A vida poderia ser baseada em silício?

Foto de Stephanie Morcinek em Unsplash

por Fazale Rana

25 de maio de 2022

“Sua pele era de um cinza oleoso e liso. Seus movimentos eram lentos, como se fosse uma criatura que se enterrava em pedra e era mais do que meia pedra. Não havia contração de músculos sob aquela pele; em vez disso, movia-se em lajes à medida que finas camadas de pedra deslizavam gordurosas umas sobre as outras. Tinha uma forma geral ovóide, arredondada em cima, achatada em baixo, com dois conjuntos de apêndices. Abaixo estavam as 'pernas', dispostas radialmente. Elas totalizavam seis e terminavam em bordas afiadas, reforçadas por depósitos de metal.”

– Isaac Asimov, “A Pedra Falante”

O “silícius” * – uma criatura feita de silício – aparece com destaque em “The Talking Stone”, um conto de ficção científica escrito por Isaac Asimov. Este conto foi publicado pela primeira vez em 1955 em The Magazine of Science and Horror. Mais tarde, apareceu na coleção de 1968 de contos de mistérios de ficção científica chamada Mistérios de Asimov. 

Segundo alguns relatos, essa história serviu de inspiração para o episódio de Star Trek (Jornada nas Estrelas) intitulado “The Devil in the Dark”, escrito por Gene L. Coon. Este episódio clássico, que foi ao ar pela primeira vez em março de 1967, apresenta um encontro entre a tripulação da Enterprise e uma forma de vida baseada em silício chamada Horta. 

Graças a essas conhecidas peças de ficção científica, muitos leigos acreditam que pode haver vida em nosso universo diferente da que conhecemos aqui na Terra – por exemplo, vida baseada em silício, em vez de carbono. 

A primeira proposta científica para a vida baseada em silício remonta a 1891 e às ideias do astrofísico alemão Julius Scheiner. Desde aquela época, os cientistas debatem as perspectivas da vida baseada em silício – com alguns abraçando sua plausibilidade e outros descartando-a. Mas, como uma equipe de astrobiólogos do MIT apontou recentemente, até o momento, ninguém avaliou de forma sistemática e abrangente a capacidade do silício de sustentar a vida tanto em um ambiente terrestre quanto em ambientes não terrestres plausíveis. Eles abordam esse problema em um artigo de revisão de 2020, publicado na revista Life, no qual apresentam uma avaliação detalhada da capacidade do silício de suporte à vida [1].

Este trabalho tem implicações óbvias para a astrobiologia e os modelos de origem da vida. Mas as implicações vão além da ciência. A pesquisa também destaca o design do universo, nosso sistema solar e dos sistemas bioquímicos que constituem a vida. 

Requisitos da vida

Antes que seja possível avaliar a utilidade do silício como estrutura química para a vida, é necessário identificar os requisitos químicos gerais para a vida. A equipe do MIT observa que qualquer elemento químico de suporte à vida deve apresentar diversidade química suficiente. Essa diversidade química é necessária para produzir a complexidade química necessária para gerar a coleção diversificada de estruturas moleculares e operações químicas necessárias para originar e sustentar sistemas vivos. 

Existem duas facetas para essa diversidade: a capacidade de um átomo de produzir moléculas com uma variedade de formas e a capacidade do átomo de formar compostos com uma gama de diversidade funcional. Ambas as características são ilustradas por compostos à base de carbono (orgânicos). 

• Os átomos de carbono formam quatro ligações covalentes. Essa capacidade de ligação pode ser expressa como (1) quatro ligações simples, (2) uma ligação dupla e duas ligações simples, ou (3) uma ligação tripla e uma ligação simples. Cada uma dessas configurações de ligação produz geometrias distintas: tetraédrica, trigonal planar e linear, respectivamente. Sob condições específicas, os átomos de carbono também podem formar um tipo especial de arranjo de ligação chamado ligação aromática. 
• As ligações entre átomos de carbono e ligações carbono-hidrogênio são altamente estáveis. Como consequência, o carbono pode formar compostos com longas cadeias carbono-carbono. Essas cadeias podem ser lineares ou ramificadas. O carbono também pode formar compostos com ligações carbono-carbono que formam anéis. Esses compostos podem consistir em anéis simples e anéis fundidos.

Coletivamente, essas propriedades tornam o carbono (e o hidrogênio) um átomo ideal para servir como andaime molecular que pode resultar em uma ampla variedade de formas e tamanhos moleculares.

• O carbono também pode formar ligações estáveis com átomos como oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo. Esses chamados heteroátomos podem se ligar a átomos de carbono de várias maneiras para produzir uma ampla gama de grupos que conferem uma diversidade de funções aos compostos contendo carbono.
• O carbono forma compostos que tanto podem ser solúveis ou insolúveis em água. Esses dois perfis de solubilidade são necessários para sustentar os sistemas vivos. Os compostos solúveis em água se dissolvem na água e estão prontamente disponíveis para participar das reações químicas necessárias para sustentar os sistemas vivos. Os compostos insolúveis em água podem agregar-se em meio aquoso, resultando em complexos moleculares que formam a base das estruturas celulares. A insolubilidade em água de alguns compostos de carbono também resulta em um fenômeno conhecido como efeito hidrofóbico, que leva à formação de membranas celulares, impulsiona a formação da dupla hélice de DNA e faz com que as proteínas se dobrem e interajam com outras proteínas para formar complexos proteicos e estruturas supramoleculares.

Essa discussão sobre as diversas características do carbono leva à pergunta: existem outros átomos que apresentam diversidade química no mesmo nível do carbono que poderiam servir como base molecular para a vida?

Química do Silício

Com base em sua posição na tabela periódica, à primeira vista, espera-se que o silício tenha a melhor chance de rivalizar com o carbono como sistema de suporte à vida. O silício tem uma química semelhante ao carbono. Tem uma valência de quatro e forma ligações Si-Si e Si-H. Também forma ligações com heteroátomos, como o oxigênio. 

Mas não se engane, a química do silício se assemelha apenas superficialmente à química do carbono. Em muitos aspectos, o silício apresenta uma química fundamentalmente distinta do carbono. Essa diferença, explicarei, mina a capacidade do silício de sustentar a vida, pelo menos em um ambiente aquoso. 

Como afirmam os autores do artigo da Life, “Silício e carbono são 'falsos gêmeos'. Suas semelhanças são superficiais e insuficientes para mitigar suas diferenças cruciais. A química estável e normal para o carbono é instável e exótica para o silício e, da mesma forma, a química instável e impossível para o carbono é estável e rotineira para o silício. As características químicas distintas e a reatividade do silício o tornam uma escolha desafiadora para a vida. [2]”

Algumas das razões para a diferença na capacidade de suporte de vida entre carbono e silício são:

• O silício tem um raio atômico muito maior que o carbono. Essa diferença afeta os ângulos de ligação, comprimentos de ligação e força de ligação quando o silício forma compostos covalentes. Por exemplo, as ligações Si-Si são muito mais longas e mais fracas do que as ligações CC, novamente por causa da diferença nos raios atômicos desses dois átomos. O mesmo vale para as ligações Si-H. As ligações mais fracas tornam as ligações Si-Si e Si-H muito mais reativas quimicamente do que as ligações CC e CH correspondentes.
• Ao contrário do carbono, o silício geralmente não forma ligações duplas e triplas, limitando sua diversidade química. 
• Ao contrário do carbono, a configuração eletrônica do átomo de silício produz orbitais 3d de baixa energia e não preenchidos. Esses orbitais não preenchidos permitem que a valência do silício se estenda além de quatro, levando a compostos nos quais o silício forma cinco ou seis ligações. Embora esse recurso expanda a diversidade química dos compostos contendo silício, também torna o átomo de Si altamente reativo quimicamente, resultando em uma ligação Si-Si relativamente instável em comparação com a ligação CC. 
• As propriedades termodinâmicas também distinguem compostos à base de carbono e à base de silício. Os compostos à base de silício têm um calor de formação muito maior do que os compostos orgânicos. Essa propriedade torna muito mais difícil a formação de compostos à base de silício do que os compostos à base de carbono. Também torna os compostos à base de silício menos estáveis e muito mais reativos quimicamente.
• O silício é mais eletropositivo que o carbono. Essa propriedade afeta a estabilidade das ligações químicas que o silício forma com os heteroátomos. Como os átomos de silício não mantêm os elétrons tão firmemente quanto os átomos de carbono, as ligações que o silício forma com os heteroátomos são mais polarizadas, menos estáveis e mais reativas do que as ligações correspondentes que o carbono forma com os heteroátomos.
• O silício reage agressivamente com o oxigênio. De fato, a propensão natural do silício é formar ligações Si-O na presença de oxigênio ou compostos contendo oxigênio. Em contraste, a propensão do carbono é formar ligações CC. Essa diferença significa que, na presença de oxigênio, os compostos à base de silício terão uma tendência a reagir com o oxigênio, formando dióxido de silício.

Efeitos solventes

Até este ponto, a análise da adequação do silício como elemento de suporte à vida assume a água como matriz da vida. Isso é por uma boa razão. Seria difícil argumentar que qualquer outro solvente poderia substituir a água neste papel vital. Com essa ressalva em mente, ainda podemos perguntar: E quanto a outros possíveis solventes? Os pesquisadores do MIT também investigaram essa possibilidade para o silício.

Eles concluem que os mesmos desafios químicos enfrentados pela vida “à base de silício” em um ambiente aquoso também existiriam para solventes como amônia. Eles também concluem que solventes apróticos (incapazes de atuar como doadores de prótons), como metano e etano, seriam inadequados para a vida à base de carbono e à vida hipotética à base de silício devido à baixa solubilidade de materiais à base de carbono e à base de silício.

Como concluem os autores do artigo da Life, “a vida baseada em silício que usa Si exclusivamente como elemento de andaime é frequentemente retratada na ficção científica. (...) No entanto, a vida baseada em silício que usa Si exclusivamente como elemento de andaime é quase certamente impossível. [3]”

Implicações científicas e teológicas

A percepção dos pesquisadores do MIT sobre a capacidade de suporte de vida do silício tem amplas implicações científicas e teológicas que se entrelaçam.

O reconhecimento de que: (1) o silício não pode formar o andaime da vida, e (2) os solventes apróticos, como metano e etano, não têm solubilidade para servir como uma matriz adequada para sistemas vivos, é um golpe para a visão de que a vida pode ter se originado e atualmente existe em locais “extremos” e “exóticos”, seja na Terra ou em outros locais além da Terra. Em outras palavras, se os insights doscientistas do MIT são levados a sério, então as tentativas de responder à questão da origem da vida e a pesquisa em astrobiologia devem ser restritas à vida baseada em carbono existente em ambientes aquosos.

Essa descoberta também ajuda a abordar uma objeção comum levantada quando os proponentes do design apresentam as implicações teístas do princípio antrópico cosmológico e a hipótese da Terra rara. 

O princípio antrópico cosmológico refere-se à descoberta de que os valores numéricos associados às constantes fundamentais da física (quantidades que definem o universo) devem assumir valores precisos e exatos para que a vida exista no universo. Se qualquer uma dessas quantidades numéricas se desviar ligeiramente (em alguns casos imperceptivelmente) de seus valores atuais, o universo seria inadequado para abrigar vida.

A hipótese da Terra rara refere-se ao grande número de características exatas da Terra, do Sol, do sistema solar, da Via Láctea, etc., que parece ser necessário para a existência de vida na Terra. Se alguma dessas características diferir, a Terra se tornaria inóspita para a vida. A probabilidade de um planeta como a Terra existir no universo é extremamente remota. Na verdade, por todos os direitos, um planeta como a Terra deveria ser raro, se não inexistente, em nosso universo.

Uma interpretação do princípio antrópico cosmológico e da hipótese da Terra rara é que o universo e a Terra foram intencionalmente projetados para abrigar vida. Dito de outra forma: o universo mostra uma adequação ao propósito e esse propósito parece centrar-se no advento da vida.

Uma resposta ao nível dos céticos a esta afirmação é mais ou menos assim: “Esta conclusão assume a vida como a conhecemos. E a vida como não a conhecemos?”

De fato, o ajuste fino das constantes da física e as condições corretas da zona habitável da Terra  pressupõem que a vida baseada em carbono resida em uma matriz aquosa. É razoável pensar que se a vida existe “como não a conhecemos”, talvez o conjunto de constantes físicas que definem o universo não precisasse ser tão exato. Ou poderiam existir conjuntos alternativos de constantes físicas que suportassem “a vida como não a conhecemos”. Também é possível que um conjunto diferente de condições corretas na Terra ou em outro corpo astronômico possa sustentar formas alternativas de vida.

No entanto, como demonstramos, a melhor chance para a “vida como não a conhecemos” é a vida baseada em silício. E, com base na análise dos pesquisadores do MIT, a vida não pode ser baseada em silício. Deve ser construída em torno de carbono e deve residir em um ambiente aquoso. Esse reconhecimento reforça as implicações teístas do princípio antrópico e da hipótese da Terra rara.

Esse entendimento também destaca um conjunto de coincidências antrópicas associadas ao carbono. As propriedades deste elemento são prescritas pelas constantes físicas exatas do universo. E as propriedades do carbono são precisamente aquelas necessárias para que a vida seja possível no universo. As propriedades do carbono também são únicas. Esse conjunto de circunstâncias é um pouco estranho e sugere uma teleologia subjacente ao universo que aponta para seu propósito – ou seja, o advento da vida.

É duplamente assustador reconhecer que, além do hidrogênio e do hélio, o carbono é um dos elementos mais abundantes no universo (junto com oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo). E o processo triplo-alfa que produz carbono na fornalha nuclear das estrelas requer um ajuste fino da ressonância entre os níveis de energia nuclear de berílio, carbono e oxigênio, juntamente com o ajuste fino de outras constantes físicas, como a taxa de decaimento dos núcleos de berílio, uma vez que se forma a partir da colisão de dois núcleos de hélio.

Em suma, a ficção que permeia nossa cultura sobre as perspectivas da vida baseada em silício – quando cuidadosamente considerada – nos leva a uma realidade notável: uma mente deve ser responsável pelo design do universo. Esta Mente tem um propósito para o universo – o advento da vida.

Recursos

•  Adequado para um propósito: o princípio antrópico inclui a bioquímica? Por Fazale Rana (livro)
•  “Taxa de hipernova ajustada e vida baseada em silício”, em  Stars, Cells, and God  (podcast) 
•  “Estranhos Novos Mundos: Vida Baseada em Silício, Arsênico?” por Fazale Rana (artigo)
•  “Vida estranha: a vida poderia ser baseada em silício?” por John Millam e Ken Klos (artigo)

Notas de fim

1. Janusz Jurand Petkowski, William Bains e Sarah Seager, “Sobre o potencial do silício como alicerce para a vida”,  Life 10, no. 6 (10 de junho de 2020), 84, doi: 10.3390/vida10060084.
2. Petkowski, Bains e Seager, “Sobre o potencial do silício”.
3. Petkowski, Bains e Seager.

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Readuzido de Could Life Be Silicon-Based?

Notas da tradução/revisão:

* A palavra original é silicony. A versão que coloco aqui é uma tradução livre minha.

Texto traduzido pelo Google Tradutor e revisado por mim.

Etiquetas:

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