A Arquitetura da Vida

Tabela de Links

Resumo e Introdução

Parte I. Uma Definição de Vida

Parte II. O primeiro Milagre: O surgimento da vida é uma transição de fase esperada – TAP e RAF.

Parte III. O Segundo Milagre: A evolução da biosfera é uma construção propagadora, não dedutível, não uma dedução implicada. Não há Lei. A evolução é sempre criativa

Parte IV. Novas observações e experimentos: Existe vida no cosmos?

Conclusão e Agradecimentos

Figuras e Referências

Parte I. Uma Definição de Vida

Não temos uma definição acordada de vida. Aqui construímos em direção ao seguinte: A vida é um sistema de reação química não-equilibrado e auto-reprodutor que alcança: i. Autocatálise coletiva, ii. Fechamento de Restrição, iii. Fechamento Espacial; iv. como tal, entidades vivas são Totalidades Kantianas. Explicamos esses conceitos abaixo.

Conjuntos autocatalíticos coletivos

Um conjunto coletivamente autocatalítico, CAS, é um sistema de reação química aberto alimentado com blocos de construção moleculares e energéticos exógenos, tendo a propriedade de que uma última etapa de reação química formando cada molécula no conjunto é catalisada por pelo menos uma molécula no conjunto ou por uma molécula no conjunto de alimentos. A Figura 1a mostra um exemplo simples, (2). A Figura 1b mostra um exemplo mais complexo (3).

O conceito de que a vida deve ser baseada em polinucleotídeos replicantes de moldes tem dominado o campo da origem da vida por cerca de 50 anos, (4,5). No entanto, a replicação de um “gene de RNA replicante nu” ainda não foi alcançada, (6). No entanto, esse objetivo pode ser alcançado.

O conceito familiar de uma sequência de RNA fita dupla de replicação de molde é um exemplo específico de um conjunto autocatalítico coletivo. Cada fita é um catalisador de molde para a síntese da outra fita. No entanto, o conceito de autocatálise coletiva é muito mais amplo.

Em nítido contraste com as esperanças de uma sequência de RNA replicante, conjuntos coletivamente autocatalíticos de DNA, de RNA e de peptídeos foram construídos. O primeiro, um conjunto coletivamente autocatalítico de DNA, foi construído por G. von Kiedrowski, (7). Um conjunto coletivamente autocatalítico de RNA foi alcançado por N. Lehman e colegas, (8). Este conjunto se auto-organiza espontaneamente, dados seus blocos de construção. Um conjunto coletivamente autocatalítico de nove peptídeos construído por G. Ashkenasy, (9), é mostrado na Figura 2. Conjuntos autocatalíticos de lipídios também foram considerados, (10).

Esses resultados são de fundamental importância. A criação de sistemas de reação química abertos auto-reprodutivos é alcançada.

Evidências impressionantes agora demonstram a presença de pequenos conjuntos autocatalíticos coletivos de moléculas que não contêm DNA, RNA ou polímeros peptídicos, em todos os 6700 procariotos, Figura 3, (11,12). Esses pequenos conjuntos auto-reprodutores de moléculas contêm de centenas a vários milhares de pequenas moléculas e reações entre elas. Esses conjuntos autocatalíticos sintetizam vários aminoácidos e ATP. Os conjuntos são identificados computacionalmente. Resta mostrar que eles se reproduzem in vitro.

A presença de pequenos conjuntos autocatalíticos coletivos de moléculas em todos os 6700 procariontes sugere fortemente que os primeiros sistemas químicos capazes de auto-reprodução no universo eram precisamente tais conjuntos. Mostramos abaixo que o surgimento de tais conjuntos é esperado.

A identificação de conjuntos autocatalíticos de pequenas moléculas está relacionada ao debate em andamento sobre a necessidade de polinucleotídeos replicadores de molde na origem da vida. Tal “gene de RNA nu” teria que evoluir sequências de RNA para catalisar um metabolismo conectado para criar e sustentar seus próprios blocos de construção. No entanto, não há razão alguma para que tal metabolismo conectado por si só também seja coletivamente autocatalítico. Esta consideração aumenta a confiança de que a origem da reprodução molecular foi por meio do surgimento de conjuntos autocatalíticos coletivos de pequenas moléculas.

Vida: totalidades kantianas, fechamento catalítico, fechamento por restrição, fechamento espacial

Todos Kantianos

Na década de 1790, o filósofo Immanuel Kant introduziu um conceito fundamental: Um ser organizado tem a propriedade de que as Partes existem para e por meio do Todo, (13). A percepção de Kant ficou adormecida por 230 anos. Todos os seres vivos são Todos Kantianos que existem para e por meio de suas Partes. Você é um Todo Kantiano. Você existe por meio de suas Partes – coração, fígado, rins, pulmões, cérebro. Suas Partes existem por meio de você, o Todo. Você se reproduz, e seus filhos herdam suas Partes.

Todos os organismos vivos são Todos Kantianos. Isso inclui a classe duvidosa de vírus. Dentro do ambiente da célula, os vírus são Todos Kantianos que se reproduzem. As Partes do vírus, no contexto da célula, criam múltiplas cópias das Partes do vírus que se automontam no Todo do vírus maduro. É interessante que uma definição de vida incluindo a de um Todo Kantiano classifique os vírus como vivos.

Os Kantian Wholes são uma classe especial de sistemas físicos dinâmicos. Um cristal não é um Kantian Whole. Os átomos do cristal podem existir sem serem partes do cristal. Um tijolo não é um Kantian Whole. Uma célula é um Kantian Whole.

Fechamento Catalítico

Um conjunto coletivamente autocatalítico, como o conjunto de 9 peptídeos na Figura 2, atinge o Fechamento Catalítico. Cada reação no sistema é catalisada por pelo menos uma molécula no sistema. Todas as células vivas atingem o fechamento catalítico. Nenhuma molécula em uma célula viva catalisa sua própria formação. O conjunto de moléculas em uma célula viva, um Todo, atinge o fechamento catalítico conforme a célula se reproduz, (14,15,16).

Sistemas que alcançam fechamento catalítico também são Kantian Wholes. Cada um dos peptídeos no conjunto autocatalítico coletivo de 9 peptídeos na Figura 2 é uma Parte que existe para e por meio do conjunto Whole de nove peptídeos cuja catálise mútua permite que todas as Partes existam.

Fechamento de Restrição

Células vivas, incluindo um pequeno conjunto autocatalítico de moléculas coletivamente do tipo encontrado em todos os 6700 procariontes, alcançam uma propriedade recentemente reconhecida e profunda: Fechamento por Restrição, (17). O trabalho termodinâmico é a liberação restrita de energia em alguns graus de liberdade, (18). Um exemplo é um canhão com pólvora em sua base e uma bala de canhão aninhada ao lado da pólvora. Quando a energia explode, o canhão, que é tanto uma condição de contorno quanto uma restrição, restringe a liberação de energia para explodir a bala de canhão pelo cano do canhão. O trabalho termodinâmico é feito na bala de canhão. Portanto, na ausência de restrições na liberação de energia em um processo de não equilíbrio, nenhum trabalho termodinâmico pode ser feito, (19).

Newton não nos diz de onde vêm as condições de contorno. O canhão no exemplo é a condição de contorno. Mas de onde veio o canhão? A resposta crítica é que trabalho termodinâmico foi necessário para montar o canhão. Podemos concluir: Sem constantes, sem trabalho. Mas frequentemente é preciso trabalho para construir a restrição relevante. Portanto: Sem restrições, sem trabalho. Sem trabalho, sem restrições. Este ciclo Trabalho-Restrição é uma nova questão, (19).

Maël Montévil e Matteo Mossio em 2015 definiram pela primeira vez o Constraint Closure, (17):

Considere um sistema com três processos fora do equilíbrio, 1, 2 e 3. Considere três restrições, A, B e C. Deixe A restringir a liberação de energia no processo 1 para construir um B. Deixe B restringir a liberação de energia no processo 2 para construir um C. Deixe C restringir a liberação de energia no processo 3 para construir um A (veja Figuras 1a, 1b e 2).

O sistema acima alcança uma propriedade notável: Fechamento de Restrição. O conjunto de restrições, aqui A, B e C, restringe a liberação de energia de um conjunto de processos, aqui 1, 2 e 3, nos poucos graus de liberdade que, portanto, fazem trabalho termodinâmico e constroem o mesmo conjunto de restrições, A, B e C! Este sistema literalmente faz o trabalho termodinâmico para se construir construindo suas próprias restrições de condição de contorno na liberação de energia que constroem as mesmas condições de contorno.

O fechamento de restrição é um conceito inteiramente novo. Nós construímos nossos automóveis. Um automóvel é um arranjo elaborado de peças que restringem a liberação de energia de peças que impactam outras peças. O gás explode, os pistões se movem, as rodas giram. Mas os automóveis não constroem suas próprias restrições de condição de contorno na liberação de energia.

Todos os sistemas de reação molecular coletivamente autocatalíticos alcançam tanto o fechamento catalítico quanto o fechamento por restrição. Todos são Kantian Wholes. Por exemplo, no conjunto de 9 peptídeos coletivamente autocatalíticos na figura 2, cada peptídeo atua como uma ligase ligando os dois fragmentos do próximo peptídeo. Ao orientar os dois fragmentos, o peptídeo como uma ligase reduz a barreira de ativação para a ligação dos dois fragmentos para fazer uma segunda cópia do próximo peptídeo. O trabalho termodinâmico é feito para construir o próximo peptídeo à medida que uma ligação peptídica é formada. Como isso é verdade para todas as reações neste sistema de peptídeos coletivamente autocatalíticos, o sistema – como um Todo – alcança tanto o Fechamento Catalítico quanto o Fechamento por Restrição. O sistema se constrói. E o sistema também é um Todo Kantiano.

É da mais profunda importância que todas as células vivas alcancem o fechamento de restrição. As células constroem as próprias condições de contorno na liberação de energia que constrói as próprias condições de contorno. As células se constroem. Computadores e locomotivas não se constroem.

Células reprodutoras não são fundamentalmente os autômatos autorreprodutores de von Neumann, (20). Eles são baseados em um “Construtor Universal”. Para construir algo específico, o Construtor Universal requer “Instruções” específicas. Elas são codificadas em um sistema físico colocado dentro do Construtor Universal. As instruções fisicamente incorporadas desempenham papéis duplos: Elas são usadas para construir uma cópia do Construtor Universal na qual uma cópia física das Instruções físicas é construída e então inserida. Os papéis duplos das Instruções físicas constituem precisamente a distinção entre software e hardware. Em contraste mais nítido, uma célula viva, via fechamento catalítico e de restrição, constrói-se especificamente. Uma célula não é um construtor universal que requer Instruções separadas. O conjunto de 9 peptídeos autorreprodutores na figura 2 não tem “Instruções” separáveis que codifiquem sua formação. Os conceitos de software e hardware aqui são nulos.

Paul Davies, (21), aponta que, no contexto de uma célula viva, os genes, juntamente com o aparato de transcrição e tradução, são, de fato, um construtor universal para todos os polipeptídeos codificados possíveis. Os genes podem ser considerados um conjunto de instruções. No entanto, a célula viva na qual os genes estão localizados não é, em si mesma, um construtor universal. Ela se constrói especificamente. Se cada um de seus vários milhares de genes fosse substituído por uma sequência aleatória de DNA que codifica algum polipeptídeo aleatório, a célula que sintetiza essas novas proteínas quase certamente pereceria.

Os organismos vivos evoluíram para formar Kantian Wholes aninhados. Um procarioto é um Kantian Whole de primeira ordem. Uma célula eucariótica, um simbionte com mitocôndrias e cloroplastos, (22, 23), é um Kantian Whole de segunda ordem contendo Kantian Wholes de primeira ordem. Um organismo multicelular é um Kantian Whole de terceira ordem contendo Kantian Wholes de segunda e primeira ordem.