Odiado pelos cientistas, amado pela natureza:Enxofre e a origem da vida
Esquema ilustrando nosso modelo de S[IV] em águas naturais da Terra primitiva. A entrada de S[IV] da atmosfera (em última análise, derivada da liberação de gases vulcânicas) em um corpo aquoso (caixa azul escura) via deposição úmida e seca é equilibrada pela perda de S[IV] no corpo aquoso devido à fotólise, oxidação direta, desproporção e infiltração. Os processos que são fontes de S[IV] aquoso no modelo de caixa de fotoquímica aquosa 0D estão em texto azul esverdeado, enquanto os processos que são sumidouros de S[IV] aquoso no modelo de fotoquímica aquosa 0D estão em texto vermelhão. A especificação de parâmetros geoquímicos permite a simulação de águas marinhas e terrestres usando esta abordagem de modelagem. Crédito:Adiantamentos AGU (2023). DOI:10.1029/2023AV000926 Muitos artistas tentaram retratar como seria a aparência da Terra há bilhões de anos, antes de a vida aparecer. Muitas cenas trocam montanhas cobertas de neve por vulcões que jorram lava e céus azuis por relâmpagos que atingem o que está abaixo de um céu nebuloso.
Mas como era realmente a Terra primitiva? Esta questão tem sido objeto de intensa pesquisa científica há décadas.
Uma publicação liderada por Sukrit Ranjan, professor assistente do Laboratório Lunar e Planetário da Universidade do Arizona, destaca o enxofre, um elemento químico que, embora familiar, provou ser surpreendentemente resistente aos esforços científicos na investigação do seu papel na origem da vida. .
O artigo foi publicado na revista AGU Advances .
"Nossa imagem da Terra primitiva é bastante confusa", disse Ranjan, que explora as concentrações de enxofre nas águas e na atmosfera da Terra primitiva. Os mesmos processos que tornam o nosso planeta habitável – água líquida e placas tectónicas – destroem constantemente as rochas que mantêm o registo geológico da Terra, argumenta ele. “É ótimo para nós porque recicla nutrientes que de outra forma ficariam presos na crosta terrestre, mas é terrível para os geólogos no sentido de que remove os mensageiros”.
O artigo de Ranjan foi selecionado como destaque do editor, em reconhecimento aos "experimentos que foram extremamente difíceis de realizar, mas fornecem restrições para experimentos de química prebiótica em laboratório em andamento".
No centro dos esforços para abrir a cortina sobre o surgimento da vida na Terra está um conceito conhecido como “mundo do RNA”, disse Ranjan, referindo-se ao ácido ribonucleico, uma classe de moléculas que estão presentes em todas as células vivas e são cruciais. para a vida como a conhecemos.
A hipótese do mundo do RNA é baseada em uma característica interessante da biologia moderna, que é que das quatro principais categorias de biomoléculas – aminoácidos, carboidratos, lipídios e ácidos nucléicos – o RNA é o único que pode desempenhar o papel de uma enzima e o armazenamento e replicação de informação genética, fazendo cópias de si mesma, por si só. Só há um problema:é muito difícil de fazer.
“Durante cerca de 50 anos, as pessoas tentaram descobrir como produzir ARN sem enzimas, que é como a biologia o faz”, disse Ranjan, explicando que só nos últimos cinco anos é que os investigadores descobriram caminhos não enzimáticos para fazer RNA.
“Se conseguirmos obter RNA, então, no horizonte distante, veremos um caminho para fazer todo o resto funcionar”, disse ele. "E isto levanta a questão:esta molécula estava realmente disponível anteriormente em qualquer quantidade? E esta é na verdade uma grande questão em aberto."
Recentemente, os cientistas completaram uma busca de meio século para produzir moléculas de RNA sem enzimas biológicas, um enorme passo em frente para demonstrar o mundo do RNA. No entanto, todas essas vias químicas dependem de uma molécula crítica de enxofre, chamada sulfito.
Ao estudar amostras de rochas de algumas das rochas mais antigas da Terra, os cientistas sabem que havia bastante enxofre disponível na Terra pré-biótica. Mas quanto disso estava na atmosfera? Quanto disso acabou na água? E quanto disso acabou como sulfito produtor de RNA? Essas são as perguntas que Ranjan e sua equipe se propuseram a responder.
“Uma vez na água, o que acontece com ele? Ele permanece por muito tempo ou desaparece rapidamente?” ele disse. "Para a Terra moderna, sabemos a resposta:o sulfito adora oxidar ou reagir com o oxigênio, por isso desaparece super-rápido."
Em contraste, como indicam as evidências geológicas, havia muito pouco oxigênio na atmosfera primitiva da Terra, o que poderia ter permitido que o sulfito se acumulasse e durasse muito mais tempo. No entanto, mesmo na ausência de oxigênio, o sulfito é muito reativo e muitas reações poderiam tê-lo eliminado do ambiente primitivo da Terra.
Uma dessas reações é conhecida como desproporcionamento, um processo pelo qual vários sulfitos reagem entre si, transformando-os em sulfato e enxofre elementar, que não são úteis para a química da origem da vida. Mas quão rápido é esse processo? Teria permitido a acumulação de quantidades suficientes de sulfitos para dar início à vida?
“Ninguém analisou isso em profundidade fora de outros contextos, principalmente na gestão de águas residuais”, disse Ranjan.
Sua equipe começou então a investigar esse problema sob diversas condições, um esforço que levou cinco anos, desde a concepção dos experimentos até a publicação dos resultados.
“De todos os átomos que abastecem o estaleiro prebiótico, incluindo carbono, hidrogénio, azoto, oxigénio, fósforo e enxofre, o enxofre é talvez o mais espinhoso”, escreveu Sonny Harman do Centro de Investigação Ames da NASA, num artigo de opinião que acompanha a publicação. Devido à sua ânsia de entrar em reações químicas, "os compostos de enxofre tendem a ser mais instáveis, representando riscos para o pessoal e os equipamentos do laboratório, obstruindo a instrumentação e atrapalhando os experimentos".
O pesadelo de um técnico de laboratório
Em sua configuração, Ranjan e seus coautores dissolveram sulfito em água em vários níveis de acidez ou alcalinidade, trancaram-no em um recipiente sob uma atmosfera livre de oxigênio e deixaram-no “envelhecer”, como disse Ranjan. Todas as semanas, a equipe mediu as concentrações de vários sulfitos com luz ultravioleta. No final do experimento, eles os submeteram a um conjunto de análises, todas voltadas para responder a uma pergunta relativamente simples:ele disse:"Quanto resta dessa molécula original e em que ela se transformou?"
Descobriu-se que os sulfitos eram desproporcionalmente muito mais lentos do que a sabedoria convencional sustentava. Estudos anteriores, por exemplo, sugeriram a ideia de uma névoa de enxofre engolindo a Terra primitiva, mas a equipa de Ranjan descobriu que os sulfitos se decompõem sob a luz ultravioleta mais rapidamente do que o esperado. Na ausência de uma camada de ozono durante os primeiros dias da Terra, este processo, conhecido como fotólise, teria rapidamente eliminado os compostos de enxofre da atmosfera e da água, embora não tão eficientemente como o oxigénio abundante no mundo de hoje.
Embora seja plausível que a desproporção lenta pudesse ter permitido a acumulação de sulfitos, a fotólise teria tornado isso muito improvável, exceto em certos ambientes, como piscinas de águas rasas, protegidas da radiação UV, especialmente se alimentadas por escoamento superficial para fornecer escudos minerais. Os exemplos incluem piscinas subterrâneas ou lagos carbonatados de bacia fechada, depressões sem drenagem onde os sedimentos se acumulam, mas a água só pode sair por evaporação.
“Pense em corpos de água como o Grande Lago Salgado em Utah ou o Lago Mono na Califórnia”, disse Ranjan, acrescentando que os ambientes hidrotermais estão emergindo como candidatos importantes para o primeiro aparecimento de vida. Aqui, as águas subterrâneas que transportam minerais dissolvidos entram em contato com o calor da atividade vulcânica, criando microambientes únicos que oferecem “espaços seguros” para processos químicos que não poderiam ocorrer em outro lugar.
Esses lugares podem ser encontrados nas dorsais meso-oceânicas no fundo do mar, mas também em terra, disse Ranjan.
“Um exemplo moderno disso é o Parque Nacional de Yellowstone, onde encontramos piscinas que acumulam muito sulfito, apesar do oxigênio”, disse ele, “e isso pode acontecer apenas porque o sulfito é continuamente reabastecido pela liberação de gases vulcânicos”.
O estudo oferece oportunidades para testar experimentalmente a hipótese da disponibilidade de sulfito na evolução das primeiras moléculas da vida, apontam os autores. Ranjan disse que um campo de pesquisa em particular o entusiasma:a microbiologia filogenética, que usa a análise do genoma para reconstruir os modelos de microrganismos que usam enxofre e que se acredita representarem os filos mais antigos da Terra.
Há evidências de que essas bactérias ganham energia reduzindo formas de enxofre altamente oxidadas em formas menos oxidadas. Curiosamente, Ranjan apontou, eles dependem de um mecanismo enzimático bastante complexo para a primeira etapa, reduzindo o sulfato, a forma "moderna" abundante do enxofre, ao sulfito, sugerindo que essas enzimas são o produto de um longo processo evolutivo. Em contraste, apenas uma enzima está envolvida na conversão de sulfito – o ingrediente-chave proposto em “ambientes de poça prebióticos” – em sulfeto.
“Se for verdade, isto implica que o sulfito estava presente no ambiente natural em pelo menos alguns corpos d’água, semelhante ao que argumentamos aqui”, disse ele. "Os geólogos estão agora se voltando para isso. Podemos usar rochas antigas para testar se elas são ricas em sulfito? Ainda não sabemos a resposta. Esta ainda é uma ciência de ponta."
