O que é vida? Como a física pode contribuir para essa questão?

O que é a vida? Poucas questões são tão intrigantes e simples de serem formuladas como esta. Ainda que do ponto de vista prático possa parecer fácil:

Um cachorro é vida? Sim.

Uma cadeira é vida? Não.

Do ponto de vista das definições formais não há uma resposta simples. A própria linguagem utilizada por pesquisadores em diferentes áreas para caracterizar a vida pode ser  bastante diferente. Em biologia costumamos falar de homeostase, células, metabolismo, resposta a estímulos, reprodução, evolução. Em física falamos em sistema fora do equilíbrio, entropia, calor, dissipação, autorreplicação, auto-organização.

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Sky and Water I (Céu e Água I). Xilogravura do artista holandês M. C. Escher, impressa pela primeira vez em junho de 1938.

Em 1944, um dos físicos mais famosos do século passado, Erwin Schrödinger, publicou um livro fantástico sobre o que é vida do ponto de vista da física [1]. Nele Schrödinger usou a ideia de entropia negativa, e desde então, costuma-se pensar em vida como uma diminuição da desordem local (entropia negativa) aumentando a desordem global (entropia positiva). Neste contexto, o atual sonho de muita gente na física é uma generalização da mecânica estatística desenvolvida por Boltzmann (que utiliza conceitos microscópicos, para explicar propriedades macroscópicas como pressão e volume de gases) que fosse capaz de utilizar este conceito. Esta generalização descreveria sistemas que estão fora do equilíbrio termodinâmico, dentre eles células, cérebros e a própria vida.

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Livro do Schrödinger [1]

Recentemente um jovem professor do MIT,  Jeremy England, desenvolveu uma formulação matemática baseada num teorema bem estabelecido da mecânica estatística fora do equilíbrio (teorema da flutuação de Crooks) para explicar o aumento da organização local em certos sistemas. England mostrou que um grupo de átomos dirigido por uma fonte externa de energia (como o sol ou combustível químico) imersa em um banho térmico (como o oceano ou a atmosfera), vai gradualmente se estruturar de maneira a dissipar cada vez mais energia. Este aumento gradual na organização local vem sendo chamado de adaptação dirigida por dissipação, e não seria uma mera coincidência, mas a trajetória fisicamente mais provável para um sistema vivo.

Sua teoria tem bases matemáticas firmes, mas as interpretações do quanto seus modelos podem ser comparados com a vida real ainda são especulativas. Em todo caso, suas ideias são suficientemente interessantes e inovadoras para prender nossa atenção. England sugere que, além de entropia negativa, para que os organismos vivos sejam complexos como são é necessário que os estados de maior organização sejam razoavelmente estáveis.

Assim poderíamos falar em adaptação num sentido mais amplo do que o de Darwin.  Não só em termos de algo ser mais adaptado do que seus ancestrais para sobreviver, mas ser mais adaptado do que as configurações anteriores que assumiu. E para isso poderíamos pensar, por exemplo, nas configurações espaciais de átomos formando moléculas e proteínas. Uma definição de adaptação seguindo essa linha poderia ser que uma entidade bem adaptada absorve energia do meio ao redor de maneira mais eficiente do que outras (ou do que ela mesma no passado).

Um professor da Universidade de Oxford, Ard Louis, sugeriu  que se England estiver correto talvez passemos a dizer algo como: a razão pela qual um organismo possui características X e não Y pode não ser porque X é mais apto que Y, mas sim porque as restrições físicas do sistema permitiram que X evoluísse mais que Y.

Forma e funcionalidade.

A relação entre forma e funcionalidade é a ideia de que certas estruturas biológicas são exatamente como são porque sua forma está relacionada com sua utilidade ou funcionalidade. Guiados por essa ideia, muitos cientistas procuram entender a funcionalidade (ou a vantagem evolutiva) de certas estruturas que aparecem mais do que outras (ou mais do que deveríamos esperar apenas ao acaso).

Por exemplo, certas proteínas podem ser encontradas em mais de uma configuração espacial (mas não em todas as configurações possíveis) e cada configuração tem uma função diferente. Outro exemplo, tanto no cérebro de primatas como em um animal simples como um verme (C. Elegans), a probabilidade de achar grupos de três neurônios conectados de uma maneira específica é maior do que a probabilidade de encontrar a mesma configuração se as conexões entre os neurônios ocorressem ao acaso. Ou ainda, se pegarmos todos os átomos de uma bactéria, separarmos numa caixa e a sacudirmos, a probabilidade de ao acaso eles se reorganizarem na configuração de algo que se pareça com uma bactéria é mínima.

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Figura 3.
A) Uma rede quadrada de tamanho 15×15 com 25 partículas distinguíveis (cada uma tem uma cor diferente e poderia representar uma mólecula orgânica) que podem estar em um dos dois estados: borda preenchida ou tracejada. B) Dois exemplos de configurações mais complexas desejadas (que poderiam representar duas configurações possíveis de uma mesma proteína). C) Em cada passo de tempo uma partícula aleatória é sorteada e pode se mover em uma das quatros direções. Se a energia da nova configuração for menor que a da primeira o movimento ocorre com probabilidade 1; se for maior, existe uma probabilidade menor que 1 da partícula se mover. Em seguida uma nova partícula é sorteada e seu estado pode ser alterado pela mesma regra de probabilidade. Adaptada da referência [2].

Portanto, um dos ingredientes mais simples para a existência de vida deveria ser uma maior probabilidade de encontrar certas configurações específicas do que outras. Ou seja, a entropia local diminui e as configurações são estáveis o suficiente para continuarem existindo na natureza. Recentemente mais um trabalho do grupo do England foi publicado levando em conta essas ideias [2]. A pesquisadora Gili Bisker é a primeira autora do artigo que simula um modelo simples de partículas interagentes em uma rede quadrada. As partículas podem se mover no espaço e mudar seu estado interno. Assim como diversas proteínas, as partículas podem formar diversas estruturas diferentes utilizando os mesmos componentes básicos (veja Figura 3).

Bisker e England mostraram que a existência de um forçamento local (que favorece certos estados internos das partículas dependendo do estado das suas vizinhas – veja Figura 4) diminui o tempo necessário para atingir certas configurações “desejadas” e aumenta a estabilidade dessas configurações uma vez formadas. Eles mostraram ainda que a distribuição de probabilidade de atingir cada configuração é diferente daquela esperada pela distribuição de Boltzmann. Sem esse forçamento local, a probabilidade de que as configurações desejadas ocorra é baixa. E o aumento do forçamento aumenta a eficiência da auto-organização estrutural.

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Figura 4. O forçamento local foi incluído como um termo extra aumentando ou  diminuindo a energia do estado final apenas para a mudança de estado interno e não para o movimento.  Com isso a probabilidade de em um passo de tempo o sistema mudar entre uma das quatro configurações acima, que inicialmente era igual, com o forçamento ficou mais fácil ir de D para A, do que de A para D. Essa pequena mudança, bastante razoável do ponto de vista biológico, da partícula ser influenciada pelos vizinhos, torna muito mais provável a formação (e aumenta a estabilidade) das configurações desejadas (mostradas na Figura 1B). Adaptada da Referência [2].

O modelo computacional ainda é bem mais simples que sistemas biológicos reais, e o grupo pretende usar as simulações para ajudar a propor experimentos onde possam testar suas ideias. Mas, por enquanto, esse resultado nos deixa com a sensação de que a matéria inanimada, na presença de um forçamento simples, pode assumir características de auto-estruturação que “parecem vida”. Mais que isso, nos deixa com a impressão de estarmos (um pouco) mais perto de uma teoria da física capaz de explicar os eventos que ocorrem (no tempo e no espaço) dentro de uma célula, como propôs Schrodinger já na primeira página do seu livro em 1944 [1].

Referências:

[1] Erwin Schrödinger. What Is Life? the physical aspect of the living cell and mind. Cambridge University Press, Cambridge, 1944.

[2] Gili Bisker e Jeremy L. England. Nonequilibrium associative retrieval of multiple stored self-assembly targets. Proceedings of the National Academy of Sciences 115.45 (2018): E10531-E10538.

[3] Natalie Wolchover. A New Physics Theory of Life. Scientific American (2014).

[4] Natalie Wolchover. First Support for a Physics Theory of Life. Quanta Magazine (2017).

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