoria de England, o princípio subjacente que conduz todo o processo é resultado da adaptação orientada à dissipação da matéria.

Cachos de Esferas Auto-Replicativas: De acordo com a nova pesquisa  da Harvard, o revestimento das superfícies das esferas podem causar a espontânea montagem em uma estrutura determinada, tal como o politetraedro (vermelho), o que faz que as esferas vizinhas percorram o mesmo caminho. Imagem por: Michael Brenner
Cachos de Esferas Auto-Replicativas: De acordo com a nova pesquisa da Harvard, o revestimento das superfícies das esferas podem causar a espontânea montagem em uma estrutura determinada, tal como o politetraedro (vermelho), o que faz que as esferas vizinhas percorram o mesmo caminho. Imagem por: Michael Brenner

Esse princípio também se aplicaria à matéria inanimada. “É muito tentador especular os fenômenos da natureza, nós podemos, agora, caber nessa grande tenda de organização e adaptação pela dissipação-condução”, England diz. “Muitos exemplos como esse poderiam estar bem debaixo do nosso nariz, mas não os notamos porque não temos estado a observá-los”.

Cientistas já observaram a auto-replicação em sistemas inanimados. De acordo com a nova pesquisa, liderada por Philip Marcus, da Universidade da Californa, Berkley, e divulgada naPhysical Review Letters, em Agosto, vórtices em fluidos turbulentos replicam-se espontaneamente através da energia da matéria ao seu redor. Em um outro paper publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences, Michael Brenner, um professor de Matemática Aplicada e Física de Harvard e seus colaboradores apresentaram modelos teóricos e simulações de microestruturas que se auto-replicam. Esses aglomerados de microesferas, especialmente revestidas, dissipam energia por estimular esferas próximas a formar aglomerados idênticos. “Isto se liga muito ao que Jeremy está dizendo”, Brenner diz.

Além da auto-replicação, a organização estrutural é outro meio pelo qual os sistemas são fortemente impulsionados para dissipar energia. Uma planta, por exemplo, é melhor em capturar e rotear a energia solar através de si que um aglomerado de átomos de Carbono não estruturados. Assim, England argumenta que, sob certas condições, a matéria irá espontaneamente se auto-organizar. Essa tendência poderia explicar a ordem interna dos seres-vivos e de muitas estruturas inanimadas. “Flocos de neve, dunas de areia e vórtices turbulentos, todos têm em comum que são estruturas definitivamente moldadas que surgem em muitos sistemas de partículas conduzidos por um processo dissipativo”, ele diz. Condensação, vento e resistência do ar são relevantes processos nesses casos particulares.

“Ele está me fazendo pensar que a distinção entre seres-vivos e inanimados é apagada”, diz Carl Franck, um Físico Biológico da Universidade de Cornell, em um e-mail. “Estou particularmente impressionado por essa noção de quando um considera sistemas tão pequenos quanto circuitos químicos envolvendo algumas biomoléculas.

A ideia ousada de England, muito provavelmente, irá sofrer um exame bastante detalhado nos anos seguintes. Ele está, por enquanto, trabalhando apenas com simulações gráficas feita em computador para testar a sua teoria de que os sistemas de partículas adaptam suas estruturas para facilitar a dissipação de energia. O próximo passo será fazer experimentos em sistemas reais.

Prentiss, que dirige um laboratório de Biofísica Experimental em Havard, diz que a teoria de England pode ser testada a partir da comparação de células com diferentes mutações e procurando a correlação entre a quantidade de energia que as células dissipam com as suas taxas de replicação. “É preciso ter cuidado porque uma mutação poderia ter resultados diferentes”, ela diz. “Mas se alguém continuar fazendo muitos desses experimentos em diferentes sistemas e se são de fatos correlacionados, isto quer dizer que ele é o princípio de organização correto”.

Se a teoria estiver correta, a mesma física que se identifica como responsável pela origem dos seres-vivos poderia explicar a formação de mais outras estruturas padronizadas na natureza. Flocos de neve, dunas de areia e vórtices auto-replicativos em um disco protoplanetário podem ser exemplos de uma adaptação à dissipação. Imagem por: Wilson Bentley
Se a teoria estiver correta, a mesma física poderia explicar a formação de mais outras estruturas padronizadas na natureza. Flocos de neve, dunas de areia e vórtices auto-replicativos em um disco protoplanetário podem ser exemplos de uma adaptação à dissipação. Imagem por: Wilson Bentley

Brenner diz que ele espera conectar a teoria de England com as suas próprias construções de microesferas e determinar se a teoria prediz corretamente que os procedimentos de auto-replicação e auto-montagem possam ocorrer – “uma questão fundamental na ciência”, ele diz.

Ter um princípio fundamental da vida evolução daria a pesquisadores uma perspectiva mais ampla sobre o surgimento da estrutura e a sua função nos seres-vivos, muitos dos pesquisadores dizem. “A seleção natural não explica certas características”, diz Ard Louis, um biofísico da Universidade de Oxford, em um e-mail. Essas características incluem uma mudança hereditária para a expressão genética chamada “metilação”, o aumento da complexidade na ausência da seleção natural, e certas mudanças moleculares que ele recentemente estudou.

Se a abordagem de England continuar sendo testada, ela poderá liberar mais ainda os biólogos e fazer com que eles busquem mais a explicação darwinista para todas as adaptações e permitir com que eles pensem mais de modo geral, em termos da organização orientada pela dissipação. Eles podem achar, por exemplo, que “a razão que um organismo mostra certa característica X ao invés de Y talvez não seja porque X é mais capaz que Y, mas sim porque as restrições físicas tornaram mais fácil evoluir para X do que para Y”, Louis diz.

“As pessoas muitas vezes ficam presas pensando sobre seus problemas individuais”, Prentiss diz. Querendo ou não, as ideias de England virão a ser exatamente certas, ela diz, “pensar de forma mais ampla fará com que muitas descobertas científicas sejam feitas”.


Artigo por Natalie Wolchover, publicado no site da Simons Foundation, em 22 de Janeiro de 2014, com títuloA New Physics Theory of Life e no site da Scientific American, em 28 de Janeiro de 2014, com o mesmo título.