Como processos geológicos poderiam ter favorecido o aparecimento da vida na Terra? Um estudo publicado na
Nature Communications revela um mecanismo abiótico de conversão energética, inspirado nas membranas celulares. Uma descoberta com implicações maiores para a compreensão das origens da vida e dos processos bioenergéticos atuais.
Reações que parecem desafiar as leis da termodinâmica
A vida possui uma propriedade notável: consegue manter e explorar estados químicos longe do equilíbrio. Desde 1945, o físico Erwin Schrödinger questionava essa particularidade em sua obra
What is Life?, destacando que os organismos vivos tiram proveito de gradientes de energia para organizar a matéria.
Estas fotos ilustram chaminés hidrotermais, também chamadas de 'Fumos negros'.
Imagem Wikimedia
Um exemplo central é a quimiosmose, um mecanismo usado pelas células para produzir energia. Nas mitocôndrias ou nas bactérias, um gradiente de prótons através de uma membrana permite gerar reações químicas essenciais ao metabolismo.
Mas uma questão permanece: processos semelhantes poderiam existir em ambientes puramente minerais, antes mesmo do aparecimento das primeiras células?
"Membranas" minerais capazes de produzir ferro metálico
Para explorar essa hipótese, cientistas reproduziram em laboratório análogos de chaminés hidrotermais alcalinas ricas em ferro, semelhantes às que existiam na Terra primitiva.
Os resultados, publicados na revista
Nature Communications, revelam um fenômeno inesperado: a energia de um gradiente de pH pode ser convertida em produção de ferro metálico, uma reação que, em princípio, não deveria ocorrer sem a presença de um agente redutor químico.
Esse processo se baseia em transferências acopladas de íons e elétrons no interior de "membranas" minerais. Essas estruturas atuam então como verdadeiras interfaces energéticas, comparáveis sob certos aspectos às membranas biológicas.
Localmente, essas transferências permitem manter estados redox fora do equilíbrio, associados a uma diminuição local da entropia, uma condição considerada essencial para a emergência de reações metabólicas primitivas.
Um mecanismo inesperado
Os resultados questionam algumas hipóteses anteriores. Até agora, pensava-se que esse tipo de reação dependia principalmente de compostos químicos reativos gerados por diferenças de pH.
Contudo, o estudo mostra que as propriedades intrínsecas dos minerais são suficientes: a própria estrutura da membrana mineral permite a conversão direta da energia do gradiente de pH em gradiente redox, essencial para as reações químicas encontradas nos seres vivos.
Esta descoberta sugere que sistemas puramente geológicos poderiam ter desempenhado um papel ativo nas primeiras conversões de energia prebióticas.
Reconstituição experimental de um análogo de membrana mineral das fontes hidrotermais alcalinas (AHV).
A precipitação de oxi-hidróxidos de ferro na interface entre uma solução alcalina e uma solução ácida leva à formação de uma barreira mineral estruturada.
Esta membrana gera gradientes de pH e de potencial redox, associados à dismutação do Fe²⁺ em Fe³⁺ (magnetita) e Fe⁰, o que evoca um mecanismo análogo aos mecanismos vivos, produzindo localmente estados redox fora do equilíbrio termodinâmico.
© Simon Duval Rumo a uma reconstituição dos primeiros passos do metabolismo
Este estudo sugere que ambientes geológicos, como as chaminés hidrotermais, poderiam ter desempenhado um papel chave na catálise de reações prebióticas. Oferece também um modelo experimental para estudar os processos bioenergéticos que ainda funcionam nas células atuais. Pode também explicar transformações geoquímicas ainda inexplicadas em ambientes naturais.
No futuro, os cientistas pretendem explorar reações mais complexas nesse tipo de dispositivo, nomeadamente a condensação de unidades fosfato, para se aproximar dos processos celulares.
Trata-se de mais um passo rumo à reconstituição das condições que permitiram a emergência do ancestral comum a todas as formas de vida na Terra.
Fonte: CNRS INSB