Os pesquisadores submeteram suas sopas químicas a uma forma de seleção, pegando uma pequena quantidade de material de um frasco e colocando-o em um novo frasco com pirita fresca e produtos químicos. Após várias gerações, eles encontraram evidências de redes químicas, representado em amarelo, espalhando rápido o suficiente para evitar a diluição. Crédito:David Baum lab
Pesquisadores da Universidade de Wisconsin-Madison cultivaram reações químicas naturais ao mesmo tempo em que eram pioneiros em uma nova estratégia para estudar a origem da vida.
O trabalho está longe de impulsionar a vida no laboratório. Ainda, mostra que técnicas simples de laboratório podem estimular os tipos de reações provavelmente necessárias para explicar como a vida começou na Terra há cerca de quatro bilhões de anos.
Os pesquisadores submeteram uma rica sopa de produtos químicos orgânicos a uma seleção repetida, reduzindo constantemente a população química e deixando-a crescer novamente com a adição de novos recursos. Ao longo de gerações de seleção, o sistema parecia consumir suas matérias-primas, evidências de que a seleção pode ter induzido a disseminação de redes químicas capazes de se propagar.
Em escalas de tempo mais longas, essas mudanças químicas oscilavam em um padrão repetitivo. Este ciclo de expansão e queda ainda não foi totalmente explicado, mas é uma boa evidência de que as sopas químicas estabeleceram ciclos de feedback semelhantes aos encontrados em organismos vivos. David Baum, um professor de botânica da UW-Madison, e sua equipe publicou suas descobertas em 23 de outubro, 2019, no jornal Vida . O trabalho foi financiado pela National Science Foundation e NASA.
Agora, outros pesquisadores podem usar essa abordagem experimental e ajudar a desvendar quais componentes são necessários para estimular sistemas químicos naturais e se essas redes químicas podem evoluir para características mais complexas.
Se este sistema pode gerar maior complexidade, pode ajudar a resolver o enigma de como produtos químicos simples eventualmente deram origem a algo tão complexo quanto o ancestral celular que gerou toda a vida hoje.
Quando os pesquisadores estenderam seu experimento para 40 gerações, eles notaram oscilações repetidas na concentração de fosfato, um dos principais materiais de partida em suas sopas químicas. Essas oscilações sugerem o desenvolvimento de ciclos de feedback, que são uma característica da vida. Crédito:David Baum lab
"Uma questão central na origem da vida é:como você consegue a evolução antes que houvesse informação genética como a do DNA ou RNA?" diz Baum. "O que agora percebemos é que a evolução das redes químicas pode resolver esse problema, e isso é algo que podemos resolver no laboratório. "
Para testar a ideia da evolução química do ecossistema, os pesquisadores reuniram uma rica sopa de produtos químicos. Na água do mar, eles dissolveram aminoácidos, açúcares, compostos orgânicos comuns, oligoelementos e os blocos de construção dos ácidos nucléicos. Para dar ao sistema ainda mais vantagem, os cientistas aumentaram a rica água do mar com ATP, uma molécula de alta energia que impulsiona quase todas as reações da vida hoje, mas era improvável que existisse nos tempos primordiais.
"Nem todos esses produtos químicos podem estar disponíveis na Terra primitiva, mas estamos tentando acelerar um processo que poderia, em teoria, começar a partir de blocos de construção ainda mais simples, "diz Baum, que também é pesquisador do Wisconsin Institute for Discovery.
A equipe misturou sua sopa primordial com grãos finos de pirita, um mineral de ferro e enxofre também conhecido como ouro de tolo. Com base na proposta de evolução química do químico alemão Günter Wächtershäuser de 1988, A equipe de Baum acredita que a pirita é um material ideal para o cultivo de uma química natural.
"A pirita era um mineral comum na Terra primordial, pode se ligar a muitos compostos orgânicos, e pode catalisar reações entre eles, "diz Lena Vincent, um estudante de graduação no laboratório de Baum e o principal autor do estudo. "E, muito elegantemente, muitas enzimas altamente conservadas ao longo da vida têm núcleos muito semelhantes à pirita. Eles são basicamente pirita envolta em proteína. "
Os pesquisadores adicionaram algumas gotas da sopa enriquecida de água do mar a uma pequena quantidade de pirita triturada em um frasco e misturaram a solução por alguns dias. Esta foi a primeira geração. Para começar a próxima geração, Vincent pegou uma pequena quantidade da primeira solução e misturou-a em um frasco com sopa fresca e pirita. Mais de uma dúzia ou mais gerações, apenas aquelas redes químicas que pudessem se propagar mais rápido do que seriam diluídas sobreviveriam e se espalhariam.
Sob uma ampliação ultra-alta, os pesquisadores encontraram formas fractais distintas se espalhando ao longo dos grãos de pirita depois que suas sopas químicas passaram por várias gerações. Os pesquisadores acreditam que esses fractais são depósitos salgados induzidos a se formar por uma fina camada de material orgânico espalhado ao longo do mineral. Crédito:o laboratório David Baum
Após 12 ou 18 gerações, os pesquisadores viram uma queda no fosfato disponível - uma leitura do uso de ATP - e no material orgânico dissolvido, o que sugeriu que os compostos químicos poderiam estar aderindo e se espalhando ao longo dos grãos de pirita.
Quando eles inspecionaram a pirita sob uma ampliação ultra-alta, os pesquisadores viram uma abundância de formas fractais se espalhando ao longo da superfície do mineral nas amostras experimentais, mas não nas amostras de controle que careciam de um histórico de seleção.
Embora essas formas fractais pareçam ser sais e provavelmente não sejam reais, os pesquisadores suspeitam que podem ser induzidos por uma fina camada de compostos orgânicos ligados aos grãos. Os fractais nunca apareceram quando o material orgânico foi deixado de fora da solução.
"Os cientistas há muito tempo procuram exemplos de reações que complexificam e organizam espontaneamente produtos químicos orgânicos, "diz Jim Cleaves, co-autor do trabalho do Earth-Life Science Institute (ELSI) no Tokyo Institute of Technology no Japão. “Com base neste trabalho, e outros experimentos que temos conduzido na ELSI, parece possível que tais reações não sejam incrivelmente raras, pode ser simplesmente uma questão de usar as ferramentas certas para encontrá-los. "
Quando os pesquisadores realizaram o experimento por 40 gerações, eles observaram períodos de mudança gradual intercalados por reversões repentinas das condições iniciais. Embora a causa dessas falhas permaneça desconhecida, esse tipo de ciclo de feedback não linear é encontrado ao longo da vida e é uma evidência de que o sistema experimental induziu comportamentos complexos na sopa química.
"Esta não linearidade é um pré-requisito para todos os interessantes comportamentos naturais que procuramos, incluindo autopropagação e evolução, "diz Vincent. Cautelosamente animado com o sucesso preliminar, Baum e sua equipe agora estão ansiosos para recrutar outros para ajudá-los a refinar seu sistema.
"Queríamos desenvolver um sistema que pudéssemos sondar ainda mais para resolver as questões sobre a capacidade de evolução. E esperamos que outros laboratórios usem este protocolo e o melhorem, "diz Baum." É exatamente onde queríamos estar. "
