A Termodinâmica da Origem da Vida

Ilustração: células / ©

Por Brian Miller (adaptado)

Artigos de sites populares tratando de pesquisas sobre a origem da vida têm frequentemente retratado o campo como avançando constantemente e convergindo rapidamente em uma explicação puramente materialista para a primeira célula autônoma. No entanto, o verdadeiro estado das coisas é muito mais sombrio. O ponto alto do otimismo foi realmente na década de 1950, quando o experimento de Stanley Miller produziu vários dos blocos de construção da vida. Infelizmente, os geólogos mais tarde reconheceram que os gases usados ​​naquele experimento não correspondiam à química da Terra primitiva. Quando refeitos com os que realmente estavam presentes, os experimentos produziram poucos blocos de construção em quantidades suficientes para contribuir para os cenários da origem da vida. Além disso, um exame atento das tentativas modernas de sintetizar os precursores da vida revela que a formação de muitos deles na Terra primitiva em quantidades significativas é virtualmente impossível. No entanto, o desafio mais fundamental da termodinâmica supera até mesmo esses obstáculos.

Argumentos comuns sobre a origem da vida tradicionalmente focalizam a improbabilidade de a vida se formar por acaso. Talvez o mais famoso seja o do físico Fred Hoyle, que calculou a probabilidade de uma célula se aglutinar de aproximadamente 1 parte em 10 para a potência de 40.000. Ele comparou essa probabilidade com as chances de um tornado “arar” através de um ferro-velho e montar um avião a jato. O conceito de probabilidade está intimamente ligado ao da entropia, uma vez que a probabilidade é proporcional ao número de configurações (N) em que algum estado pode ocorrer, e a entropia é proporcional ao log de N. Por exemplo, o número de maneiras pelas quais as moléculas de água podem se organizar no estado sólido é muito menor do que as formas numéricas nos estados líquido ou gasoso, de modo que o gelo é o estado com a menor entropia. Devido a esta conexão, o argumento de probabilidade é frequentemente reafirmado da forma que a natureza tende a se mover de estados de baixa entropia para entropia mais alta, o que significa simplesmente que a natureza se move em direção a estados que são altamente prováveis. Essa tendência é conhecida como a segunda lei da termodinâmica.

Esses argumentos soam impressionantes no começo, mas na verdade são incompletos. Quase todos os pesquisadores reconhecem que a primeira célula não poderia ter surgido por acaso. Em vez disso, acreditam que alguns processos físicos ajudaram a vencer as probabilidades. Como uma analogia, nunca se poderia conseguir mil seis seguidos jogando dados justos. No entanto, se os dados fossem viciados, esse resultado poderia ser bastante provável ou até próximo de ser garantido. Analogamente, alguns sistemas, na verdade, movem-se naturalmente de estados de entropia superior para aqueles de baixa entropia (isto é, aparentemente baixa probabilidade) se os estados de entropia inferior tendem a ocorrer. Tal viés é criado por uma segunda tendência de direção. Ou seja, a natureza tende a se mover de estados de energia superior para aqueles de menor energia. Por exemplo, as rochas rolam morro abaixo, já que a altitude mais baixa corresponde à menor energia gravitacional. Da mesma forma, moléculas de água se atraem, de modo que o gelo é um estado de energia mais baixo do que a água ou o gás como resultado de mais ligações de hidrogênio se formando, em média, entre moléculas vizinhas. Em temperaturas baixas o suficiente, essa atração supera a tendência de se mover em direção a entropia mais alta, resultando no congelamento de água.

Entretanto, mesmo nesses casos de entropia localmente decrescente, a segunda lei da termodinâmica não é violada, pois as mudanças são sempre exotérmicas – o calor é liberado. O calor que sai do sistema local (por exemplo, uma xícara de água gelada) e entra no ambiente circundante aumenta a entropia deste último em um valor maior que a diminuição da entropia do sistema local. Portanto, a entropia total do universo aumenta. O problema para todas as teorias da origem da vida agora se torna bastante evidente. A célula funcional mais simples, comparada aos seus blocos de construção mais básicos, tem entropia mais baixa e energia mais alta. E os sistemas naturais nunca diminuem em entropia e aumentam em energia ao mesmo tempo. Tal evento seria como conseguir incontáveis seis em uma sequência quando os dados estão fortemente viciados contra o esse resultado. Portanto, a origem da vida através de processos puramente naturais pareceria tão implausível quanto a água em um dia quente de verão congelando espontaneamente ou um rio que corre morro acima, sem ajuda, por milhares de quilômetros.

Físicos e químicos frequentemente combinam entropia e energia (ou entalpia) juntas no que é chamado de energia livre de um sistema. A mudança de energia livre é sempre negativa para mudanças espontâneas (por exemplo, queima de madeira ou derretimento de gelo no verão), e está diretamente relacionada ao aumento total da entropia do universo. O desafio para a origem da vida é, então, explicar como bilhões de átomos podem se unir espontaneamente em um estado de energia livre significativamente maior. A chance de tal evento acontecer através de flutuações térmicas foi calculada pelo biofísico Harold Morowitz como sendo menor que 1 parte em 10 ao poder de cem milhões. Esse número vem diretamente de uma estimativa da energia livre da vida, e a energia livre é uma função independente do caminho. Portanto, essa estimativa de probabilidade máxima não depende significativamente da rota teórica que levou à vida (por exemplo, proteínas primordiais versus mundo de RNA) ou do número de etapas envolvidas. A probabilidade é sempre essencialmente zero.

À primeira vista, esta análise termodinâmica da origem da vida parece negar qualquer solução materialista possível para o problema. No entanto, os teóricos reconhecem há muito tempo uma lacuna restante. Os cálculos de Morowitz supunham que o sistema estava em um estado quase equilibrado. Por exemplo, algum relâmpago poderia ter atingido uma lagoa de químicos pré-bióticos à noite, fazendo com que os átomos se juntassem em diferentes configurações. A lagoa então voltaria rapidamente a um estado calmo onde a temperatura, as concentrações e outras variáveis ​​permaneceriam razoavelmente uniformes. No entanto, muitos argumentam que a origem da vida ocorreu em um sistema fortemente afastado do equilíbrio, como um lago submetido a luz solar intensa ou no fundo do oceano perto de uma fonte hidrotermal inundando seus arredores com água superaquecida e produtos químicos de alta energia. Tais configurações são comumente chamadas de sistemas dissipativos de não-equilíbrio. Sua característica comum é que a termodinâmica clássica se decompõe, de modo que as análises anteriores não se sustentam completamente. Em vez disso, os princípios da termodinâmica de não-equilíbrio devem ser aplicados, que são muito mais complexos e menos bem compreendidos. Além disso, espera-se que a energia dessas fontes externas permita que a barreira de energia livre seja superada.

No entanto, tais apelos aos sistemas de não-equilíbrio fazem pouco para resolver os problemas termodinâmicos básicos. Primeiro, nenhum sistema poderia ser mantido longe do equilíbrio por mais de um período de tempo limitado. O sol se põe durante o dia e a água superaquecida no fundo do oceano acabaria migrando para longe de quaisquer fontes hidrotermais. Qualquer progresso feito no sentido de formar uma célula seria perdido à medida que o sistema se voltasse para o equilíbrio (menor energia livre) e, portanto, para longe de qualquer estado que se aproximasse da vida. Em segundo lugar, a entrada de energia bruta solar, térmica ou outras formas de energia realmente aumentam a entropia do sistema, movendo-o, assim, na direção errada. Por exemplo, a luz ultravioleta do sol ou o calor das fontes hidrotermais formariam menos facilmente as estruturas químicas complexas necessárias à vida do que as quebrariam. Finalmente, em sistemas de não-equilíbrio as diferenças de temperatura, concentrações e outras variáveis ​​atuam como forças termodinâmicas que conduzem a transferência de calor, difusão e outros fluxos termodinâmicos. Esses fluxos criam fontes microscópicas de produção de entropia, afastando novamente o sistema de qualquer estado de entropia reduzida associado à vida. Em suma, os processos que ocorrem em sistemas de não-equilíbrio, como em suas contrapartes de quase-equilíbrio, geralmente fazem o oposto do que é realmente necessário.


Original: Brian MillerThermodynamics of the Origin of Life. June 19, 2017.


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