• Começa com um estrondo

Como foi quando a vida se tornou possível?

A Terra só foi criada mais de 9 bilhões de anos após o Big Bang. Em alguns lugares de sorte, a vida poderia ter surgido quase imediatamente.

Principais conclusões

• Os ingredientes necessários para a vida na Terra, incluindo um planeta rochoso com água líquida, os elementos e moléculas necessários para a vida e uma estrela estável, não são exclusivos do nosso planeta.
• Não só são encontrados em todos os sistemas estelares que existem hoje, mas tais condições favoráveis ​​à vida podem ter existido apenas mil milhões de anos após o Big Bang.
• Veja como era quando a vida se tornou possível neste Universo, bem como o caminho que o Universo provavelmente percorreu para chegar lá.

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A história cósmica que se desenrolou após o Big Bang é onipresente, não importa onde você esteja. A formação de núcleos atômicos, átomos, estrelas, galáxias, planetas, moléculas complexas e, eventualmente, vida faz parte da história compartilhada de todos e de tudo no Universo. Embora todas estas coisas provavelmente surjam em momentos diferentes em diferentes locais do Universo, em grande parte dependentes das condições iniciais, como temperatura e densidade, uma vez passado o tempo suficiente, são encontradas literalmente em todo o lado. Pelo menos uma vez, aqui na Terra, a vida começou em algum ponto do Universo. No máximo, apareceu apenas algumas centenas de milhões de anos depois da formação do nosso planeta.

Isto coloca a vida tal como a conhecemos, surgindo, no máximo, quase 10 mil milhões de anos após o Big Bang. Quando o Big Bang ocorreu pela primeira vez, a vida era impossível. Na verdade, o Universo não poderia ter formado vida desde os primeiros momentos; tanto as condições quanto os ingredientes estavam todos errados. Mas isso não significa que foram necessários todos esses milhares de milhões e milhares de milhões de anos de evolução cósmica para tornar a vida possível. Com base em quando os ingredientes brutos que acreditamos serem necessários para as formas mais primitivas de vida surgirem da não-vida, é razoável pensar que a “primeira vida” pode ter surgido quando o Universo tinha apenas uma pequena porcentagem de sua atual idade. Aqui está a melhor história com motivação científica sobre como a vida pode ter surgido pela primeira vez em nosso Universo.

A existência de moléculas complexas baseadas em carbono em regiões de formação estelar é interessante, mas não é exigida antropicamente. Aqui, os glicolaldeídos, um exemplo de açúcares simples, são ilustrados num local correspondente ao local onde foram detectados numa nuvem de gás interestelar: deslocados da região que atualmente forma novas estrelas são os mais rápidos. Moléculas interestelares são comuns, muitas delas complexas e de cadeia longa.

Nos primeiros momentos do quente Big Bang, as matérias-primas para a vida não poderiam de forma alguma existir de forma estável. Partículas, antipartículas e radiação giravam em velocidades relativísticas, destruindo quaisquer estruturas ligadas que pudessem ter se formado por acaso. À medida que o Universo envelheceu, porém, também se expandiu e arrefeceu, reduzindo a energia cinética de tudo o que nele existe. Com o tempo, a antimatéria foi aniquilada, formaram-se núcleos atômicos estáveis ​​e os elétrons finalmente se ligaram a eles, formando os primeiros átomos neutros do Universo.

No entanto, estes primeiros átomos eram apenas hidrogénio e hélio: insuficientes para a vida. Elementos mais pesados, como carbono, nitrogênio, oxigênio e muito mais, são necessários para construir as moléculas das quais dependem todos os processos vitais. Para isso, precisamos formar estrelas em grande abundância, fazê-las passar pelo seu ciclo de vida ou morte e devolver os produtos da sua fusão nuclear ao meio interestelar.

São necessários 50 a 100 milhões de anos para formar as primeiras estrelas, claro, que se formam em aglomerados relativamente grandes. Mas nas regiões mais densas do espaço, estes aglomerados estelares atrairão gravitacionalmente outra matéria, incluindo material para estrelas adicionais e outros aglomerados estelares, abrindo caminho para as primeiras galáxias. Com o tempo, apenas cerca de 200 a 250 milhões de anos se passarão, não apenas múltiplas gerações de estrelas terão vivido e morrido, mas os primeiros aglomerados de estrelas terão se transformado em galáxias.

Quando as primeiras estrelas se formam no Universo, elas se formam apenas a partir de hidrogênio e hélio. Mas quando a primeira geração morre, pode dar origem a uma segunda geração que é muito mais complexa, intrincada e diversificada. A explosão estelar resultante da fusão de vários aglomerados estelares em fusão pode assemelhar-se a Henize 2-10, uma galáxia próxima em formação de estrelas, localizada a 30 milhões de anos-luz de distância. Uma vez acumulada uma quantidade suficiente de elementos pesados, a formação de planetas rochosos e o potencial de vida que neles surge não podem mais ser ignorados.

Isto é importante porque não precisamos apenas criar elementos pesados ​​como carbono, nitrogênio e oxigênio; precisamos criar um número suficiente deles — e todos os elementos essenciais à vida — para produzir uma ampla diversidade de moléculas orgânicas.

Precisamos que essas moléculas existam de forma estável num local onde possam experimentar um gradiente de energia, como numa lua rochosa ou num planeta na vizinhança de uma estrela, ou com atividade hidrotérmica submarina suficiente para suportar certas reações químicas. E precisamos que esses locais sejam suficientemente estáveis ​​para que tudo o que seja considerado um processo vital possa ser autossustentável.

Na astronomia, todas essas condições são agrupadas sob a égide de um único termo: metais. Um “metal”, para um astrônomo, é qualquer elemento mais pesado que o hidrogênio ou o hélio, desde o lítio (elemento nº 3) até o ponto mais alto que a tabela periódica pode teoricamente atingir. Sempre que olhamos para uma estrela, podemos medir a força das diferentes linhas de absorção que vêm dela, o que nos diz — em combinação com a temperatura e a ionização da estrela — quais são as abundâncias dos diferentes elementos que foram utilizados para criá-la. Some todos eles e isso lhe dará a metalicidade da estrela, ou a fração dos elementos dentro dela que são mais pesados ​​que o hidrogênio puro ou o hélio.

Como são os planetas fora do nosso sistema solar, ou exoplanetas? Uma variedade de possibilidades é mostrada nesta ilustração. Os cientistas descobriram os primeiros exoplanetas na década de 1990. Em 2023, a contagem era de pouco mais de 5.000 exoplanetas confirmados. Nenhum é conhecido por ser habitado, mas alguns levantam possibilidades tentadoras: principalmente entre os planetas do tamanho da Terra, não os do tamanho da super-Terra.

A metalicidade do nosso Sol está em algum lugar entre 1 e 2%, mas isso parece ser excessivo demais para ser necessário para a vida. Estrelas que possuem apenas uma fração dos elementos pesados ​​(metais) encontrados no Sol e no resto do Sistema Solar, ainda podem ter ingredientes necessários suficientes, em geral, para tornar a vida possível.

Notavelmente, detectámos mais de 5.000 exoplanetas nos últimos 20 anos e há enormes lições a aprender com eles. os sistemas estelares que encontramos e não encontramos os “rochosos” dentro. Em particular:

• Apenas 10 exoplanetas orbitam estrelas com 10% ou menos dos elementos pesados ​​encontrados no Sol.
• Apenas 32 exoplanetas orbitam estrelas com entre 10% e 16% dos elementos pesados ​​do Sol.
• E apenas 50 exoplanetas orbitam estrelas com entre 16% e 25% dos elementos pesados ​​do Sol.

Isso significa, no total, que apenas 92 dos 5.069 exoplanetas descobertos no início de 2023 – apenas 1,8% – existem em torno de estrelas com um quarto ou menos dos elementos pesados ​​encontrados no Sol. Por outras palavras, se quisermos criar planetas rochosos, aqueles que pensamos que suportam vida, precisamos de enriquecer suficientemente o meio interestelar, e isso leva tempo.

Muito depois de o gás formador de planetas de um sistema protoplanetário ser destruído, grandes quantidades de detritos empoeirados podem persistir, bombardeando o jovem sistema planetário durante várias centenas de milhões de anos. Isto aconteceu no início do nosso Sistema Solar durante cerca de 600 milhões de anos e ainda está potencialmente acontecendo em torno de estrelas como Vega, Fomalhaut e Epsilon Eridani. A evidência da primeira vida na Terra não pode ser superior a 100 milhões de anos após o final deste período, e pode até ter começado durante a fase de bombardeamento pesado da história do nosso planeta, com implicações incríveis para a vida noutras partes do Universo.

No entanto, lembre-se do que está acontecendo no Universo no que diz respeito às estrelas: elas estão se formando desde tempos muito antigos, e a taxa de formação de estrelas, embora comece pequena, aumenta continuamente ao longo dos primeiros ~3 bilhões de anos de história cósmica. . À medida que mais estrelas se formam a partir das cinzas de estrelas mais antigas que viveram e morreram, o conteúdo de elementos pesados, bem como a probabilidade de formação de sistemas estelares que possuirão planetas rochosos, aumenta com o passar do tempo. Embora a maioria das estrelas não se forme com planetas rochosos à sua volta até terem passado vários milhares de milhões de anos desde o Big Bang, as primeiras a chegar lá poderão demorar apenas cerca de mil milhões de anos: os primeiros locais verdadeiramente hospitaleiros para o surgimento de vida no cosmos.

A grande questão, então, é “como?” Como surgiu a vida? Quais são as condições que apoiam a sua criação a partir da não-vida, quais foram os mecanismos específicos que permitiram que isso acontecesse e em que lugares a vida conseguiu sustentar-se, ou seja, sobreviver, reproduzir-se e prosperar geração após geração , quais foram as condições que surgiram que permitiram uma cadeia ininterrupta de atividade biológica a longo prazo? Embora não tenhamos descoberto a resposta a estas questões no que diz respeito à própria história da Terra, fizemos enormes avanços nos últimos anos, particularmente no lado do “mecanismo” para a vida que surge da não-vida.

No início, logo após a formação da Terra, provavelmente a vida surgiu nas águas do nosso planeta. A evidência que temos de que toda a vida que existe hoje pode ser rastreada até um ancestral comum universal é muito forte, mas as fases iniciais do nosso planeta, talvez durante os primeiros 1 a 1,5 mil milhões de anos, permanecem em grande parte obscuras.

A melhor forma de compreender de onde vieram os ingredientes da vida é simplesmente observar a composição dos asteróides e cometas que encontramos no espaço, bem como os restos de meteoritos que sobreviveram hoje à sua viagem até à Terra. Quando olhamos para dentro desses objetos primitivos, muitos dos quais podemos usar a técnica atômica e datam de aproximadamente 4,56 bilhões de anos atrás, encontramos:

• existem mais de 80 aminoácidos únicos dentro deles (apesar do fato de apenas 22 participarem dos processos vitais na Terra),
• muitos deles são canhotos e destros, embora todos os que participam dos processos vitais na Terra são exclusivamente canhotos ,
• moléculas orgânicas à base de carbono também estão presentes, desde as mais simples (como açúcares ) para o intermediário (como hexametilenotetramina ) para o complexo (como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos ),
• e, muito recentemente, descobrimos que todas as cinco nucleobases , que são as “bases” no coração de cada nucleotídeo encontrado em moléculas como DNA e RNA que codificam informações genéticas na Terra, também estão presentes em meteoritos.

Embora haja quem afirme que estes ingredientes, se os esmagarmos todos numa sopa primordial (isto é, num ambiente aquoso com um gradiente de energia), podem ter dado origem a vida auto-replicante espontaneamente, esta é de longe uma opinião minoritária. Em vez disso, um caminho amplamente preferido por quase todos os biólogos em atividade é a ideia de que a capacidade de metabolizar algo de valor nutricional foi o que veio primeiro .

Nas profundezas do mar, em torno de fontes hidrotermais, onde nenhuma luz solar chega, a vida ainda prospera na Terra. Como criar vida a partir da não-vida é uma das grandes questões em aberto na ciência actual, mas as fontes hidrotermais são um dos principais locais onde os primeiros processos metabólicos, os precursores dos organismos vivos, podem ter surgido pela primeira vez. Se a vida pode existir lá embaixo na Terra, talvez no fundo do mar em Europa ou Encélado, também há vida lá embaixo.

Vamos imaginar como isso poderia ter sido. Em qualquer mundo com água líquida suficiente, haverá muitos ambientes aquosos naturais:

• os oceanos salgados e as poças de maré,
• fontes de água doce como lagos e rios,
• ou mesmo oceanos subterrâneos que persistem sob crostas rochosas ou geladas.

Haverá também fontes de energia externa sob a forma de luz solar e calor geotérmico, incluindo em fontes marítimas profundas e ao longo de campos hidrotermais. Haverá minerais e íons dissolvidos nessa água, bem como todos os tipos de moléculas, incluindo uma grande variedade de aminoácidos que podem se unir. E, talvez o mais importante do ponto de vista termodinâmico, você tem estados de desequilíbrio químico em uma ampla variedade de interfaces: terra sólida/água líquida, água líquida/magma vulcânico e água líquida/gás atmosférico.

À medida que os aminoácidos se chocam, eles formam e quebram ligações espontaneamente, com cadeias de aminoácidos formando peptídeos. À medida que os íons surgem e se ligam a esses peptídeos primitivos, eles permitem a criação de enzimas. Essas moléculas são frágeis e fáceis de destruir ou desnaturar, mas também são muito grandes em número e em possibilidades – definidas pelo tamanho tão grande que é quase insondável. matemática da combinatória - confundir a mente. Algumas das proteínas que se formam, meramente por acaso, ganharão a capacidade de desempenhar funções específicas. Essas funções podem ter incluído:

• a coleta ou mesmo o acúmulo de recursos, incluindo peptídeos específicos,
• a capacidade de dividir/recombinar outras moléculas de uma forma que libere energia utilizável no processo,
• e a capacidade de “morder” outras moléculas úteis, permanecendo intactas.

Seja qual for o caso, a criação espontânea destes peptídeos metabólicos é praticamente inevitável. O que vem a seguir, fascinantemente, é uma área de pesquisa totalmente nova, mas surpreendente.

Se a vida começasse com um peptídeo aleatório que pudesse metabolizar nutrientes/energia de seu ambiente, a replicação poderia então resultar da coevolução peptídeo-ácido nucleico. Aqui, a coevolução DNA-peptídeo é ilustrada, mas poderia funcionar com RNA ou mesmo PNA como ácido nucleico. Afirmar que uma “centelha divina” é necessária para que a vida surja é um argumento clássico do “Deus das lacunas”.

Recentemente foi demonstrado que se você tiver nucleobases em um ambiente aquoso – coisas como RNA, DNA ou mesmo PNA (ácidos nucleicos peptídicos) – esses nucleotídeos se alinharão ao longo dos vários aminoácidos em uma cadeia peptídica . Se eles puderem emparelhar com sua base conjugada, ou “descascar” e extrair aminoácidos adicionais para eles, eles podem reproduzir efetivamente, com um alto grau de precisão, a cadeia peptídica original .

Este cenário, conhecido como coevolução RNA-peptídeo, é como a maioria dos cientistas que investigam a origem da vida agora acreditam que a auto-replicação, construída na espinha dorsal dos processos metabólicos, surgiu pela primeira vez.

Embora nem todo biólogo concorde que:

• uma molécula flutuante,
• que pode metabolizar recursos,
• e se replicar,

atinge o limiar de ser “vida” em vez de “não-vida”, o que provavelmente representa os primeiros passos concretos que levaram de processos químicos simples a processos biológicos. Esses “replicadores metabolizadores” primitivos provavelmente surgiram lado a lado, possuindo uma grande diversidade entre eles, com muitos – se não a maioria – deles certamente sendo extintos ao longo do caminho. Isto antecede um ancestral comum universal na Terra, e até mesmo a nossa noção do que é uma célula, em muitas centenas de milhões (e talvez mais de um bilhão) de anos. No entanto, é aqui que o pensamento científico atual nos leva sobre como a vida se originou na Terra.

As matérias-primas que acreditamos serem necessárias à vida, incluindo uma grande variedade de moléculas à base de carbono, são encontradas não apenas na Terra e noutros corpos rochosos do nosso Sistema Solar, mas também no espaço interestelar, como na Nebulosa de Órion: a mais próxima grande região de formação de estrelas para a Terra.

Como temos todos os motivos para acreditar que as leis e os ingredientes que temos na Terra são encontrados em todo o Universo, faz sentido procurar essas mesmas “impressões digitais” onde quer que sejamos capazes de olhar. No espaço, seja em torno dos centros das galáxias ou em torno de estrelas massivas em formação recente, ou mesmo nos ambientes onde o gás rico em metais irá formar futuras estrelas, encontramos toda uma série de moléculas orgânicas complexas. Eles variam de açúcares a aminoácidos, passando por formato de etila (a molécula que dá cheiro às framboesas) e intrincados hidrocarbonetos aromáticos; isto é, moléculas que são consideradas precursoras da vida.

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Até agora, só encontrámos estas “bio-dicas” moleculares nas proximidades, é claro, mas isso acontece porque não sabemos como procurar assinaturas moleculares individuais em ambientes que se situam muito além da nossa própria galáxia. No entanto, à medida que olhamos para distâncias cada vez maiores, descobrimos de facto que existem galáxias e porções de galáxias muito antigas que têm as populações certas de estrelas e as metalicidades certas para serem excelentes candidatas ao surgimento de vida dentro delas. Nos casos mais extremos, encontramos locais dos primeiros 1 a 2 mil milhões de anos após o Big Bang que já podem potencialmente abrigar vida.

Este retrato infravermelho da Pequena Nuvem de Magalhães, localizada a apenas 199.000 anos-luz de distância, destaca uma variedade de características, incluindo novas estrelas, gás frio e, de forma bastante espetacular (em verde), a presença de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos: as moléculas orgânicas mais complexas de todos os tempos. encontrado no ambiente natural do espaço interestelar. A forma como os átomos se ligam para formar moléculas, incluindo moléculas orgânicas e processos biológicos, só é possível devido à regra de exclusão de Pauli que rege os eletrões, e acontece em todo o Universo onde estão presentes elementos pesados ​​suficientes.

É preciso dizer, no entanto, que ainda não sabemos como a vida no Universo (ou mesmo na Terra) começou, incluindo se a vida como a conhecemos é comum, rara ou rara. Proposição do universo. Mas podemos ter a certeza de que a vida surgiu no nosso cosmos pelo menos uma vez e que foi construída a partir de elementos pesados ​​produzidos a partir de gerações anteriores de estrelas. Se observarmos como as estrelas se formam teoricamente em aglomerados estelares jovens e em galáxias primitivas, poderemos atingir esse limite de abundância após várias centenas de milhões de anos; tudo o que resta é juntar esses átomos num arranjo favorável à vida.

Se o Universo formar as moléculas necessárias à vida e depois as colocar num ambiente propício à vida que surge da não-vida, como num planeta rochoso rico em água, de repente o surgimento da biologia poderia ter ocorrido quando o Universo tinha apenas alguns por cento de da sua idade atual. Devemos concluir que a vida mais antiga no Universo poderia ter sido possível mesmo durante os primeiros um ou dois mil milhões de anos após o início do Big Bang quente. Uma vez que um número suficiente de estrelas viva e morra, o material de seus cadáveres é incorporado em novas estrelas, novas moléculas e até mesmo em novos planetas. Obtenha o suficiente desse material enriquecido nas condições certas, e isso talvez seja o suficiente para resultar na chegada quase garantida da vida.

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