Abiogênese, origem da vida ou biopoese é o processo natural pelo qual a vida surgiu a partir de matéria não viva. Na ciência, isso não significa o aparecimento repentino de um organismo completo, mas uma transição gradual entre a química de uma Terra sem vida e os primeiros sistemas capazes de manter sua organização, reproduzir-se e evoluir. Não existe uma sequência única aceita para essa transição, e nenhuma experiência conseguiu reproduzi-la por inteiro.

Para explicar como a vida começou, é preciso entender como moléculas relativamente simples passaram a formar sistemas nos quais funções que nas células trabalham juntas ainda estavam surgindo. Entre elas estão armazenar e transmitir informação, acelerar reações químicas, obter energia do ambiente e manter componentes reunidos dentro de algum tipo de compartimento. A pesquisa sobre abiogênese reúne química, biologia, geologia, física, astronomia e astrobiologia para investigar como essas capacidades poderiam ter aparecido e se combinado.

Experimentos mostram que componentes ligados à vida podem se formar sem participação de organismos, e moléculas orgânicas também foram encontradas em meteoritos, cometas e asteroides. A partir dessas possibilidades, diferentes hipóteses procuram explicar etapas posteriores. Algumas dão maior atenção a moléculas capazes de guardar informação e participar de sua própria replicação, como na hipótese do mundo do RNA. Outras investigam redes químicas semelhantes a um metabolismo primitivo, a formação de compartimentos semelhantes a membranas ou a combinação gradual desses processos. Também são estudados ambientes muito diferentes para essas etapas, como fontes hidrotermais, corpos de água na superfície, regiões geladas e fissuras no interior da crosta terrestre. Essas propostas podem corresponder a alternativas ou a partes diferentes de uma mesma sequência.

O registro geológico mostra que a vida já existia muito cedo na história da Terra, mas preserva pouco do intervalo em que ela surgiu. O último ancestral comum universal, ou LUCA, viveu depois dessa transição e já possuía uma organização celular desenvolvida, por isso não deve ser confundido com a primeira forma de vida. Comparar organismos, reconstruir características do LUCA, examinar as rochas mais antigas e testar química prebiótica em laboratório permite investigar etapas que não deixaram um registro direto. A Terra permanece o único lugar onde a existência de vida foi confirmada, e compreender como ela começou também orienta a procura por vida em outros mundos.

Visão geral

miniatura|direita|upright=1.6|A estratégia de astrobiologia da NASA publicada em 2015 incluiu entre seus objetivos compreender como um sistema vivo funcional poderia surgir de componentes não vivos. O programa abrangeu a origem prebiótica dos compostos químicos da vida, no espaço e em planetas, e o funcionamento de biomoléculas primitivas capazes de catalisar reações e sustentar a hereditariedade.

Entre as propriedades usadas para definir a vida estão hereditariedade, variação e capacidade de evolução, e a NASA adota como definição de trabalho "um sistema químico autossustentável capaz de evolução darwiniana". Nas células existentes, replicação, tradução, catálise e produção de energia dependem umas das outras, e as reconstruções do LUCA são compatíveis com uma organização celular de complexidade comparável à dos procariotos. Para explicar a origem da vida, é preciso entender como essas funções surgiram e passaram a trabalhar em conjunto antes de existir uma célula com toda essa maquinaria.

As pesquisas procuram explicar como replicação, catálise, compartimentalização e aproveitamento de energia puderam se combinar aos poucos, sem supor que todos os mecanismos das células recentes já existissem desde o início. Etapas anteriores podem ter incluído autorreplicação molecular, formação espontânea de membranas e catálise por RNA. Ainda não foi reproduzida em laboratório uma transição completa entre química prebiótica e vida celular.

miniatura|esquerda|upright=1.25|Nas células, armazenamento de informação, expressão gênica e produção de proteínas dependem de uma maquinaria molecular integrada. Um dos problemas da abiogênese é explicar como funções hoje interdependentes puderam surgir e passar a operar em conjunto.

As condições anteriores a uma célula comparável ao LUCA só podem ser reconstruídas em linhas gerais. Um planeta habitável precisa oferecer água líquida, materiais químicos disponíveis e fontes de energia livre, como luz solar e calor geotérmico. Experimentos de síntese prebiótica conseguem produzir compostos orgânicos simples e, em certas condições, oligômeros como peptídeos e cadeias de RNA. A evolução depois do LUCA é mais bem compreendida porque deixou descendentes e sinais biológicos que podem ser comparados. Já a passagem de componentes simples para um sistema com organização semelhante à do LUCA ainda está longe de ser esclarecida.

A astrobiologia procura sinais de vida fora da Terra, que permanece o único lugar onde sua existência foi confirmada. Entre os problemas estudados estão as interações químicas, as estruturas intermediárias, as fontes de energia e as condições ambientais que poderiam permitir o surgimento de sistemas macromoleculares capazes de evoluir. Outro problema é a diversidade química dos possíveis polímeros que armazenavam informação antes das moléculas usadas pelas células recentes. Esses polímeros provavelmente surgiram durante a evolução química prebiótica, e seus componentes poderiam vir de moléculas orgânicas simples, como bases nitrogenadas, aminoácidos e açúcares, formadas por rotas terrestres ou extraterrestres.

Plausibilidade prebiótica e limites experimentais

miniatura|upright=0.90|Experimentos de química prebiótica permitem testar se reações propostas para a Terra primitiva são possíveis sob condições controladas. Um resultado de laboratório, porém, não prova que as mesmas condições tenham existido na natureza.

Quando uma reação funciona em laboratório, isso mostra que a transformação química é possível nas condições testadas, mas não prova que ela tenha acontecido na Terra primitiva. Para avaliar se uma rota é plausível, também é preciso saber se os reagentes poderiam estar disponíveis e concentrados, quais fontes de energia existiam, quais eram o pH, a temperatura e o estado de oxirredução, que minerais e catalisadores estavam presentes e que reações concorrentes poderiam ocorrer. As etapas sucessivas também precisam funcionar sem depender de reagentes purificados ou de mudanças ambientais para as quais não exista um mecanismo físico plausível.

Como o registro geológico do Hadeano é incompleto e a Terra primitiva tinha ambientes muito diferentes entre si, uma condição adequada a determinada reação não precisa ter existido no planeta inteiro nem durante todo o período. Um experimento se torna mais útil como modelo de abiogênese quando suas condições podem ser relacionadas a dados geológicos independentes e quando deixa claro o que ainda falta estabelecer entre o produto obtido no laboratório e um sistema capaz de evoluir.

História da pesquisa

Muito antes da ciência moderna, já existiam tentativas de explicar o aparecimento dos seres vivos por causas naturais. Na Grécia antiga, Anaximandro relacionou o surgimento dos primeiros animais a um ambiente aquoso, enquanto Anaxágoras imaginou sementes da vida espalhadas pelo cosmos, uma ideia distante do que mais tarde seria chamado de panspermia. Essas propostas eram muito diferentes da abiogênese estudada pela ciência recente, mas já buscavam causas naturais para a origem da vida.

Geração espontânea: de Aristóteles a Pasteur

miniatura|upright=1.05|Experimento de Francesco Redi, de 1668, com carne em recipientes abertos, fechados e cobertos por gaze, usado para testar a geração espontânea.

miniatura|upright=0.85|A antiga ideia de geração espontânea admitia o aparecimento recorrente de organismos completos a partir de matéria sem vida, como nesta ilustração de 1536. Ela difere da abiogênese moderna, que investiga a origem inicial de sistemas vivos por etapas químicas.

miniatura|esquerda|upright=0.8|Os experimentos de Lazzaro Spallanzani mostraram que o crescimento de microrganismos em caldos podia ser impedido por aquecimento prolongado e vedação cuidadosa, favorecendo a explicação por contaminação em vez de geração espontânea.

miniatura|upright=1.05|Nos experimentos de Louis Pasteur, o pescoço curvo deixava o ar entrar, mas retinha poeira e microrganismos antes que alcançassem o caldo. O resultado ajudou a separar a contaminação microbiana da antiga ideia de geração espontânea.

Na biologia de Aristóteles, a geração espontânea explicava o aparecimento de certos organismos a partir de matéria não viva ou em decomposição. A ideia continuou em circulação por muitos séculos, embora seus defensores discordassem sobre como esse processo ocorreria. A partir do século XVII, observações microscópicas e experiências controladas começaram a limitar esse tipo de explicação. Robert Hooke publicou em 1665, em Micrographia, a primeira representação impressa conhecida de um microrganismo, o microfungo Mucor. Em 1668, Francesco Redi mostrou que larvas de moscas não surgiam na carne quando os insetos eram impedidos de depositar ovos nela. A partir da década de 1670, Antonie van Leeuwenhoek observou protozoários e bactérias, levando a discussão também para organismos invisíveis a olho nu.

No século XVIII, John Needham aqueceu caldos nutritivos, fechou os recipientes e interpretou o crescimento posterior de microrganismos como geração espontânea. Lazzaro Spallanzani repetiu os testes com aquecimento mais prolongado e vedação mais cuidadosa e concluiu que os resultados de Needham vinham de contaminação. A controvérsia continuou porque os críticos podiam argumentar que o excesso de aquecimento ou a falta de contato com o ar impedia a suposta geração da vida.

Enquanto esse debate seguia, a química orgânica enfraquecia a ideia de que a matéria dos organismos obedecia a princípios completamente separados do restante da química. Em 1828, Friedrich Wöhler obteve ureia pelo rearranjo de cianato de amônio. O episódio foi apresentado mais tarde como se tivesse encerrado de imediato o vitalismo, mas os químicos continuaram a discutir forças vitais durante décadas. Nas décadas seguintes, outros compostos encontrados nos seres vivos também foram produzidos em laboratório, entre eles a alanina preparada por Adolph Strecker e os açúcares formados a partir de formaldeído nos trabalhos de Aleksandr Butlerov.

Entre 1859 e 1862, Louis Pasteur colocou caldos nutritivos em frascos de pescoço de cisne. O ar entrava nos recipientes, mas a poeira e os microrganismos ficavam retidos no pescoço. O caldo permanecia estéril enquanto não tocava esse material e apresentava crescimento quando a barreira era rompida ou o líquido alcançava a poeira acumulada. Junto com os trabalhos de Redi, Spallanzani e outros pesquisadores, esses resultados afastaram a geração espontânea como explicação para o aparecimento de organismos nas condições comuns testadas em laboratório. Eles não testavam, porém, se a primeira vida poderia ter surgido por processos químicos nas condições muito diferentes da Terra primitiva.

De Pasteur a Oparin e Haldane

miniatura|upright=0.8|A hipótese da "pequena lagoa morna" de Charles Darwin antecipou a ideia de que compostos cada vez mais complexos poderiam se acumular antes de existirem organismos capazes de consumi-los.

miniatura|esquerda|upright=0.78|Thomas Henry Huxley distinguiu "biogênese", a produção de vida a partir de vida preexistente, de "abiogênese", a possibilidade de uma origem inicial a partir de matéria não viva.

miniatura|upright=0.78|Aleksandr Oparin propôs uma evolução química gradual anterior às primeiras células, com acúmulo de compostos orgânicos e formação de sistemas pré-celulares.