A história começa há 13,8 bilhões de anos com o "Big Bang", quando o universo em expansão permitiu a formação das primeiras partículas elementares. Quarks e glúons, confinados pela força nuclear forte, deram origem a prótons e nêutrons em questão de microssegundos.
George Gamow (1904-1968) e seus colegas demonstraram na década de 1940 que a nucleossíntese primordial (nos primeiros 3 minutos) produziu núcleos leves: \(^{1}H\), \(^{2}H\), \(^{3}He\) e \(^{4}He\). Átomos mais pesados como o carbono (\(^{12}C\)), essencial à vida, só se formariam muito mais tarde nas estrelas, como demonstrou Fred Hoyle (1915-2001) com seu famoso processo triplo-alfa.
N.B.:
O processo triplo-alfa (descoberto por Fred Hoyle em 1954) é a reação estelar que produz carbono-12: \( 3 \times ^{4}He \rightarrow ^{12}C + 7,27 \text{ MeV} \). Ele requer um estado ressonante do carbono (estado de Hoyle a 7,65 MeV) e ocorre em estrelas gigantes vermelhas (T > 108 K).
Em uma Terra primitiva há 4,5 bilhões de anos, as condições eram radicalmente diferentes: atmosfera redutora (CH4, NH3, H2O, H2), temperaturas elevadas e energia abundante (tempestades, radiação UV, atividade vulcânica).
O experimento histórico de Stanley Miller (1930-2007) e Harold Urey (1893-1981) em 1953 mostrou que essas condições podiam produzir aminoácidos a partir de compostos inorgânicos. Trabalhos mais recentes, como os de John Sutherland (1962-), revelaram em 2015 vias plausíveis para a síntese de nucleotídeos, os blocos de construção do RNA.
Período | Evento | Temperatura (K) | Complexidade alcançada | Evidências/Experimentos |
---|---|---|---|---|
10-12 s | Formação dos quarks | >1016 | Partículas elementares | Modelo Padrão, LHC |
3 minutos | Nucleossíntese primordial | 109 | Núcleos leves (H, He) | Abundância cósmica observada |
200 milhões de anos | Formação das primeiras estrelas | 104-107 | Átomos pesados (C, O, N) | Espectroscopia estelar |
4,5 Ga | Acreção da Terra | 2000-3000 | Planeta diferenciado | Datação isotópica |
4,4 Ga | Oceanos primitivos | 373-500 | Meio aquoso | Zircões detríticos |
4,1-3,8 Ga | Síntese pré-biótica | 273-400 | Moléculas orgânicas | Experimento Miller-Urey, meteoritos Murchison |
3,7-3,5 Ga | Primeiras células | 273-350 | Estruturas autocatalíticas | Estromatólitos, isótopos de carbono |
Fontes: Martin et al. (2016), Sutherland (2015),
A hipótese do "mundo do RNA" proposta independentemente por Walter Gilbert (1932-), Carl Woese (1928-2012) e Leslie Orgel (1927-2007) na década de 1980 sugere que o RNA foi a primeira molécula capaz de armazenar informação genética e catalisar reações químicas (ribozimas).
A hipótese do "mundo do RNA" propõe que nas origens da vida, o ácido ribonucleico (RNA) foi tanto o suporte da informação genética quanto uma ferramenta química capaz de acelerar reações. Ao contrário do DNA, mais estável mas "passivo", e das proteínas, muito eficientes mas incapazes de armazenar informação, o RNA poderia ter cumprido ambos os papéis, facilitando assim a emergência dos primeiros sistemas vivos.
A formação espontânea de cadeias de RNA em um ambiente primitivo não era simples: as ligações entre seus blocos básicos (os nucleotídeos) se quebram facilmente na água. Superfícies minerais ou certos íons (como o magnésio) podem ter atuado como "catalisadores", ajudando esses blocos a se montarem. Variações de temperatura ou ciclos de umidade também podem ter favorecido essas reações.
O RNA não é apenas uma fita de dados: ele também pode se dobrar e formar estruturas que aceleram reações químicas, chamadas ribozimas. Essas pequenas "ferramentas" feitas de RNA mostram que uma única molécula poderia tanto conter informação quanto agir para reproduzi-la.
Copiar fielmente uma fita de RNA é essencial para manter uma mensagem. Quanto mais longa a fita, maior o risco de erro. Os primeiros genomas, portanto, deviam permanecer curtos ou organizados em pequenos fragmentos cooperativos em vez de uma longa cadeia frágil.
O RNA adota várias formas: hélices, loops, nós... Essas formas determinam suas capacidades: dependendo de como se dobra, o RNA pode servir como modelo para se copiar ou agir como catalisador. A temperatura, a água ou a concentração de sais influenciam esse dobramento.
Os pesquisadores imaginam que a Terra primitiva oferecia ambientes variados: argilas, fontes termais, bordas de lagos sujeitas a ciclos de evaporação. Esses lugares poderiam concentrar moléculas, estimular sua montagem e favorecer o aparecimento de pequenos sistemas capazes de se automanter.
Em vez de um único grande "ancestral", a vida pode ter começado como uma rede de fragmentos de RNA que se ajudavam mutuamente a copiar e catalisar reações. Esses conjuntos cooperativos podem ter superado a fragilidade das moléculas isoladas.
Ainda há desafios: produzir eficientemente os blocos de construção do RNA em condições pré-bióticas, mostrar que o RNA pode realmente se copiar sem ajuda e entender como o DNA e as proteínas assumiram o controle mais tarde. No entanto, a hipótese do "primeiro genoma" permanece uma pista fascinante para explicar como a química pode ter se transformado em biologia.
A transição de um mundo de RNA para a nossa bioquímica atual baseada em DNA-proteínas permanece um dos grandes mistérios. Eugene Koonin (1956-) e seus colegas propuseram em 2017 que essa transição ocorreu por meio de vírus primitivos capazes de transferir genes entre protocélulas.
As primeiras células (LUCA - Last Universal Common Ancestor) provavelmente datam de 3,8 a 3,5 bilhões de anos atrás. Seu metabolismo provavelmente se baseava em:
As análises filogenéticas de William Martin (1957-) sugerem que LUCA vivia em ambientes hidrotermais alcalinos (pH 9-11, 50-90°C), semelhantes às fontes perdidas (Lost City) descobertas em 2000 no Atlântico.
Várias questões importantes permanecem em aberto:
Esta compreensão do surgimento da vida tem implicações profundas: