O oxigênio começou a ser formado e a acumular-se na atmosfera primitiva a partir do aparecimento

A Terra primitiva certamente continha uma atmosfera dominada por dióxido de carbono, e em muitos pontos, semelhante à atmosfera de Vênus. Neste cenário a vida surgiu, passando de replicadores auto/biopoéticos presentes no oceano aos primeiros seres unicelulares dando primeiros passos evolutivos, sobrevivendo em um ambiente anóxico. Este ancestral universal comum de todas formas de vida deu origem as bactérias (os procariotos). Essas primeiras células não tinham núcleo definido e se reproduziam por uma divisão celular relativamente simples. Posteriormente, com o passar dos milhões e bilhões de anos deram origem a uma extensa biodiversidade de indivíduos celulares relativamente mais organizados (a eucariogênese), se especializando em atividades metabólicas e fisiológicas distintas, culminando no desenvolvimento dos animais, fungos, parasitas e claro, da fotossíntese pelas algas. A fotossíntese é um dos fatores responsáveis pelo estado atual de nossa atmosfera, que compõem 20,9% de oxigênio, 78,1% nitrogênio e 1% de outros gases como o argônio, dióxido de carbono, hélio e neônio.

Representação do Hadeano (entre 4,57 e 3,58 bilhões de anos).

Cronologicamente á história da Terra, o oxigênio foi praticamente ausente na atmosfera primitiva, de modo que a fotossíntese teria criado um ganho líquido de oxigênio pela primeira vez no oceano e mais tarde na atmosfera, a cerca de 2,5 bilhões de anos atrás (EESC, 2007).

O famoso experimento de Miller-Urey sobre a formação dos primeiros blocos moleculares orgânicos e de consenso científico foi que a Terra primitiva tinha uma atmosfera redutora com compostos relativamente ricos em hidrogênio e pobres em oxigênio [por exemplo, metano (CH4) e amônia (NH3) em oposição ao dióxido de carbono (CO2) e dióxido de nitrogênio (NO2)]. Uma atmosfera redutora é uma condição atmosférica em que a oxidação é impedida pela ausência de oxigênio e outros gases ou vapores oxidantes, e que pode conter reduzir ativamente gases tais como hidrogênio, monóxido de carbono (CO) e gases que se oxidam na presença de oxigênio, tal como o sulfeto de hidrogênio (H2S). Lembrando que a oxidação é uma reação que ocasiona perda de elétrons e consequente aumento de sua carga (um exemplo hipotético é o Fe2+ que, neste caso, representaria uma reação de oxirredução).

Ainda discute-se se a atmosfera primitiva era de fato redutora como as diversas evidências têm apontado, ou se era fracamente redutora, neutra (Cleaves et al, 2008), e alguns ainda defendem que era oxidativa. Se a Terra tinha de fato uma natureza oxidativa como destacou um artigo de 2011 na revista Nature, então os blocos de construção da vida, os aminoácidos, RNA e DNA certamente se formaram em condições oceânicas próximas a fontes hidrotermais em oceanos primitivos onde havia um ambiente mais favorável á vida. Quem propõe isto são os cientistas do Centro de Nova York da Astrobiology do Rensselaer Polytechnic Institute que usaram os minerais mais antigos da Terra (zircão) para reconstruir as condições atmosféricas presentes na Terra logo após seu nascimento. Os resultados fornecem evidências diretas de que a atmosfera antiga do planeta era oxidativa. Os cientistas mostram que a atmosfera da Terra, 500 milhões de anos após a sua origem, não era um local cheio de metano, mas com algumas condições próximas a de nossa atmosfera atual. A pesquisa foi financiada pela NASA. Os resultados concordam que com a teoria amplamente aceita de que a atmosfera da Terra foi formada por gases liberados da atividade vulcânica em sua superfície e que esta liberação de gases proveniente do magma foi a principal entrada para a atmosfera. O magma escorre, resfria e cristaliza em rocha sólida capturando elementos da atmosfera aprisionando partes da história da Terra. No caso, a formação do zircão.

Os cientistas procuraram determinar os níveis de oxidação dos magmas que formaram esses antigos zircões. Ao determinar o estado de oxidação dos magmas eles olharam para as concentrações de um metal terra-rara chamado cério nos zircões. Este, é um indicador de oxidação importante porque pode ser encontrado em dois estados de oxidação. Quanto mais elevada for a concentração do tipo de cério, mais oxidado é o zircão. Mas como os autores do estudo declararam, o metano e os seus homólogos têm muito mais potencial biológico para saltar a partir de compostos inorgânicos de aminoácidos de apoio à vida e DNA. Watson, um dos autores do estudo declara que a descoberta do seu grupo pode revigorar teorias que talvez os blocos de construção para a vida não foram criados na Terra, mas entregues aqui provenientes de outro lugar na Galáxia. Outra proposta é da origem da vida em fontes hidrotermais, no fundo de oceanos do Hadeano. Os resultados em si não contradizem as teorias existentes sobre o caminho da vida partindo da anaerobiose até os organismos aeróbicos. Os resultados quantificam a natureza das moléculas de gás que contêm carbono, hidrogênio e enxofre na atmosfera mais cedo, mas eles não esclarecem a ascensão mais tarde do oxigênio livre no ar. Ainda havia uma quantidade significativa de tempo para o oxigênio acumular-se na atmosfera através de mecanismos biológicos, de acordo com a fugacidade dos gases (Astrobio, 2011).

Em contrapartida, a atmosfera redutora diminui a quantidade e variedade de aminoácidos que podem ser produzidos abióticamente, embora os estudos que incluem ferro e minerais de carbonato como catalizadores (presentes nos oceanos primitivos) nas condições experimentais produziram novamente uma matriz diversificada de aminoácidos (Cleaves et al, 2008). Pesquisas científicas ainda apontam que outros potenciais ambientes redutores: o espaço exterior e de águas profundas fontes hidrotermais (Bada & Lazcano, 2003).

Uma das peças mais importantes de suporte experimental para a teoria da “sopa primordial” veio exatamente deste experimento de Stanley L. Miller e Harold C. Urey em 1952. Seu experimento simplesmente demonstrou como as moléculas orgânicas poderiam ser espontaneamente formadas a partir de precursores inorgânicos, em condições como as postuladas pela hipótese Oparin-Haldane. O agora famoso experimento de Miller-Urey utilizou uma mistura de gases (metano, amônia e hidrogênio) para formar monômeros orgânicos básicos, tais como aminoácidos (Miller, 1953). No experimento de Miller-Urey, uma mistura de água, hidrogênio, metano, e amônia foi entorpecida por meio de um aparelho que descarregava faíscas elétricas na mistura. Uma semana verificou-se que cerca de 10% a 15% do carbono no sistema formou de uma mistura racêmica de compostos orgânicos, incluindo aminoácidos, que são os blocos de construção das proteínas. Isto proporcionou suporte experimental direto para o segundo ponto da teoria da “sopa primordial”. Com o passar dos anos a ciência foi descobrindo que tais blocos são formados no espaço e pegam carona em meteoros, como o de Murchison, que caiu na Austrália na década de 60.

Ainda não há um “modelo padrão” da origem da vida, todos os campos estão abertos (inclusive sobre a atmosfera primitiva da terra pré-biótica) e o avanço tem sido bastante promissor quando comparamos com que sabíamos a respeito do assunto a uma ou duas décadas atrás. Atualmente a maioria dos modelos aceita alguns elementos do quadro apresentado por Alexander Oparin (em 1924) e JBS Haldane (em 1925), que postulou a teoria da evolução molecular ou química da vida (Bahadur, 1973). De acordo com eles, as primeiras moléculas que constituíram as primeiras células “foram sintetizadas em condições naturais por um lento processo de evolução molecular, e estas moléculas em seguida, organizaram-se no primeiro sistema molecular com propriedades com ordem biológica (Bahadur, 1973).

A Teoria de Oparin diz que existiam coacervados formados a partir de ligação entre compostos orgânicos que teriam se originado no mar com o tempo. Os mais instáveis quebraram e se desfizeram.

Oparin e Haldane sugeriram que a atmosfera da Terra primitiva pode era de natureza quimicamente redutora, compostas principalmente CH4, NH3, H2O, H2S, CO2 ou CO, fosfato (PO43-). O oxigênio molecular (O2) e ozônio (O3) eram raros ou ausentes. De acordo com modelos mais recentes, a atmosfera no período Hadeano final consistiu em grande parte de nitrogênio (N2) e CO2, com pequenas quantidades de monóxido de carbono, hidrogênio (H2), e compostos de enxofre (Kasting, 1993).

O período Hadeano (entre 4,57 e 3,58 bilhões de anos) é um período constituído de uma atmosfera em processo de desgaseificação das rochas que se acumularam a partir pêndulos planetesimais. No início, a atmosfera primitiva era constituída de 98% de CO2, 1,9% de N2, gases vestigiais de H2O, H2, NH3, CH4 e gases nobres, provenientes de vulcanismo favorável á síntese de compostos orgânicos. Durante a sua formação, a Terra perdeu uma parte significativa da sua massa inicial, com um núcleo de elementos rochosos mais pesados do disco protoplanetário restante (Moskowitz, 2012). De acordo com modelos posteriores, sugeridos por estudo de minerais antigos, a atmosfera no final do Hadeano consistia em grande parte de nitrogênio e dióxido de carbono, com pequenas quantidades de monóxido de carbono, hidrogênio e compostos de enxofre (Kasting, 1993). Como a Terra não tinha condições para reter parte do hidrogênio molecular, este componente atmosférico teria sido rapidamente perdido durante o período, juntamente com a maior parte dos gases inertes originais. A solução de dióxido de carbono na água criou condições para mares ligeiramente ácidos, dando-lhes um pH de cerca de 5,5. A atmosfera neste momento teria sido caracterizada como um laboratório químico gigantesco, produtor de gases livres com condições similares à mistura de gases liberados hoje por vulcões, que continua a apoiar uma química abiótica (Follmann & Brownson, 2009).

Os oceanos apareceram pela primeira vez no Hadeano, 200 milhões de anos após a Terra se formar e mediam cerca de 100°C, criando um ambiente extremamente redutor, com pH de cerca de 5,8 tornando-se com o tempo cada vez mais neutro (Morse et al, 1998). Isto tem sido apoiado pela datação de cristais de zircão datados em 4.404 bilhões de anos e de quartzito metamorfoseado do Monte Narryer na Austrália Ocidental, que são evidências de que oceanos e crosta continental já existiam cerca de 150 milhões de anos após a formação da Terra (Wilde et al, 2001). Apesar do provável aumento do vulcanismo e da existência de muitas placas tectônicas menores (plaquetas), tem sido sugerido que entre 4,4 e 4,3 bilhões no ano a Terra era um local ainda com “pouca” água, e “pouca” (ou nenhuma crosta continental), com um ambiente extremamente turbulento e uma hidrosfera intensamente exposta a radiação ultravioleta (UV), a partir de uma fase T Tauri Sun (uma classe de estrelas), radiação cósmica e impactos contínuos de bólidos (Rosing et al, 2006).

Fontes hidrotermais

Se de fato a atmosfera primitiva pré-biótica não era redutora, mas sim oxidativa como apresentou o artigo da Nature, há um novo campo de estudo para reconhecer a origem da vida sob esta nova condição, mas ainda persistem as hipóteses de origem da vida fora da terra (conhecida como Panspermia) ou nas fontes hidrotermais que via de regra criam um ambiente redutor favorável a vida.

Mais de 200 campos hidrotermais já foram identificados no planeta atualmente, principalmente ao longo dos limites de placas da Terra. Rochas quentes ou fundidas impulsiona as fontes hidrotermais, aquece fluidos fazendo com que eles se movem para cima através da crosta. Clique pra ampliar. Fontes de dados Mapa: InterRidge Vents Banco de Dados; ETOPO1, NOAA NGDC; Universidade do Texas PLACAS Projeto; Créditos: Stace Beaulieu, Michael Lowe, Erin Labrecque, e Katherine Joyce (WHOI); Financiamento: NSF GEO # 1202977

Características como a auto-organização e auto-replicação são muitas vezes consideradas a marca registrada dos sistemas vivos. Elas fazem parte de listas de propriedades inerentes a vida dentro de certas chaves de conceituação oferecidas pela filosofia da biologia. Existem muitos exemplos de moléculas abióticas que exibem essas características em condições adequadas. Stan Palasek mostrou a auto-montagem de ácido ribonucleico (RNA) moléculas podem ocorrer espontaneamente devido a fatores físicos em fontes hidrotermais (Koonin et al, 2006). Dando credibilidade à hipótese de que a vida poderia ter começado como moléculas orgânicas auto-montagem em um ambiente (Vlassov et al, 2005).

Um exemplo de hipótese de origem da vida vem do modelo Zn-world proposto por Armen Y. Mulkidjanian (2009) é uma extensão da hipótese de pirita de Wächtershäuser, que baseou-se dos processos químicos iniciais que levam a moléculas informativos (RNA, peptídeos) em uma malha regular de cargas elétricas na superfície da pirita que pode ter catalisado e realizado uma polimerização primordial termodinamicamente mais favorável, atraindo reagentes e organizando-os de forma adequada em relação uns com os outros (Wächtershäuser, 1988). Esta teoria depende de fluidos hidrotermais ricos em H2S interagindo com o oceano primordial na qual a água leva à precipitação de sulfeto de metais e partículas. Sistemas de ventilação oceânicos e outros sistemas hidrotermais têm uma estrutura zonal refletidas em antigos depósitos vulcanogênicos massivos de sulfureto de origem hidrotermal. Os compostos mais abundantes são a pirita (FeS2), calcopirita (CuFeS2), esfalerita (ZnS), com adições de galena (PbS) e alabandite (MnS). A ZnS e sulfeto de manganes (MnS) têm uma capacidade única para armazenar energia. Mulkidjanian e colegas reconstruíram os “centros de incubação” das primeiras células combinando a análise geoquímica com controle filogenômico dos requisitos de íons inorgânicos dos componentes universais de células modernas. Os autores concluem que proteínas primordiais e sistemas funcionais mostram afinidade com com K+, Zn2+, Mn2+ e fosfato, uma composição iônica propícia para a origem das células durante as emissões de zonas dominadas por vapor do que hoje chamamos de sistemas geotérmicos interiores (Mulkidjanian et al, 2012).

Respiradouros no fundo de oceanos primitivos, ou alcalinos hidrotermais, são ambientes que favorecem a hipótese para a origem da vida na Terra (Schirber, 2014). Um ideia defendida por William Martin e Michael Russell sugere que a vida evoluiu em uma infiltração hidrotermal rica em monosulfato de ferro que precipita na fonte hidrotermal em um gradiente redox com pH e temperatura entre o fluido rico em sulfeto hidrotermais e ferro (II) molecular contendo águas do fundo do oceano. Isto permite estruturas inorgânicas atuarem como precursores das paredes e membranas celulares encontrados em procariotas de vida livre. Além disto, permite a catalisação da síntese de acetil-metilsulfito, monóxido de carbono e metilsulfito indicando que o fluido hidrotérmico continha condições pré-bióticas de síntese nas superfícies internas da fonte. Estes fluidos ricos em hidrogênio emergiam abaixo do fundo do mar promovendo a serpentinização na fronteira entre a água do mar e uma interface de pH com água do mar rica em dióxido de carbono. As aberturas formam uma fonte de energia química sustentada e derivada de reações redox em que os doadores de elétrons (H2), reagem com aceptores de elétrons, tais como o dióxido de carbono criando reações altamente exotérmicas (Martin & Russell, 2003).

Diagrama de ciclo biogeoquímico em uma fonte hidrotermal. Günter Wächtershäuser propôs a hipótese do ferro-enxofre para sugerir que a vida pode ter se originado em fontes hidrotermais. Wächtershäuser propôs que uma forma primitiva do metabolismo antecedeu genética. Por metabolismo ele traz um ciclo de reações químicas que libertam energia em uma forma que pode ser aproveitada por outros processos. Pesquisas experimentais por modelagem computacional indica que as superfícies das partículas minerais dentro fontes hidrotermais ter propriedades catalíticas semelhantes a enzimas e são capazes de criar moléculas orgânicas simples, tais como o metanol, ácido fórmico. Clique para ampliar.

Jack W. Szostak sugeriu que a atividade geotérmica oferece grandes oportunidades para a origem da vida devido acúmulo de minerais. Em 2010, Ignat Ignatov e Oleg Mosin demonstraram que a vida pode ter sido predominantemente originada na água mineral quente que contém íons bicarbonato e cálcio (Ignatov & Mosin, 2013). Este é caso semelhante como a origem da vida em fontes hidrotermais, mas com bicarbonato de cálcio e íons em água quente. Esta água tem um pH entre 9-11 e é possível ter as reações em água do mar. De acordo com a Melvin Calvin, certas reações de condensação-desidratação de aminoácidos, nucleotídeos, blocos individuais de peptídeos e ácidos nucleicos podem ter se originado na hidrosfera primária neste medida de pH em fase evolutivas posteriores (Calvin, 1969). Alguns destes compostos como ácido cianídrico (HCN) foram comprovados nos experimentos de Miller. Este é o ambiente em que os estromatólitos surgiram. David Ward da Universidade Estadual de Montana descreveu a formação de estromatólitos na água mineral quente no parque nacional de Yellowstone. Estromatólitos sobrevivem na água mineral quente e na proximidade de áreas com atividade vulcânica (Schirber, 2010). Em 2011, Tadashi Sugawara pela Universidade de Tóquio criou uma protocélula em água quente (Kurihara et al, 2011).

A pesquisa experimental e modelagem de computador sugerem que as superfícies das partículas minerais dentro fontes hidrotermais tem propriedades catalíticas como a de enzimas e são capazes de criar moléculas orgânicas simples, tais como o metanol (CH3OH), ácido fórmico, acético e ácido pirúvico em ambientes com CO2 dissolvido na água (Roldan et al, 2015).

Seja qual for á atmosfera, ainda persiste em aberto as hipóteses para a origem da vida sob uma perspectiva natural. Resta saber em qual cenário atmosférico o processo ocorreu, e se a vida ocorreu em uma relação direta com a atmosfera (seja era redutora ou oxidativa), ou se as hipóteses de Panspermia ou hidrotermais parecem mais satisfatórias diante das evidências. Há outras hipóteses sobre a origem da vida que conta com cenários diferentes e menos promissores, mas que ainda permanecem em aberto. A questão sobre o passado da vida vai depender agora do futuro conhecimento científico.

Victor Rossetti

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Referências