Anjos & insetos. III. A síntese abiótica de moléculas orgânicas, por Felipe A. P. L. Costa

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Anjos & insetos. III. A síntese abiótica de moléculas orgânicas

Por Felipe A. P. L. Costa [1]

A descoberta de que aminoácidos e outras moléculas orgânicas complexas podem ser sintetizados espontaneamente, mesmo na ausência de seres vivos, inaugurou uma nova era no estudo experimental da origem da vida.

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O mais novo dos dois filhos do casal Nathan e Edith Miller – ele um juiz, ela uma professora –, Stanley Lloyd Miller nasceu em Oakland, na Califórnia, em 7/3/1930.

O interesse pela vida ao ar livre começou na infância, levando-o a se tornar um escoteiro. Gostava de acampar, sobretudo porque a experiência lhe permitia ficar em contato direto com a natureza, longe dos problemas e das amolações do dia a dia. Na década de 1960, já como professor universitário, voltaria a acampar na cordilheira de Sierra Nevada (Bada & Lazcano 2012). Iniciou os estudos universitários na Universidade da Califórnia (Berkeley) e, seguindo os passos do irmão mais velho (Donald), graduou-se em química (1951). Foi em seguida para a Universidade de Chicago, onde fez uma pós-graduação (1954). Por sugestão do primeiro orientador, o físico estadunidense de origem húngara Edward Teller (1908-2003), o ‘pai da bomba de hidrogênio’, o tema inicial de sua pesquisa era a nucleossíntese. Em 1952, no entanto, Teller anunciou que estava deixando a universidade, indo trabalhar no que viria a ser o Laboratório Nacional Lawrence Livermore, um centro de pesquisas nucleares, em Livermore (Califórnia).

Recomeçando do zero

Embora Teller tenha se colocado à disposição para continuar acompanhando a sua pesquisa, Miller foi aconselhado a procurar outro orientador. Assim, após quase um ano de trabalho, e tendo avançado relativamente pouco, ele se viu às voltas com a necessidade de recomeçar tudo praticamente do zero [2].

Foi quando Miller voltou a pensar no trabalho de Harold C. Urey (1893-1981), químico estadunidense agraciado com o Nobel de Química (1934) por suas pesquisas com isótopos. No ano anterior, assistindo a uma palestra de Urey, Miller ficou intrigado com o que ouviu a respeito da atmosfera primitiva. Eis o que o laureado palestrante escreveu sobre a origem da vida (Urey 1952, p. 355; tradução livre):

Em nossa presente discussão, o problema da origem da vida envolve três questões distintas: (1) a formação espontânea dos compostos químicos que formam os corpos físicos dos organismos vivos; (2) a evolução de reações químicas complexas que são a base dinâmica da vida; e (3) a fonte de energia livre que, sozinha, pode manter as reações químicas e sintetizar os compostos químicos.

Quando chegou a Chicago, Miller pretendia desenvolver uma pesquisa exclusivamente teórica. Agora, porém, ele estava decidido a testar as ideias de Urey, fazendo disso o tema de sua tese. Em setembro de 1952, Miller apresentou suas pretensões ao novo orientador. Urey, a princípio, relutou, pois temia que o seu aluno, tendo um prazo relativamente curto pela frente, não conseguisse obter resultados expressivos. Miller insistiu e os dois, por fim, estabeleceram um acordo: ele faria uma tentativa; caso não obtivesse resultados promissores em alguns meses, procuraria então um tema mais ‘seguro’ para a tese.

Montando um experimento

O primeiro desafio do experimento – comumente referido como experimento de Miller-Urey, embora a autoria do artigo original seja apenas de Miller – foi construir um microcosmo que de algum modo pudesse simular as condições da Terra pré-biótica. O aparato que foi usado era relativamente simples, sendo constituído de duas esferas de vidro (uma menor, capaz de armazenar ~0,5 L de água, e a outra maior, com capacidade para 5 L) conectadas entre si por um sistema de tubos.

A esfera menor, que fazia o papel dos oceanos, continha água, mantida em ebulição por uma fonte de calor (‘o Sol’). O vapor d’água produzido era conduzido por um tubo ascendente até a esfera maior, que continha gases (metano, amônia, hidrogênio) e fazia o papel de atmosfera. A esfera maior estava equipada com um par de eletrodos, os quais periodicamente liberavam descargas elétricas, como se fossem os relâmpagos da atmosfera primitiva. O vapor d’água – e os produtos das reações eventualmente ocorridas no interior da esfera maior – fluía então por um tubo descendente, condensava-se e, por fim, retornava à esfera menor – mimetizando assim o papel das chuvas e dos cursos d’água no transporte dos compostos desde a atmosfera até os oceanos.

Algumas características do experimento eram claramente simplificações pouco realistas. Manter a água da esfera menor em ebulição foi uma delas. Outra foi manter a concentração de gases bem acima dos níveis estimados para a atmosfera primitiva. Por que Miller e Urey admitiram tais simplificações? Em linhas gerais, para ganhar tempo. Manter o ‘oceano’ em ebulição e aumentar a concentração de gases na ‘atmosfera’ acelerariam as reações, facilitando a obtenção de algum tipo de resultado em uma escala de tempo acessível – dias ou semanas, e não na escala natural de centenas, milhares ou mesmo milhões de anos!

Após submetê-lo a ensaios preliminares, o aparato enfim foi posto para funcionar. Transcorrida uma semana, Miller notou que um líquido amarronzado, de aspecto oleoso, havia se acumulado na esfera menor. Para surpresa geral [3], as primeiras análises indicavam a presença de substâncias orgânicas relativamente complexas, como alanina e glicina, dois aminoácidos proteicos. Análises posteriores confirmaram boa parte dos resultados iniciais, além de revelar a presença de compostos adicionais.

Química pré-biótica

O trabalho de Miller foi um verdadeiro divisor de água. Afinal, o líquido obtido por ele não era tão somente uma mistura aleatória de compostos simples – e milhares deles poderiam ter sido formados. O fato de que foram encontrados aminoácidos – e outras moléculas orgânicas – em quantidades apreciáveis está de acordo com a hipótese de que tais compostos poderiam ter sido sintetizados nas condições habitualmente descritas da atmosfera pré-biótica. Além disso, levanta a suspeita de que tais compostos eram relativamente abundantes.

Nas palavras de Garrison (2010, p. 12; grafia original):

Houve geração de vida nesses experimentos? Não, os compostos que se formaram são apenas blocos construtores da vida. Mas os experimentos realmente mostram algo sobre as características e a uniformidade da vida na Terra. O fato de esses compostos cruciais poderem ser sintetizados com tanta facilidade e estarem presentes em todas as formas de vida não é coincidência. Eles são ‘permitidos’ pelas leis da física e pela composição química do planeta. Os experimentos também enfatizam o papel especial da água nos processos da vida. O fato de qualquer forma de vida, da água-viva a uma erva no deserto, depender de água salgada em suas células para dissolver e transportar substâncias químicas é certamente significativo, o que sugere que as moléculas vivas simples e [autorreplicantes] surgiram em algum lugar no oceano. Também sugere que toda a vida na Terra possui ancestralidade e origem comum.

Os resultados foram divulgados em um artigo de duas páginas na revista Science (Miller 1953). O artigo, curiosamente, era assinado apenas por Miller, embora este tenha inicialmente pretendido incluir o nome do orientador [4]. Assumindo uma postura estranha aos padrões atuais de conduta, Urey declinou da oferta, pois, nesse caso, segundo ele, Miller receberia pouco ou nenhum crédito pelo trabalho.

O sucesso do experimento despertou a imaginação e estimulou o trabalho de outros pesquisadores, a ponto de ser referido hoje como um marco no estudo experimental das origens da vida. Dois anos depois, pesquisadores ingleses reportaram a primeira repetição do experimento, obtendo resultados semelhantes. Nos anos seguintes, diversos laboratórios mundo afora fariam a mesma coisa. Em linhas gerais, os resultados mostram que, dada uma ‘atmosfera’ redutora, sujeita a descargas elétricas, várias substâncias orgânicas (e.g., aminoácidos, açúcares e bases nitrogenadas) são sintetizadas. Mesmo diante de críticas importantes (e.g., a atmosfera pré-biótica seria oxidante, e não redutora), a principal conclusão de Miller continua de pé: moléculas orgânicas complexas podem ser obtidas, mesmo sob circunstâncias inteiramente abióticas.

Coda

Em 1954, após concluir o doutorado, Miller foi trabalhar no Instituto de Tecnologia da Califórnia. No ano seguinte, foi para a Universidade de Columbia (Nova York), onde ficou até 1960. Foi então para a Universidade da Califórnia, em San Diego, onde permaneceria até o fim da vida. Ao longo de sua carreira, ele sempre esteve envolvido com a chamada química pré-biótica, voltando-se também para o estudo da síntese de nucleotídeos e ácidos nucleicos.

Em novembro de 1999, Stanley Miller sofreu um primeiro derrame cerebral. Continuou trabalhando por mais algum tempo, mas ficou debilitado e logo se aposentou. Mudou-se então para uma casa de repouso, em National City, cidadezinha próxima a San Diego. Nos anos seguintes, sofreu uma sucessão de derrames, vindo a falecer em 20/5/2007, aos 77 anos, em decorrência de problemas cardíacos. Não era casado nem teve filhos.

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Notas

[1] O título deste artigo – os dois anteriores estão aqui e aqui – faz alusão ao filme ‘Angels & insects’ (1995), de Phillip Haas, adaptado do romande ‘Morpho eugenia’ (1992), da escritora inglesa A. S. Byatt (assinatura literária de Antonia Susan Duffy [nascida em 1936]).

[2] Em certo sentido, a mudança foi oportuna, pois logo depois surgiriam dois artigos (Hoyle et al. 1956; Burbidge et al. 1957), agora clássicos, dando um novo rumo ao estudo da origem dos elementos químicos. Segundo Hoyle e colegas, à medida que envelhecem, as estrelas queimam seu estoque de combustível (H e He). Quando o estoque está perto do fim, a temperatura externa sobe, enquanto a força gravitacional interna fica mais intensa. Dependendo do tamanho da estrela, isso pode resultar em fases alternadas de contração e expansão. Durante a fase de contração, a pressão e a temperatura no núcleo da estrela atingem valores elevadíssimos, o suficiente para que átomos pesados sejam formados pela fusão de átomos mais leves. As estrelas funcionariam assim como fornos cósmicos, no interior dos quais os núcleos se fundiriam, gerando átomos mais pesados – ver Wallerstein et al. (1997); em português, ver Singh (2006).

[3] Até mesmo os seus colegas de laboratório duvidaram dos resultados (Bada & Lazcano 2012).

[4] Sobre os bastidores da publicação do artigo, ver Bada & Lazcano (2012). Ainda em 1953, não custa lembrar, o físico inglês Francis Crick (1916-2004) e o biólogo estadunidense James Watson (nascido em 1928) propuseram o famoso modelo em dupla hélice para a estrutura do ADN.

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Referências citadas

Bada, JL & Lazcano, A. 2012. Stanley L. Miller 1930-2007: A biographical memoir. Washington, NAS.

Burbidge, EM & mais 3. 1957. Synthesis of the elements in stars. Reviews of Modern Physics 29: 547-650.

Garrison, T. 2010 [2006]. Fundamentos de oceanografia, 4ª ed. SP, Cengage.

Hoyle, F & mais 3. 1956. Origin of the elements in stars. Science 124: 611-4.

Miller, S. 1953. A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 117: 528-9.

Singh, S. 2006. Big Bang. RJ, Record.

Urey, HC. 1952. On the early chemical history of the earth and the origin of life. PNAS 38: 351-63.

Wallerstein, G & mais 14. 1997. Synthesis of the elements in stars: forty years of progress. Reviews of Modern Physics 69: 995-1084.

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[Nota adicional: versão resumida e adaptada de capítulo do livro O evolucionista voador & outros inventores da biologia moderna (2017); para informações adicionais a respeito da obra, inclusive sobre o modo de aquisição por via postal, ver aqui; para conhecer outros artigos e livros do autor, ver aqui.]