Origem da Vida - Ecopoese

ECOPOESE

Dê sua opinião

Outros Idiomas

English

Español

Français

Interlingua

ECOPOESE.

Resumo - O modelo da Ecopoese é uma hipótese sobre a origem da vida na Terra que propõe que os ciclos geoquímicos dos elementos biogênicos (ou ciclos biogeoquímicos) precederam o aparecimento dos organismos. A existência de tais ciclos em um mundo prebiológico implica a presença de fortes doadores (redutores) e aceptores (oxidantes) de elétrons, reabastecidos por meio de reações abióticas no ambiente aquoso primitivo da terra.
A ciclagem de compostos de carbono, nitrogênio e enxofre ocorreria nos oceanos, um ambiente aquoso em contato com uma litosfera rica em íons redutores, tais como o ferro ferroso (divalente) e sulfeto, e uma atmosfera contendo quantidades significativas de oxigênio molecular (livre), gerado pela fotólise atmosférica do vapor d'água.
As transições redox pertinentes aos processos vivos seriam assim atributos primordiais da ecosfera nascente, e determinariam a natureza dos materiais e dos processos de obtenção que moldariam gradativamente a evolução da organismalidade .
Níveis atmosféricos altos de gás carbônico seriam responsáveis por algumas propriedades reativas essenciais deste mundo protobiológico, tais como a possibilidade de fixação de carbono, e propagação quiral.

O modelo da Ecopoese (Félix de Sousa, R.A., 2000, 2006) para a origem da vida se fundamenta na idéia de que uma atmosfera contendo uma alta porcentagem de oxigênio molecular, gerado pela fotólise atmosférica do vapor d'água, é uma característica essencial da ecosfera primitiva da Terra.
A Ecopoese oferece uma perspectiva diferente com relação aos outros modelos de biopoese. Tradicionalmente, a origem da vida é considerada equivalente ao surgimento casual de organismos celulares muito simples, cuja evolução metabólica iria, daí por diante guiar a evolução geral do ambiente (a atmosfera rica em oxigênio seria um resultado deste processo). Na ecopoese, em contraste, o ambiente físico desempenha o principal papel, e não os organismos.
Além de dotar o meio ambiente, desde o início, com a proteção contínua de uma camada de ozônio, a presença precoce do oxigênio livre determina o estabelecimento de um fluxo de elétrons que, deixando os componentes redutores da litosfera, cruzam os mares arqueanos, bombeados pela produção fotolítica de oxigênio na atmosfera terrestre. Este fluxo é mediado e em grande parte canalizado pelas transições redox dos elementos redox-sensíveis na hidrosfera.
Estas interações ambientais de grande escala ocasionam o desenvolvimento de um metabolismo de base geoquímica em um protoplasma planetário (o holoplasma) criando as pré-condições para a evolução gradual da vida organismal.

A ampla diferença de potenciais eletroquímicos no ambiente primordial causaria o aparecimento dos ciclos geoquímicos dos elementos biogênicos. As vias metabólicas primitivas se originam da interação destes ciclos e os seus produtos. A geração de ordem no sistema decorre das transições energeticamente favoráveis, particularmente na oxidação da matéria orgânica, e das propriedades físico-químicas das substâncias envolvidas. Este protometabolismo planetário é essencialmente congruente à bioquímica dos organismos atuais, incluindo a fixação de carbono e nitrogênio, e a degradação aeróbica de compostos orgânicos (oxidação total a CO2).
A evolução biológica, em regra, procederia pelo controle funcional crescente destas reações, e não por sua criação. Um metabolismo nu de base geoquímica evoluiria assim, de modo congruente, em direção aos processos enzimáticos modernos.

CICLOS GEOQUÍMICOS DOS ELEMENTOS BIOGÊNICOS NO PERÍODO ARQUEANO.

Potenciais redox na Terra primitiva

A gama de potenciais eletroquímicos na Terra protobiológica é calculada como variando entre os valores extremos determinados pelo Ferro divalente da litosfera e o oxigênio atmosférico.
Os ciclos geoquímicos primitivos são constituídos pelas espécies químicas possíveis dos elementos biogênicos e suas transições neste intervalo.
A natureza oxidante da atmosfera primitiva decorreria da produção abiótica de oxigênio, por fotólise do vapor d'água atmosférico e perda gravitacional de hidrogênio.
A baixíssima solubilidade do oxigênio nas condições de alta temperatura dos oceanos primitivos e a relativa escassez de terras emersas exigiriam a manutenção de uma elevada concentração de oxigênio na atmosfera, necessária para que o fluxo de elétrons a partir dos compartimentos hidrosférico e litosférico pudessem compensar a perda por fotólise.
A maior parte dos gases redutores originados pela atividade vulcânica seria liberada diretamente na hidrosfera ou teria curta residência na atmosfera. Pequenas quantidades de metano ou monóxido de carbono, menos solúveis, poderiam entretanto coexistir em equilíbrio com a atmosfera oxidante.
As áreas de estabilidade para as espécies químicas derivadas dos elementos biogênicos estão representadas nos diagramas de Pourbaix. A linha azul liga os valores extremos de pH e de potencial eletroquímico calculados para o meio hipercarbônico. Pretende ilustrar, de modo aproximado, as transições químicas possíveis nas condições protobiológicas propostas.
No caso do enxôfre os ciclos seriam complicados pela interferência com o ferro divalente. O diagrama de Pourbaix para o carbono inclui somente os dois extremos, a espécie mais reduzida - o metano, e a mais oxidada, o dióxido de carbono (e seus derivados aquosos, o ácido carbônico, e os íons bicarbonato e carbonato), entre um grande número de compostos possíveis exibindo estados de redução intermediários.

Diagramas de Pourbaix

Ciclos geoquímicos dos elementos biogênicos

As propriedades carboxilantes e condensantes emprestadas ao médio aquoso (apelidado "hipercarbônico") pela presença de uma densa atmosfera de CO2 são particularmente importantes, pois permitem a fixação de carbono na presença do poder redutor, e a propagação quiral.

UM MUNDO HIPERCARBÔNICO.

A expressão "meio hipercarbônico" descreve as propriedades reativas do ambiente oceânico da Terra primitiva sob a composição atmosférica postulada no modelo da ecopoese. Devido à grande quantidade de CO2 dissolvido, especies químicas tais como o ácido carbônico, o íon bicarbonato e íons divalentes (principalmente o alcalino-terroso magnésio) estão presentes em concentrações bem mais altas que nos oceanos hodiernos, emprestando propriedades carboxilantes capazes de afetar grupamentos amino e carbânions Sob o equilíbrio carboxilação-descarboxilação assim determinado, vários compostos orgânicos formariam séries de "análogos hipercarbônicos" estreitamente assemelhados, cujos membros diferem unicamente quanto à quantidade de CO2 adicionada às suas moléculas.

Carboxilações

O meio altamente polar com baixa atividade de agua (Aw) governa o equilíbrio de hidratação-desidratação. Adicionalmente, um equilíbrio redução-oxidação é parte do ambiente oceânico como um todo, posicionado entre uma litosfera que fornece íons redutores (sobretudo ferro e enxofre divalentes) e a atmosfera óxica. Os fatores que determinam o equilíbrio de carboxilação-descarboxilação e o equilíbrio hidratação-desidratação são designados fatores permanentes e estão ligados a condições que somente flutuam muito levemente. Por outro lado o equilíbrio oxidação-redução é governado pelos fatores eventuais, que variam grandemente, entre os extremos redox do ambiente protobiológico.
A química do meio hipercarbônico é central ao modelo da ecopoese pois concilia, tal como ditado pelo princípio da congruência, a relevância biológica das reações de carboxilação e descarboxilação com as evidências geológicas de uma paleoatmosfera pesada de CO2.

Como o dióxido de carbono é extremamente estável com respeito à reação de redução em soluções aquosas, a fixação de carbono dependeria da carboxilação de compostos de carbono preexistentes. Os ciclos protobiológicos do carbono teriam, no sentido anabólico, reações de carboxilação intercaladas com etapas de redução. Inversamente, os ciclos catabólicos alternariam descarboxilações e etapas de oxidação, como nos ciclos metabólicos modernos. Os possíveis análogos não-enzimáticos destas reações no meio hipercarbônico são discutidos com algum detalhe no livro, bem como os mecanismos que fariam com que o equilíbrio redução-oxidação na ecosfera protobiológica estivesse firmemente ligado aos processos de carboxilação e descarboxilação.

Origem da vida - O ciclo do carbono

A fixação de carbono dependeria também de uma contribuição, ao menos modesta (aporte primário), de hidrocarbonetos formados pela decomposição de carbetos procedentes da litosfera. O acetileno, em particular poderia ser convertido diretamente, por hidratação e carboxilação, nos ácidos pirúvico e oxaloacético, constituintes centrais das vias bioquímicas atuais. A participação destes compostos reforça a idéia de que o ciclo de Krebs bidirecional seria a característica central dos processos de circulação de carbono na ecosfera primitiva.
A disponibilidade de poder redutor para os processos anabólicos (derivando principalmente do ferro divalente e dos sulfetos litosféricos), comparada à do oxigênio atmosférico apenas ligeiramente solúvel, favoreceria a acumulação de compostos orgânicos na hidrosfera.
O questionamento a respeito da natureza destes compostos e de seus processos de formação pode ser auxiliada pela presunção de uma evolução congruente.

O PRINCÍPIO DA CONGRUÊNCIA.

O princípio da congruência é uma ferramenta heurística destinada a guiar a investigação da história dos sistemas vivos. Enuncia simplesmente que a vida moderna é uma ferramenta necessária e utilíssima no estudo dos estados anteriores da vida. A congruência pode ser encarada como um complemento à teoria da evolução pois representa a busca de evidências de ancestralidade comum num nível molecular.
Embora as similaridades bioquímicas entre os organismos existentes sejam geralmente considerados uma prova inequívoca de sua evolução comum, os modelos clássicos de origem da vida propoem um mundo biológico anterior, ou "prebiótico", onde os compostos orgânicos teriam se acumulado por meio de processos estranhos à bioquímica hodierna.
As primeiras proposições teóricas com relação à pesquisa da natureza evolutiva do metabolismo foram estabelecidas por Granick nos anos 40 e mais recentemente aplicadas, notadamente por De Duve e por Morowitz ao campo da origem da vida. O modelo da Ecopoese estende ainda mais além os domínios da congruência, da evolução dos organismos à da ecosfera como um todo.
Esta concepção implica que os ciclos geoquímicos dos elementos biogênicos foram sempre essencialmente os mesmos, mas também que os íngremes gradientes de energia que aprovisionam os processos vitais não foram criados pelos organismos. Ao contrário, é exatamente a existência de processos geradores de energia no ambiente primordial, especialmente a degradação aeróbica da matéria orgânica (oxidação total a CO2), que teria permitido a criação da ordem inerente à vida organismal.
A utilização do termo "protobiológico", implicando a vida primitiva, no lugar de "prebiótico" (antes da vida) enfatiza o tipo de continuidade que caracteriza o princípio da congruência e é consistentemente seguida no modelo da ecopoese..

A congruência pressupõe analogia química entre estas duas fases da evolução bioquímica, e é demonstrado o paralelismo entre a ação dos fatores ambientais protobiológicos e das coenzimas.

PROCESSOS CONGRUENTES DO MUNDO HIPERCARBÔNICO.

Fatores reativos ambientais e reativos metabólicos correspondentes.
1 - Permanentes

Fator ambiental (e reação contrária)

Reativos metabólicos correspondentes

Origem

+ H2O

- H2O

(espontâneo)

ATP, GTP, etc.

Hidroatmosfera

+ CO2

- CO2

Biotina

(espontâneo)

Hidroatmosfera

2 - Eventuais primários.

[H]

[O]

TH - Transportadores Reduzidos
(NADH, FADH2, etc.)

T - Transportadores Oxidados
(NAD+, FAD, etc.)

Poder Redutor Litosférico

Oxigênio Atmosférico

+ H2S

- H2S (+H2O)

CoenzimaA-SH

(espontâneo)

Hidroatmosfera (Ciclo do S)

+ NH3 (NH2COOH)

- NH3 (+H2O)

Compostos aminados

(espontâneo)

Hidroatmosfera (Ciclo do N)

+ H2PO4-

-H2PO4- (+H2O)

ATP, GTP, etc.

(espontâneo)

Hidroatmosfera

3 - Eventuais secundários.

H2S2	Ácido Lipóico	H2S / [O]
NH2COOH / [H] (NH2COSH / [H]) Nucleófilo de Nitrogênio	Piridoxamina	NH2COOH / [H]
CN- Nucleófilo de Carbono	Tiamina	Cianeto ou derivados do ácido fórmico (Um-carbono)

As coenzimas representam um primeiro degrau no sentido da incorporação do metabolismo nu primordial em unidades portadoras de atividade catalítica. A probabilidade de que esta transição tenha ocorrido principalmente durante o "mundo do ARN", onde as funções metabólicas eram realizadas por ribozimas, é documentada pelo fato de que a maioria destas coenzimas é estruturalmente relacionada com os nucleosídeos que contêm ribose. Os tópicos com asterisco (*) exigem um tratamento mais profundo, só encontrado no livro.

A propagação quiral (polimerização enantioseletiva) garantiria a síntese de polipeptídeos homoquirais devido à formação de centros proquirais nos derivados hipercarbônicos dos materiais peptídicos.

PROPAGAÇÃO QUIRAL NO MEIO HIPERCARBÔNICO.

Propagação quiral - Origem da homoquiralidade biológica

O mecanismo de propagação quiral aqui apresentado para aminoácidos racêmicos é uma versão minimamente desnudada das formas de equilíbrio possíveis no meio hipercarbônico. Em conformidade, a N-carboxilação e a protonação da carboxila da cadeia principal são essenciais, mas as verdadeiras espécies reativas podem demandar a adição de CO2 ou H2S ao material peptídico, com a utilização dos aminodiácidos ou tioácidos correspondentes. Excetuando o fato de que os organismos modernos utilizam aminoácidos opticamente ativos, o mecanismo é em todos os aspectos completamente congruente com a bioquímica atual.
No meio hipercarbônico, os aminoácidos estão destituídos de características zwitteriônicas. O ataque nucleofílico do grupo amino carboxilado sobre a carboxila protonada procede facilmente, gerando um aduto que contém um carbânion estabilizado por ressonância. A recombinação assimétrica com o próton é orientada pelo aminoácido adicionado no ciclo anterior. Como a iniciação pode ser feita por acilação com um ácido carboxílico aquiral, o primeiro aminoácido da cadeia poderá ser qualquer um dos dois enantiômeros, mas determinará a orientação quiral de todos os subseqüentes, produzindo polipeptídeos homoquirais.
Outro aspecto importante é que a acilação do grupamento amino do fragmento de aminoácido provoca a elevação do pka do grupamento carboxila aumentando a probabilidade de que esteja protonado e favorecendo assim o alongamento de cadeias já em formação em detrimento do ataque a monômeros.
A teoria mecanística da origem da quiralidade no mundo biológico é parte integrante do modelo da ecopoese.

As características organismais de vida só serão adquiridas gradualmente, e o advento das células é bastante tardio neste modelo.

EVOLUÇÃO DA ORGANISMALIDADE: OS HÁBITOS PROTOBIOLÓGICOS.

MATERIAIS PROTOBIOLÓGICOS E O HÁBITO FLOCULAR

Hábito flocular - Origem das células

A agregação inicial de material orgânico (chamada "hábito flocular"), contrariando a tendência entrópica, é atribuída a uma combinação de fatores. A baixa atividade de água (Aw)

A agregação inicial de material orgânico (chamada "hábito flocular"), contrariando a tendência entrópica, é atribuída a uma combinação de fatores:

1) A baixa atividade de água (Aw) do meio hipercarbônico.

2) A coalescência dos compostos hidrofóbicos (minimizando a energia devida à separação de cargas no meio altamente polar).

3) A cinética de formação de tioácidos e a sua extração parcial para a fase lipídica.

4) A estabilização da micela hidrofóbica pela formação de compostos anfifílicos em sua superfície.

5) A fácil formação de ligações peptídicas devida à destruição do caráter zwitteriônico dos aminoácidos pela N-carboxilação.

6) A adesão da fração peptídica aos compostos anfifílicos superficiais da micela devida à afinidade de cargas, com a provável participação de cátions polivalentes.

7) A adsorção de compostos orgânicos de baixo peso molecular à fração peptídica.

Todas estas propriedades contribuiriam conjuntamente na estabilização de agregados coloidais numa solução diluída. Coadunam-se inclusive com a visão da Terra primitiva como um "mundo de águas", destituído de superfícies de evaporação significativas.
A solubilidade preferencial de oxigênio na fase lipídica favorece os processos de oxidação próximos à superfície da micela. Um processo bastante simples, a fosforilação homogênea - análogo à fosforilação a nível do substrato, demandando a oxidação do sulfeto de hidrogênio a dissulfeto de hidrogênio (análogos do ácido lipóico), causaria a oxidação de a-cetoácidos a tioácidos, permitindo a síntese de compostos de 'alta-energia'. Aminoácidos contendo enxofre (grupamentos SH) na fração peptídica poderiam ligar-se ao ferro divalente de origem litosférica. Estes agregados ferro-enxofre primitivos, ancestrais das modernas ferredoxinas, são os responsáveis pela concentração do poder redutor, concentrando os potenciais redox nos agregados coloidais primitivos, que teriam assim tanto polos redutores como oxidantes.

Agregados protobiológicos

Uma interação inicialmente frouxa e genérica entre os polipeptídeos e os polímeros fosfodiéster (PFDE - ou RNA primitivo) aumentaria em especificidade dando origem à tradução, e ao controle estrutural e funcional que caracteriza o "hábito reticular".

O HÁBITO RETICULAR.

Hábito reticular - Origem das células

Embora a fosforilação heterogênea ("respiração") exija barreiras físicas, como membranas, seu desenvolvimento poderia ter ocorrido antes do advento do "hábito celular", pois os prótons que resultam da oxidação de transportadores de elétrons lipossolúveis seriam segregados em vacúolos protônicos (ou ácidos), criando assim um potencial entre este vacúolo e o compartimento externo (ou metabólico), o que permitiria o desenvolvimento de um método mais eficiente para a síntese de compostos de alta-energia.

CELULARIDADE E RESPIRAÇÃO CELULAR.

Fluxo de energia através dos agregados protobiológicos

No modelo da Ecopoese a celularidade não surge como um método para proteger os compostos orgânicos da diluição, mas para promover sua oxidação e tirar proveito da mesma. Esta proposição de uma aurora aeróbica para a celularidade é fundamentada nas propriedades funcionais energéticas das células, mais do que em sua aparência física.

HÁBITOS CELULARES.

Hábito celular - Origem da vida

O fechamento gradual do recesso metabólico conduziria ao hábito celular (onde o vacúolo protônico não é mais necessário).

O LIVRO.

Clique aqui para baixar ECOPOESE - A criação da ecosfera, 2ª Ed., 2006; - PDF Grátis (1,7 Mb, 345 páginas).

Ou deixe uma mensagem para comprar a versão impressa.

Este documento é protegido por direito autoral. Entretanto, quaisquer partes da obra podem ser livremente reproduzidas ou traduzidas para propósitos não-comerciais, desde que a fonte seja claramente referenciada.

Este livro deve ser referenciado do seguinte modo:
Félix de Sousa, Raul A., (2006). Ecopoese - A criação da ecosfera, 2ª Ed., Rio de Janeiro.

UM ARTIGO.

Uma versão condensada viXra em inglês pode ser baixada aqui ( PDF Gratuito 526 kb, 39 páginas ).

Para referenciá-la:

Félix de Sousa, Raul A. (2010). The Ecopoesis Model: Did Free Oxygen Fuel the Origin of Life? viXra: 1010.0001