Origem da Vida: Corrigindo Erros Comuns Sobre Termodinâmica

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Livraria Pública de San José após terremoto / ©

Por Brian Miller (adaptado)

Vincent Torley é um filósofo que contribui com posts para o The Skeptical Zone. No ano passado, ele escreveu um artigo criticando meus textos sobre a origem da vida em que ele apresentou vários contra-argumentos baseados em uma variedade de artigos populares e acadêmicos. Ele errou em sua descrição da termodinâmica e do estado da literatura, mas seus erros eram completamente compreensíveis. Ele não estudou extensivamente a termodinâmica do não-equilíbrio, e as idéias podem ser bastante sutis. Além disso, ele levou em conta as alegações de origens “instantâneas” das coisas, que exageram muito nos resultados. E ele tentou discutir conceitos como complexidade, que muitas vezes são mal definidos e não são usados ​​consistentemente, mesmo em artigos técnicos. No entanto, ele montou uma amostragem bastante completa de erros comuns relacionados à conversa de origens, então seus esforços foram de grande valor. Hoje, vou corrigir os erros relacionados à termodinâmica.

O principal problema termodinâmico para a origem da vida é que a natureza sempre tende a se mover em direção a estados de entropia superior ou estados de menor energia ou ainda ambos. Mais especificamente, a entropia e energia (ou entalpia à pressão constante) são comumente combinadas na medida da energia livre, e todos os processos espontâneos sem ajuda externa se movem em direção a energia livre mais baixa. Como analogia, imagine uma biblioteca com uma parte dos livros nas prateleiras de livros e muitos no chão. As prateleiras superiores correspondem a estados de energia mais elevados. Imagine também que uma pequena porcentagem dos livros foi organizada de acordo com o sistema de Classificação da Biblioteca do Congresso (CBC), mas a maioria é distribuída aleatoriamente. Livros mais dispostos aleatoriamente correspondem a entropia mais alta. Qualquer estado de vida corresponderia então à maioria dos livros nas prateleiras superiores (alta energia) com uma grande porcentagem organizada na ordem CBC (baixa entropia).

As tendências da natureza na Terra primitiva teriam sido análogas aos tremores sísmicos que reorganizariam os livros da biblioteca. Durante os tremores, alguns dos livros no chão pulariam para as prateleiras, e alguns dos livros nas prateleiras pulariam para outras prateleiras ou para o chão. A tendência natural ao longo do tempo seria que os livros nas prateleiras mais altas caíssem nas prateleiras mais baixas, e o maior número acabaria por ficar no chão. Além disso, os livros que foram, até certo ponto, sequenciados em uma ordem específica tenderiam a se misturar aleatoriamente. Os livros nunca terminariam altamente ordenados na prateleira de cima. Da mesma forma, qualquer arranjo de substâncias químicas em quase qualquer estágio de combinação na primeira célula se afastaria desse alvo e em direção a moléculas aleatoriamente simples. Adicionar mais energia não ajudaria, já que qualquer fonte natural de energia agiria como um terremoto mais intenso impactando a biblioteca. O sistema se moveria na direção oposta da vida ainda mais rápido.

Como uma digressão técnica, a analogia dos livros da biblioteca funciona melhor para aqueles que estão confortáveis ​​com o formalismo da entropia configuracional. No entanto, o princípio ainda é válido mesmo para aqueles que desejam pensar apenas em termos de entropia termodinâmica tradicional. O limiar inferior é que a vida tem maior energia e menor entropia, por qualquer definição, do que as moléculas de que ela surgiu. Portanto, a natureza sempre resistiria à sua formação espontânea. O fato de que os blocos de construção devem ser organizados em uma ordem altamente específica poderia simplesmente ser adicionado à entropia como uma parte configuracional. Alternativamente, a probabilidade de eles se unirem adequadamente poderia ser pensada como um desafio probabilístico separado, além do desafio da entropia. De qualquer maneira, a barreira de entropia/configuração é insuperável.

Em relação à energia, uma crença comum é que a adição de energia vicia fortemente as moléculas em direção a estados de energia mais elevados. Esta suposição é completamente errada. Os sistemas tendem a se configurar em estados com uma probabilidade que cai exponencialmente com o aumento de energia, como ilustrado de forma grosseira na analogia dos livros. Em outras palavras, estados de energia mais baixos são sempre mais prováveis ​​do que estados de energia mais alta, a menos que os estados de energia mais altos sejam consideravelmente mais numerosos. Em equilíbrio, qualquer sistema se moveria em direção à distribuição de Boltzmann. Se energia fosse adicionada, o efeito líquido seria elevar a temperatura, o que faria com que a distribuição de estados de energia mais alta caísse mais lentamente. Em outras palavras, a adição de energia não faz com que uma grande porcentagem dos estados de energia mais baixa salte para uma energia significativamente maior. Os estados de energia mais baixos ainda dominam, apenas menos do que antes.

Além disso, adicionar energia sempre faz com que a entropia aumente. Como exemplo, imagine algum ambiente que contenha muitos aminoácidos individuais e algumas cadeias de aminoácidos de comprimento variável. Um desafio é que os aminoácidos se combinem com as cadeias formadas para prolongá-las, já que a reação é termodinamicamente desfavorável. A adição de energia aumentaria a taxa na qual os aminoácidos se combinam em cadeias mais longas, uma vez que teriam, em média, mais energia cinética para superar as barreiras de reação. No entanto, a energia adicional faria com que as correntes existentes se quebrassem, uma vez que a quebra de uma ligação peptídica teria que superar a barreira de energia de ativação que é menor. Da mesma forma, a desidratação de uma lagoa poderia ajudar os aminoácidos a se combinarem em cadeias, mas o processo provavelmente destruiria as cadeias existentes. O efeito líquido seria sempre se afastar de um grande número de cadeias mais longas, que seriam essenciais para a vida.

A única solução é que algum mecanismo processe uma fonte de energia e, em seguida, redirecione essa energia para executar um trabalho útil. Além disso, informações seriam necessárias para que o trabalho pudesse ser direcionado adequadamente para montar e operar a célula. Na vida, o processamento de energia requer estruturas celulares acopladas a ciclos químicos que usam a luz solar ou a quebra de combustível (por exemplo, glicose) para produzir moléculas de alta energia, como o ATP. E a informação é incorporada nas sequências altamente específicas de cadeias de aminoácidos em proteínas. O sequenciamento faz com que as cadeias se dobrem nas estruturas corretas (enzimas) que conduzem as reações necessárias para construir os componentes celulares corretos e manter o metabolismo. As enzimas também ligam a quebra das moléculas de alta energia para reações e outros processos que se movem energeticamente para cima, então a mudança líquida na energia livre é negativa. A energia da reação anterior é usada para dirigir as subidas, superando assim a barreira de energia livre.

Torley escreve que o trabalho de Jeremy England superou todos esses desafios, demonstrando que processos naturais podem mover um sistema em direção a uma energia livre mais alta. Esta afirmação representa um completo equívoco de sua pesquisa. As simulações de England estudam como a energia poderia ser absorvida de alguma fonte e então liberada (dissipada) no meio ambiente. Seus modelos pressupõem que a energia está prontamente disponível e pode ser acessada diretamente para gerar reações específicas de interesse. Em outras palavras, se seus modelos se relacionassem com a origem da vida, ele teria assumido que o problema central de processar e redirecionar uma fonte de energia disponível já teria sido resolvido.

No entanto, em nenhum de suas publicações técnicas ele relaciona diretamente qualquer de seus trabalhos à pesquisa concreta sobre a origem da vida. Ele simplesmente afirma que seus modelos podem oferecer analogias possíveis e identifica a dissipação mínima de calor na auto-replicação. Notícias de nível popular fizeram forte conexão com a origem da vida, mas sem qualquer justificativa. Pelo contrário, o trabalho de England é baseado em teoremas de flutuação que demonstram que sistemas dirigidos a partir do equilíbrio tendem para estados de maior entropia e maior dissipação de energia – a direção oposta do que é necessário para a primeira célula. Para uma perspectiva sobre o problema: combinar moléculas básicas em uma bactéria requer que a energia seja absorvida (oposto a ser dissipada) do ambiente em uma quantidade de aproximadamente 0,27 ev/átomo. Este valor, se dimensionado, seria paralelo a uma banheira de água à temperatura ambiente absorvendo calor suficiente do ambiente para começar a ferver. Uma impossibilidade clara.

Torley também faz referência a um artigo de David Ruelle que tenta explicar como os desafios da energia livre para a origem da vida podem ser superados com base na mecânica estatística. O artigo é bastante técnico e abstrato, portanto os argumentos subjacentes não são facilmente acessíveis. Além disso, Ruelle faz referência principalmente a outras pesquisas altamente teóricas, e ele não faz nenhuma tentativa de fundamentar seus argumentos na realidade física. No entanto, o ponto chave é bastante simples. Ele primeiro reconhece plenamente que os processos físicos tendem para uma energia livre mais baixa. Ele então descreve como um conjunto de reações estáveis ​​poderia formar energia livre, “nutrientes” externos que atuariam como combustível. Em outras palavras, Ruelle pressupõe a existência de um motor que pode processar combustível e mecanismos que redirecionam a energia para reações químicas específicas.

Todos os outros trabalhos que propõem soluções para os desafios termodinâmicos usam a mesma abordagem. Eles ignoram quase todos os desafios práticos e desassociam completamente seus trabalhos de experimentos realistas. E eles assumem a existência de uma fonte ilimitada de energia, um eficiente conversor de energia (motor) e informações. No entanto, o conversor e as informações necessárias já devem existir antes que o conversor possa ser criado. A única explicação para o súbito aparecimento de tal mecanismo molecular e informação é a inteligência.


Original: Brian Miller. The Origin of Life: Correcting Common Mistakes on Thermodynamics. December 13, 2017.


Junior Eskelsen
Sobre Junior Eskelsen 218 Articles
Responsável pelo portal tdibrasil.org e pela página Teoria do Design Inteligente no Facebook. Colabora com as atividades do movimento do Design Inteligente no Brasil.

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