Química primordial: Onde nascem as primeiras moléculas orgânicas?

O que é uma molécula orgânica?

Uma molécula orgânica é uma molécula que contém pelo menos um átomo de carbono ligado a outros átomos (geralmente hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre ou fósforo) por um ou mais pares de elétrons. Essas moléculas são a base da química da vida, mas também podem ser sintetizadas ou presentes em ambientes não biológicos (como discos protoplanetários, nuvens moleculares interestelares ou cometas).

Exemplos de moléculas orgânicas:

• Metano (CH₄)
• Etanol (CH₃CH₂OH)
• Glicose (C₆H₁₂O₆)
• Metanol (CH₃OH)

As zonas do disco onde a química começa

Os discos protoplanetários, remanescentes turbulentos de gás e poeira que rodeiam estrelas jovens, são o berço dos sistemas planetários. Também é nessas estruturas que as primeiras moléculas orgânicas — precursoras dos blocos de construção da vida — surgem. Seu aparecimento depende fortemente das condições termodinâmicas e radiativas locais, como temperatura, densidade e exposição à radiação ultravioleta e cósmica.

A química em um disco protoplanetário está longe de ser uniforme. Três zonas principais definem os regimes de formação de moléculas orgânicas:

• Zona interna quente (r < 3 UA): a temperatura aqui excede 300 K, impedindo a condensação da maioria dos compostos voláteis. No entanto, é um ambiente rico em radicais livres que favorece reações rápidas na fase gasosa, produzindo, por exemplo, formaldeído (H₂CO) ou cianeto de hidrogênio (HCN).
• Zona média de transição (~3 a 30 UA): frequentemente chamada de "linha de neve", é aqui que as temperaturas caem abaixo de 150 K, permitindo a condensação de moléculas como H₂O, CO₂, NH₃ ou CH₄ em grãos de silicato. Esses grãos gelados, expostos aos raios UV, desencadeiam uma fotoquímica de superfície rica que leva a compostos mais complexos.
• Zona externa fria (além de 30 UA): nesta região, pouco perturbada pela radiação estelar, a temperatura cai abaixo de 50 K. A química aqui ocorre principalmente nas superfícies de grãos gelados, através de processos lentos como a química de recombinação ou a hidrogenação sucessiva de CO para CH₃OH (metanol).

Papel dos grãos de poeira

Os grãos de poeira desempenham um papel crucial: são matrizes sólidas onde as moléculas "grudam" e reagem. A porosidade dos grãos, sua temperatura local e a natureza do manto gelado influenciam fortemente as reações químicas. Os grãos de poeira são catalisadores de complexidade. A partir de espécies simples como CO, NH₃ e H₂O, observamos a síntese de moléculas orgânicas complexas como aminoácidos ou bases nitrogenadas, através de processos de química de superfície, muitas vezes ativados por radiação UV ou partículas energéticas.

Exemplos de aminoácidos:

• Glicina C₂H₅NO₂
• Alanina C₃H₇NO₂
• Serina C₃H₇NO₃
• Leucina C₆H₁₃NO₂
• Glutamato C₅H₉NO₄

Vários aminoácidos simples — assim como seus precursores químicos — podem ser formados ou montados em certas zonas do disco protoplanetário, sob condições físico-químicas específicas, embora a formação completa de aminoácidos complexos ainda seja objeto de discussão.

O número total de aminoácidos detectados em amostras extraterrestres (meteoritos, cometas, experimentos em ambientes simulados) excede 90, mas com graus variáveis de certeza dependendo do método de detecção, contaminação terrestre e contexto de análise.

São 20 aminoácidos padrão que compõem as proteínas em organismos terrestres.

Observação e detecção: ALMA e os vestígios de vida

Graças ao observatório ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), os astrônomos detectam diretamente as assinaturas espectrais dessas moléculas nos discos de estrelas jovens como TW Hydrae ou IRS 48. As linhas de emissão de metanol, formaldeído ou mesmo etanol testemunham uma química já rica muito antes da formação de planetas. Isso sugere que a matéria orgânica que encontramos em cometas ou meteoritos, portadora de assinaturas pré-bióticas, vem diretamente desses ambientes primordiais.

Origem da vida: sementes semeadas antes do nascimento dos planetas

Assim, a química primordial em discos protoplanetários cria um reservatório molecular já complexo antes mesmo que os planetas se aglomerem. Esses compostos orgânicos, preservados em planetesimais e cometas, são então entregues aos planetas jovens, fornecendo um substrato potencial para o surgimento da vida.