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Oxigênio, Água e Luz, Oh meu Deus!

por Enviado por email - qua jun 01, 9:03 am

A toxicidade das necessidades básicas da Vida

Toda criatura viva é feita de unidades maravilhosamente pequenas e complexas chamadas células. As células vistas sob o microscópio não parecem fazer muito, ainda elas são cheias de máquinas em micro escala envolvidas em reações tremendamente complexas. A maior parte dos processos da vida são tão pequenos e transparentes que nós não podemos vê-los em ação com o microscópio. Mas, a química da vida está em constante movimento nas células vivas. Livros textos de bioquímica, de nível universitário, tipicamente contém mais de mil páginas e descrevem centenas de milhares de reações complexas, que ocorrem simultaneamente dentro desses minúsculos pacotes de vida que nós chamamos células.

Apesar dessa imensa complexidade, as células vivas são feitas primariamente de quatro átomos: carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Dois desses átomos, hidrogênio e oxigênio são misturados para formar água, que é a mais abundante molécula em organismos vivos. A própria molécula de oxigênio desempenha um papel crítico na regeneração de energia na célula. Somando a isso, todas as criaturas vivas precisam de um estoque de energia. Por fim, a energia na maior parte dos ecossistemas vem da luz. Por exemplo, toda a energia do alimento que nós consumimos pode ser traçada de volta, eventualmente, para a energia da luz capturada nas células. Então, não é nenhuma surpresa que oxigênio, água e luz são muito abundantes na terra. Os organismos vivos estão continuamente expostos a estas substâncias muito importantes que a vida depende. Estudiosos da origem da vida, que tentam determinar como a vida se originou por meios naturais, devem incorporar água, oxigênio e luz dentro de suas fórmulas para o início da vida. No entanto, é bastante curioso que estas três substâncias são tóxicas à vida. De fato, as células vivas lutam diariamente, momento a momento, uma batalha contra a toxicidade do oxigênio, da água e da luz. Vamos examinar a toxicidade de cada uma dessas substâncias.

O oxigênio interage com muitos átomos e moléculas. Isso é evidente em estruturas metálicas ao nosso redor, que tende a oxidar ou enferrujar com o tempo. Se o oxigênio contido em nossa atmosfera fosse só alguns percentuais a mais dos seus atuais 21 por cento, o potencial para incêndios florestais devastadores e uma atmosfera instável explosiva aumentaria significantemente, fazendo a vida menos provável de desenvolver-se na terra. Os efeitos tóxicos de níveis elevados de oxigênio podem ser diretamente observados em pulmões estragados de pacientes humanos que receberam oxigênio por razões terapêuticas.

O oxigênio é tóxico aos organismos vivos porque quando ele interage com células vivas, as próprias moléculas do oxigênio decompõem-se em intermediários tóxicos. Esses intermediários interagem e modificam muitas moléculas essenciais na célula. Consequentemente, porque nós vivemos em um meio ambiente oxigenado, nossas células e seus conteúdos são constantemente ameaçados pelos intermediários tóxicos do oxigênio. Se essa ameaça não é continuamente neutralizada, a vida cessaria. A célula suporta essa ameaça fazendo uma variedade de enzimas tóxicas de oxigênio de ligação, incluindo um tipo maior chamado superóxido dismutase (SOD), que restringe e desativa o superóxido, a espécie tóxica dominante no oxigênio. SOD é encontrado dentro da célula, fora da célula e nas membranas da célula. As células do nosso corpo são literalmente cercadas pelo SOD. De fato, a concentração de SOD no ambiente celular pode ser cem mil vezes maior do que a concentração do tóxico superóxido.

Porque o oxigênio apareceu muito cedo no desenvolvimento da vida, o SOD ou um mecanismo de proteção similar a ele deveria ser requerido aparecer cedo também na evolução da vida. Isso é problemático por várias razões. Uma é que o SOD necessitaria especificamente restringir o superóxido, não o oxigênio. O superóxido e o oxigênio são muito similares em tamanho e formato e se o SOD reagir com o oxigênio e impedir sua entrada na célula, isso seria ameaçador a vida. As células também possuem enzimas essenciais que se especializam na ligação ao oxigênio. Fascinantemente, as enzimas que juntam o oxigênio e aquelas que restringem o superóxido são similares, no que eles usam o mesmo tipo de metais de átomos para atrair e juntar o oxigênio. Assim, parece que, muito cedo na evolução da vida, duas enzimas complexas com propriedades muito similares, mas distintas de ligação teria que aparecer simultaneamente para permitir a célula consumir o oxigênio enquanto que ao mesmo tempo protegendo as células dos efeitos tóxicos do oxigênio.

Muitos cenários da origem da vida inicialmente excluem por causa de sua reatividade e toxicidade. No entanto, o oxigênio atmosférico desempenha um papel importante filtrando muito dos raios de luz ultra violeta nocivos do sol (UV). A atmosfera dos dias presentes, que contém oxigênio, alguns raios UV alcançam a terra e são nocivos aos seres vivos. Luz UV altera o DNA nas células, causando finalmente mutações, câncer ou a morte da célula. De fato, é muito provável que danos no DNA ocorre em nossas células todas as vezes que nós somos expostos a luz do sol. É estimado que em animais de sangue quente, ocorrem mais de dez mil alterações no DNA de cada célula todos os dias. No entanto, nós raramente notamos os danos porque as nossas células possuem mecanismos elaborados de reparos de DNA, que podem reparar os danos causados pela luz UV e outros agentes. Nos humanos, mais cem genes estão envolvidos no reparo do DNA. De fato, todos os organismos, incluindo as bactérias, possuem mecanismos complexos de reparo para reparar o DNA danificados pela luz. Muitos organismos possuem até quatro tipos diferentes de mecanismos reparadores de DNA. Na bactéria existe um mecanismo de reparo de apoio chamado SOS, que é ativado  se a célula é sobrecarregada com DNA danificado. Os mecanismos de reparo são complexos e envolvem muitas partes para completar essa tarefa. Vamos considerar como o reparador dos danos da luz UV é completado.

O DNA é uma fibra de cadeia dupla como molécula. A luz UV tipicamente causa o esticamento da fita dupla, de forma anormal, em um local. Os mecanismos de reparo reconhecem o local anormal pegajoso, corta fora e sintetiza de novo o que foi perdido. Isso requer, no mínimo, uma enzima para reconhecer o local pegajoso, uma enzima para cortar e uma enzima para sintetizar de novo e colar. Em alguns organismos, uma simples enzima pode reparar os danos da luz UV, mas essa simples enzima, chamada photolyase, requer a assistência de duas moléculas cofator complexas e surpreendentemente devem ser expostas a certos cumprimentos de ondas de luz para funcionar. Nós não somente encontramos mecanismos elaborados de reparo nas células, mas em plantas, algas e algumas bactérias, existem sistemas muito complexos que interagem intencionalmente e muito especificamente com luz. Esse sistema de fotossíntese supre o carbono e o oxigênio para a maior parte de todas as coisas vivas na terra.

Um tipo de bactéria fotossintética chamada cyanobactéria no oceano seria responsável por mobilizar cerca de 50 por cento do carbono para as coisas vivas na terra. Curiosamente, a maquinaria fotossintética dessas bactérias podem sofrer queimaduras do sol; algumas proteínas são tão queimadas que elas param de funcionar. No entanto, pesquisadores descobriram um vírus no oceano que infecta essa bactéria e repara o defeito. A existência de mecanismos de reparo tão elegantes e essenciais que combate os efeitos tóxicos da luz e oxigênio, destacam o fato que os mecanismos de reparo teriam que estar cedo na terra na evolução da vida. Somando a isso, porque a fotossíntese produz o oxigênio, as células teriam que possuir mecanismos de protecção do oxigênio antes do advento da fotossíntese.

A célula não somente deve possuir mecanismos de reparo e proteção para prevenir os danos do oxigênio e da luz, a célula deve também estar projetada para encarregar-se dos efeitos prejudiciais da água. A molécula de água possui muitas características únicas e fascinantes de suporte a vida. Ainda, a água é uma força tremendamente destrutiva em um nível celular e molecular. A água é destrutiva porque pode quebrar as moléculas por um processo chamado hydrolysis. Durante a hydrolysis, a molécula de água força o caminho nos espaços entre os átomos dentro das células, quebrando ou impedindo a formação de uma estrutura molecular maior como as proteínas. De fato, a síntese das proteínas células requer a remoção da água, a reação desidratação. Como essa reação desidratação ocorre no ambiente baseado em água da célula? O interior de uma célula é espesso, com moléculas, proteínas e enzimas que auxiliam a fabricar uma proteína. Pesquisadores da origem da vida não postularam um meio ambiente similar com pouca água e um mecanismo para remover água ou suprir as enzimas catalisadoras durante a síntese da proteína em diluir o ambiente úmido na terra primitiva. De fato, esse problema os levou a concluir que proteínas e outros polímeros maiores (moléculas do tipo cadeia) foram construídos em ambientes secos como argila ou areia.

A água também destrói as células induzindo um inchaço incontrolável. Isso pode ser facilmente observado em células vermelhas de sangue colocadas na água: a célula incha, quebra e abre rapidamente. As células estouram porque a água se move livremente dentro das células pela difusão, um processo por meio do que a água procura os lugares com menos teor de água. Como notamos, dentro da célula típica, é baixo o teor de água comparado com os seus arredores. Assim, todas as células na terra encontram uma batalha contínua contra o influxo de água.

A célula possui vários mecanismos para se encarregar do influxo de água contínuo. Células de bactérias e de plantas, por exemplo, estruturas de paredes celulares rígidas que resistem ao inchaço e a ruptura da célula. Essas estruturas de parede celular podem ser totalmente elaboradas e no caso da bactéria, envolve uma intricada feita como uma colcha, uma estrutura feita de correntes de proteína e açúcar. As células dos animais não possuem paredes celulares rígidas, mas ao invés, bombeia constantemente o sódio para fora da célula para conter o movimento de água dentro da célula. A bomba é uma estrutura de proteína fascinante chamada bomba de sódio-potássio. A bomba envia três íons de sódio em troca por dois íons de potássio. A membrana da célula contém milhares dessas bombas que trabalham constantemente para manter o volume da célula contra a força arrasadora iminente da água, utilizando-se de um terço da energia encontrada nas células vivas. No entanto, a bomba é projetada para funcionar em ambiente que contém sódio e potássio em certas concentrações definidas, por exemplo, no corpo humano. Pegue uma dessas células fora desse ambiente úmido e salgado e ponha em um ambiente de água pura e a bomba não será capaz de prevenir a célula de estourar. Como pode, então, organismos unicelulares que vivem em ambientes de água doce sobreviver?

Organismos unicelulares de lagoas como o paramecium utilizam uma grande estrutura como uma bolsa chamada de vacúolo contrátil que coleta e dispensa continuamente o excesso de água. A água se move dentro do vacúolo porque o paramecium bombeia o sal ativamente dentro do vacúolo, utilizando proteínas similares ao do bombeamento do sodium-potassium. Assim, parece que a paramecia e outros organismos unicelulares de lago resistem de inchar e estourar por possuir bombas de proteínas e vacúolos contráteis.

Alguém poderia argumentar que dando tempo suficiente, esses mecanismos de proteção poderiam evoluir, mas a evolução simultânea de vários mecanismos de proteção elaborados e complexos que são requeridas para proteger as células principais necessidades básicas da vida (a saber, água, oxigênio e luz), certamente complicam o problema da origem da vida. Em outra mão, como essa observação se coaduna com as teorias da criação/design? A exigência da vida para a existência de vários mecanismos de proteção simultâneos e complexos certamente é consistente com a criação ou design na natureza que foi premeditado e construído dentro de um pequeno período de tempo. No entanto, alguém poderia perguntar porque um criador/designer usaria agentes tóxicos? A toxicidade poderia ser considerado um subproduto da reatividade química. Reatividade é requerida em um mundo onde as coisas foram projetadas para se mover e interagir. Somando a isso, até mesmo o mais benigno agente pode ser tóxico sob certas condições. Nós sabemos isso de nossa própria experiência diária. Por exemplo, muitos tipos de comidas benéficas e necessárias podem ser prejudiciais se ingeridas em quantidade excessiva. Nós também sabemos que essa toxicidade química destrutiva provê tremendos benefícios se eles são usados dentro de certos parâmetros. Por exemplo, gasolina em um motor é maravilhoso e uma tremenda tecnologia que melhora a vida; no entanto, colocada no local errado do motor, pode levar a desastre e destruição.

Concluindo, água, oxigênio e luz, três das necessidades mais básicas da vida podem ser extremamente tóxicas nas coisas vivas. Mas, os organismos vivos possuem mecanismos complexos de proteção, construídos dentro de cada célula viva, que parece ter protegido a vida desde quando ela surgiu na terra.

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*Joe W. Francis é professor de biologia no Master College onde ele ensina e supervisiona um programa de pesquisas em microbiologia, biologia dos invertebrados e imunologia celular para estudantes. Ele também serve como professor adjunto na Universidade Liberty em um programa de ensino a distância. Ele também desenvolveu e ensinou vários cursos online em ciências biológicas. Dr. Francis publicou numerosos artigos na área de imunologia celular e micobiologia teórica. Ele é membro da Associação Americana para o Avanço da Ciência e editor da Occasional Papers of the BSG. Ele também é membro do conselho da BSG (A Creation Biology Study Group – Grupo de Estudo da Biologia da Criação).

Tradução Walson Sales


Cada autor é responsável pelo conteúdo do artigo.

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