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sábado, 11 agosto 2018 11:19

Primeiro Suporte para uma Teoria Física da Vida Destaque

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O biofísico Jeremy England fez ondas em 2013 com uma nova teoria que lançou a origem da vida como um resultado inevitável da termodinâmica. Suas equações sugerem que, sob certas condições, grupos de átomos naturalmente se reestruturarão de modo a queimar mais e mais energia, facilitando a incessante dispersão de energia e a ascensão da "entropia" ou desordem no universo. Jeremy England disse que esse efeito de reestruturação, a que ele chama de adaptação baseada na dissipação, promove o crescimento de estruturas complexas, incluindo seres vivos. A existência da vida não é um mistério ou um golpe de sorte, disse ele à Quanta em 2014, mas segue princípios físicos gerais e "não deve ser tão surpreendente quanto rochas rolando montanha abaixo".

Desde então, Jeremy England, um professor associado de 35 anos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, vem testando aspectos da sua ideia em simulações de computador. Os dois mais significativos desses estudos foram publicados este mês - o resultado mais notável no National Academy of Sciences (PNAS) e o outro no Physical Review Letters (PRL). Os resultados de ambos os experimentos com computadores parecem apoiar a tese geral de England sobre a adaptação baseada na dissipação, embora as implicações para a vida real permaneçam especulativas.

"Este é obviamente um estudo pioneiro", disse Michael Lässig, físico estatístico e biólogo quantitativo da Universidade de Colônia, na Alemanha, sobre o artigo da PNAS escrito por England e um pós-doutorado do MIT, Jordan Horowitz. É "um estudo de caso sobre um determinado conjunto de regras num sistema relativamente pequeno, então talvez seja um pouco cedo para dizer se ele é generalizado", disse Lässig. "Mas o interesse óbvio é perguntar o que isso significa para a vida."

O artigo retira os detalhes básicos das células e da biologia e descreve um sistema simulado de substâncias químicas mais simples, no qual é possível que estruturas excepcionais surjam espontaneamente - o fenómeno que England vê como a força motriz por trás da origem da vida. "Isso não significa que você está garantido para adquirir essa estrutura", explicou England. A dinâmica do sistema é muito complicada e não linear para prever o que acontecerá.

A simulação envolveu uma sopa de 25 substâncias químicas que reagem umas com as outras de várias maneiras. As fontes de energia no ambiente da sopa facilitam ou “forçam” algumas dessas reações químicas, assim como a luz solar provoca a produção de ozono na atmosfera e o combustível químico ATP impulsiona os processos na célula. Começando com concentrações químicas iniciais aleatórias, taxas de reação e “forçando paisagens” - regras que ditam quais reacções recebem um impulso de forças externas e quanto - a rede de reacção química simulada evolui até atingir seu estado final, estável ou “ponto fixo”. 

Frequentemente, o sistema se estabelece num estado de equilíbrio, onde há uma concentração balanceada de produtos químicos e reacções que, da mesma forma, seguem o caminho inverso. Essa tendência a se equilibrar, como uma xícara de café resfriando à temperatura ambiente, é o resultado mais familiar da segunda lei da termodinâmica, que diz que a energia se espalha constantemente e que a entropia do universo sempre aumenta. (A segunda lei é verdadeira porque há mais maneiras de a energia se espalhar entre as partículas do que de se concentrar, de modo que, quando as partículas se movem e interagem, as probabilidades favorecem que sua energia se torne cada vez mais compartilhada.)

Mas para algumas configurações iniciais, a rede de reacção química na simulação segue numa direção totalmente diferente: nesses casos, ela evolui para pontos fixos longe do equilíbrio, onde ela circula vigorosamente através de reacções, colhendo a energia máxima possível do ambiente. Esses casos “podem ser reconhecidos como exemplos de ajuste aparente” entre o sistema e seu ambiente, escrevem Horowitz e England, nos quais o sistema encontra “estados raros de força termodinâmica extrema”.

As criaturas vivas também mantêm estados estacionários de força extrema: somos super-consumidores que queimam enormes quantidades de energia química, degradando-a e aumentando a entropia do universo, à medida que alimentamos as reacções em nossas células. A simulação emula esse comportamento estável em um sistema químico mais simples e mais abstrato e mostra que ele pode surgir “basicamente imediatamente, sem enormes tempos de espera”, disse Lässig - indicando que tais pontos fixos podem ser facilmente alcançados na prática.

Muitos biofísicos pensam que algo como o que England está sugerindo pode muito bem ser, pelo menos, parte da história da vida. Mas se England identificou o passo mais crucial na origem da vida depende, em certa medida, da questão: qual é a essência da vida? Opiniões divergem.

Forma e Função

England, um prodígio de muitos relatos que passou um tempo nas universidades de Harvard, Oxford, Stanford e Princeton antes de chegar ao corpo docente do MIT aos 29 anos, vê a essência dos seres vivos como o arranjo excepcional de seus átomos componentes. "Se eu imaginar reorganizar aleatoriamente os átomos da bactéria - então eu apenas os tomo, rotulo-os todos, permuto-os no espaço - presumivelmente, vou conseguir algo que é lixo", disse ele no início deste mês. “A maioria dos arranjos [de blocos de construção atómicos] não será a força metabólica que uma bactéria é”.

Não é fácil para um grupo de átomos desbloquear e queimar energia química. Para executar essa função, os átomos devem ser organizados de uma forma altamente incomum. De acordo com a Inglaterra, a própria existência de uma relação de função de forma “implica que há um desafio apresentado pelo ambiente em que vemos a estrutura do sistema como um encontro”.

Mas como e por que os átomos adquirem a forma e a função particulares de uma bactéria, com sua configuração ideal para o consumo de energia química? England supõe que seja um resultado natural da termodinâmica em sistemas distantes do equilíbrio.

O físico-químico vencedor do Prémio Nobel, Ilya Prigogine, adoptou ideias semelhantes na década de 1960, mas seus métodos eram limitados. As equações termodinâmicas tradicionais funcionam bem apenas para estudar sistemas próximos do equilíbrio, como um gás que está sendo lentamente aquecido ou resfriado. Sistemas impulsionados por fontes de energia externas poderosas têm uma dinâmica muito mais complicada e são muito mais difíceis de estudar.

A situação mudou no final da década de 1990, quando os físicos Gavin Crooks e Chris Jarzynski derivaram "teoremas de flutuação" que podem ser usados para quantificar com que frequência mais certos processos físicos acontecem do que processos reversos. Estes teoremas permitem aos investigadores estudar como os sistemas evoluem - mesmo longe do equilíbrio. O “novo ângulo” de England, disse Sara Walker, física teórica e especialista em origens da vida na Universidade Estadual do Arizona, foi aplicar os teoremas da flutuação “a problemas relevantes às origens da vida. Acho que ele é provavelmente a única pessoa que faz isso de qualquer maneira rigorosa. ”

O café arrefece porque nada está aquecendo, mas os cálculos de England sugeriram que grupos de átomos que são impulsionados por fontes externas de energia podem se comportar de maneira diferente: eles tendem a absorver essas fontes de energia, alinhando-se e rearranjando-se para absorver melhor a energia e dissipá-lo como calor. Ele mostrou ainda que essa tendência estatística para dissipar energia pode promover a auto-replicação. (Como ele explicou em 2014, "Uma óptima maneira de dissipar mais é fazer mais cópias de si mesmo".) England vê a vida, e sua extraordinária confluência de forma e função, como o resultado final da adaptação e autocontrole impulsionados pela dissipação e replicação.
No entanto, mesmo com os teoremas de flutuação em mãos, as condições na Terra primitiva ou dentro de uma célula são muito complexas para prever a partir dos primeiros tempos. É por isso que as ideias precisam ser testadas em ambientes simplificados simulados por computador que visam capturar o sabor da realidade.

No jornal PRL, England e seus co-autores Tal Kachman e Jeremy Owen, do MIT, simularam um sistema de partículas que interagem. Eles descobriram que o sistema aumenta a sua absorção de energia ao longo do tempo, formando e quebrando laços, a fim de melhor ressonar com uma frequência de condução. "Isso é de certa forma um pouco mais básico como resultado" do que as descobertas da PNAS envolvendo a rede de reacção química, disse England.

Crucialmente, no último trabalho, ele e Horowitz criaram um ambiente desafiador onde configurações especiais seriam necessárias para explorar as fontes de energia disponíveis, assim como o arranjo atómico especial de uma bactéria permite que ela metabolize energia. No ambiente simulado, fontes externas de energia impulsionam (ou “forçam”) determinadas reações químicas na rede de reacção. A extensão deste forçamento dependia das concentrações das diferentes espécies químicas. Conforme as reações progrediam e as concentrações evoluíam, a quantidade de forçantes mudava abruptamente. Uma paisagem forçada tão difícil tornou difícil para o sistema “encontrar combinações de reacções que são capazes de extrair energia livre de forma optimizada”, explicou Jeremy Gunawardena, matemático e biólogo de sistemas da Harvard Medical School.

No entanto, quando os pesquisadores deixaram as redes de reação química se reproduzirem em tal ambiente, as redes pareciam se ajustar à paisagem. Um conjunto aleatório de pontos de partida prosseguiu para atingir estados raros de atividade química vigorosa e força extrema quatro vezes mais do que seria esperado. E quando esses resultados aconteceram, eles aconteceram de maneira dramática: essas redes químicas acabaram no 99º percentil em termos de quanto forçaram em comparação com todos os resultados possíveis. À medida que esses sistemas se agitam por meio de ciclos de reacção e energia dissipada no processo, a relação básica forma-função que England considera essencial para a vida se instalar.

Processadores de Informação

Especialistas dizem que um importante passo para England e seus colaboradores seria ampliar a rede de reacção química e ver se ela ainda evolui dinâmicamente para raros pontos fixos de forçabilidade extrema. Eles também podem tentar tornar a simulação menos abstracta baseando as concentrações químicas, as taxas de reacção e forçando as paisagens em condições que possam ter existido em poças de maré ou perto de aberturas vulcânicas na primitiva sopa terrestre da Terra (mas replicando as condições que realmente deram origem à vida) é suposição). Rahul Sarpeshkar, professor de engenharia, física e microbiologia do Dartmouth College, disse: "Seria bom ter alguma instanciação física concreta dessas construções abstractas." Ele espera ver as simulações recriadas em experimentos reais, talvez usando biologicamente substâncias químicas e fontes de energia relevantes, como a glicose.

Mas mesmo que os pontos fixos ajustados possam ser observados em cenários cada vez mais evocativos da vida e seus supostos primórdios, alguns pesquisadores consideram a tese abrangente de England como "necessária, mas não suficiente" para explicar a vida, como disse Walker, porque não pode explicam o que muitos vêem como a verdadeira marca dos sistemas biológicos: sua capacidade de processamento de informações. Da quimiotaxia simples (a capacidade das bactérias de se moverem em direcção às concentrações de nutrientes ou de serem envenenadas) para a comunicação humana, as formas de vida captam e respondem às informações sobre o seu ambiente.

Para Walker, isso nos distingue de outros sistemas que se encaixam na teoria da adaptação de England, como a Grande Mancha Vermelha de Júpiter. "Essa é uma estrutura dissipativa altamente não-equilibrada que existe há pelo menos 300 anos, e é bem diferente das estruturas dissipativas de não-equilíbrio existentes na Terra actualmente que estão evoluindo há biliões de anos", disse ela. Entender o que distingue a vida, ela acrescentou, “requer alguma noção explícita de informação que a leve além do processo de tipo dissipativo de não-equilíbrio.” Na opinião dela, a capacidade de responder à informação é fundamental: “Precisamos de redes de reacção química que podem se levantar e se afastar do ambiente de onde se originaram ”.

Gunawardena observou que, além das propriedades termodinâmicas e das habilidades de processamento de informações das formas de vida, elas também armazenam e transmitem informações genéticas sobre si mesmas para sua progênie. A origem da vida, disse Gunawardena, “não é apenas a emergência da estrutura, é o surgimento de um tipo particular de dinâmica, que é darwinista. É o surgimento de estruturas que se reproduzem. E a capacidade de as propriedades desses objectos influenciarem suas taxas reprodutivas. Uma vez que você tenha essas duas condições, você está basicamente numa situação em que a evolução darwiniana entra em acção, e para os biólogos, é disso que se trata. ”

Eugene Shakhnovich, professor de química e biologia química em Harvard, que supervisionou a pesquisa de graduação na Inglaterra, enfatizou fortemente a divisão entre o trabalho de seu ex-aluno e as questões de biologia. "Ele começou sua carreira científica no meu laboratório e eu realmente sei o quão capaz ele é", disse Shakhnovich, mas "o trabalho de Jeremy representa exercícios potencialmente interessantes em mecânica estatística de não-equilíbrio de sistemas abstractos simples". Quaisquer alegações que ele tenha a ver com a biologia ou as origens da vida, acrescentou ele, são "especulações puras e sem vergonha".

Mesmo que England esteja no caminho certo sobre a física, os biólogos querem mais detalhes - como uma teoria do que as "protocélulas" primitivas evoluíram para as primeiras células vivas e como o código genético surgiu. England concorda completamente que suas descobertas são mudas em tais tópicos. "No curto prazo, eu não estou dizendo que isso me diz muito sobre o que está acontecendo num sistema biológico, nem mesmo alegando que isso está necessariamente nos dizendo de onde veio a vida como a conhecemos", disse ele. Ambas as perguntas são “uma confunsão” baseada em “evidências fragmentadas”, que, ele disse, “estou inclinado a evitar por ora”. Ele está sugerindo que no kit de ferramentas da primeira vida ou proto-vida -formas, "talvez haja mais que você pode obter gratuitamente, e então você pode optimizá-lo usando o mecanismo darwiniano".

Sarpeshkar parecia ver a adaptação baseada na dissipação como o acto de abertura da história da origem da vida. "O que Jeremy está mostrando é que, desde que você consiga extrair energia de seu ambiente, a ordem surgirá espontâneamente e se ajustará", disse ele. Os seres vivos passaram a fazer muito mais do que England e a rede de reacção química de Horowitz, observou ele. “Mas isso é sobre como a vida surgiu primeiro, talvez - como você consegue a ordem do nada?”

[QuantumMagazine]

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