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Uma nova teoria física para a origem da vida

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Jeremy England, 31, físico no MIT (Massachusetts Institute of Technology), acha que encontrou a força que impulsiona a origem e a evolução da vida.

Primeiramente, por que a vida existe?

Hipóteses populares creditam uma sopa pré-biótica, uma imensa quantidade de raios e um tremendo golpe de sorte. Mas, se uma nova teoria estiver correta, a sorte pode ter exercido um papel mínimo. Em vez disso, de acordo com o físico que propõe a ideia, a origem e a subsequente evolução da vida seguem um padrão das leis fundamentais da natureza e “deve ser tão natural quanto pedras rolando por uma ladeira”.

No ponto de vista da Física, há uma diferença essencial entre seres vivos e aglomerados inanimados de átomos de carbono: o primeiro tende a ser bem melhor em absorver a energia do seu ambiente e dissipar ela em forma de calor. Jeremy England, 31, professor no MIT (Massachusetts Institute of Technology), tem desenvolvido uma fórmula matemática que ele acredita que possa explicar essa capacidade. A fórmula, baseada em uma física já conhecida, indica que, quando um grupo de átomos é guiado por uma fonte externa de energia (tal como o Sol ou combustíveis químicos) e cercada por um meio que mantenha o calor (como o oceano ou a atmosfera), ele provavelmente irá se reestruturar gradualmente, de forma a dissipar cada vez mais energia. Isso poderia significar que, em determinadas condições, a matéria pode inevitavelmente adquirir o atributo físico associado à vida.

Células do musgo Plaguimnium, com cloroplastos visíveis, organelas responsáveis pela fotossíntese. Imagem por: Kristian Peters
Células do musgo Plaguimnium, com cloroplastos visíveis, organelas responsáveis pela fotossíntese. Imagem por: Kristian Peters

“Você começa com um aglomerado aleatório de átomos, e, se você deixá-lo exposto à luz por um determinado tempo, não seria surpreendente se você conseguisse uma planta”, diz England.

A teoria de England está destinada a fundamentar e sustentar, ao invés de substituir, a teoria da evolução de Darwin, que pode prover uma poderosa descrição da vida. “Eu certamente não estou dizendo que as ideias darwinianas estão erradas”, ele explica. “Muito pelo contrário. Eu só estou dizendo que, de acordo com a perspectiva da Física, você pode chamar a evolução darwiniana de um caso específico de um fenômeno generalizado”

Sua ideia, detalhada em um paper e mais bem elaborada em palestras das quais ele está dando para universidades ao redor do mundo, gerou uma polêmica entre seus colegas, que veem isso como um tênue ou um potencial avanço.

England avançou “um bravo e importante passo”, diz Alexander Grosberg, professor de Física na Universidade de Nova Iorque, que tem seguido os trabalhos de England desde os primeiros estágios. A “grande esperança” é como ele tem identificado o princípio da física subjacente que vem conduzindo a origem e a evolução da vida.

“Jeremy é apenas o mais brilhante jovem cientista do qual eu já ouvi falar”, diz Atilla Szabo, um biofísico do Laboratório de Físico-Química do NIH (National Institutes of Helth), que apoiou England e sua teoria depois de conhecê-lo em uma conferência. “Eu fiquei surpreso com a originalidade das ideias”.

Outros, tal como Eugene Shakhnovich, um professor de Química, Bioquímica e Biofísica na Universidade de Havard, não estão convencidos. “As ideias de Jeremy são interessantes e potencialmente promissoras, mas, neste ponto, ele é bastante especulativo, especialmente quando está se referindo ao fenômeno da vida”, diz Shakhnovich.

Os resultados teóricos de England são considerados válidos. É, em sua interpretação, o que os torna improváveis. Mas já há ideias de como testar essa interpretação no laboratório.

“Ele está tentando algo radicalmente diferente”, diz Mara Prentiss, professora de física da Universidade de Harvard. “Em linhas de organização, eu acho que ele tem uma ideia fabulosa. Certa ou errada, valerá muito a pena a sua investigação”

Simulação gráfica por Jeremy England e seus colegas, onde mostra um sistema de partículas confinadas dentro de um líquido viscoso do qual as partículas destacadas de turquesa são estimuladas por uma força. Depois de um tempo (de cima para baixo), a força provoca a formação de mais ligações entre as partículas. Imagem cedida por: Jeremy England
Simulação gráfica por Jeremy England e seus colegas, onde mostra um sistema de partículas confinadas dentro de um líquido viscoso do qual as partículas destacadas de turquesa são estimuladas por uma força. Depois de um tempo (de cima para baixo), a força provoca a formação de mais ligações entre as partículas. Imagem cedida por: Jeremy England

Na sua monografia O que é vida?, em 1944, o eminente físico quântico Erwin Schrödinger argumentou que isto é o que os seres vivos precisam. Uma planta, por exemplo, absorve extremamente a luz solar, usa ela para produzir açúcares e “ejeta” luz infravermelha. A entropia total do universo aumenta durante a fotossíntese à medida que a luz solar se dissipa.

A vida não viola a Segunda Lei da Termodinâmica, mas até recentemente, físicos eram incapazes de usar a Termodinâmica para explicar porque ela deve surgir em primeiro lugar. Na época de Schrödinger, eles só poderiam resolver as equações da Termodinâmica aplicadas em sistemas fechados em equilíbrio. Na década de 60, o físico belga Ilya Prigogine teve progresso em prever o comportamento de sistemas abertos movidos por fontes de energia internas (o motivo dele ter ganho o Prêmio Nobel de Química em 1977). Mas o comportamento dos sistemas que estavam longe de um equilíbrio, conectados com o ambiente externo e fortemente influenciados por fontes externas de energia, não poderiam ser previstos.

A situação mudou mais tarde. Na década de 90, devido, principalmente, ao trabalho de Chris Jarzynski, agora na Universidade de Maryland, e de Gavin Crooks, agora no Labotarótio Nacional Lawrence Berkeley. Jarzynski e Crooksmostraram que a entropia produzida por um processo termodinâmico, tal como o resfriamento de um copo de café, corresponde a uma simples razão: a probabilidade de que os átomos vão submeter-se a tal processo dividida pela probabilidade deles sofrerem o processo inverso (isto é, a interação espontânea de tal modo que o café aquece). A fórmula, ainda que rigorosa, poderia ser, em princípio, aplicada para qualquer processo termodinâmico, não importando o quão rápido ou longe do equilíbrio. “Nossa compreensão do equilíbrio de Mecânica Estatística melhorou muito”, Grosberg disse. England, que é treinado em Física e Bioquímica, começou seu próprio laboratório no MIT há dois anos e decidiu aplicar o seu conhecimento de Física Estatística em biologia.

Usando a formulação de Jarzynski e Crooks, ele derivou uma generalização da Segunda Lei da Termodinâmica que atribui a certos sistemas de partículas com certas características: os sistemas são fortemente movidos por uma fonte externa de energia tal como uma energia eletromagnética, e eles podem descartar calor em um banho térmico. Essa classe de sistemas inclui todos os seres vivos. England, então, determinou o quanto os sistemas tendem a evoluir ao longo do tempo à medida que a irreversibilidade aumenta. “Nós podemos mostrar, de forma muito simples, a partir da fórmula, que os resultados evolutivos vão ser aqueles que absorvem e dissipam mais energia para o ambiente externo, no caminho para chegarem lá”, ele diz. As descobertas fazem um senso intuitivo: partículas tendem a dissipar mais energia quando elas são estimuladas por uma força motriz.

“Isto significa que os aglomerados de átomos rodeados por um banho de certa temperatura, como a atmosfera ou o oceano, devem tender, ao longo do tempo, a se organizarem para repercutir melhor com as fontes de trabalho mecânicas, eletromagnéticas ou químicas nos seus ambientes”, England explica.

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