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Acredita-se que a primeira vida na Terra tenha se desenvolvido a partir de “protocélulas” – misturas líquidas de muitos tipos diferentes de moléculas. Pesquisadores da Universidade de Göttingen demonstraram agora que, nessas misturas, pequenos desequilíbrios no número de moléculas de diferentes tipos podem ter um efeito inesperado. Uma interação surpreendente com o complexo padrão de interações amplifica fortemente esses desequilíbrios – o que significa que um tipo de molécula que é apenas ligeiramente majoritária pode separar-se quase totalmente das outras. Estas descobertas fundamentais apontam para um novo mecanismo que será aplicado em muitas misturas complexas. Por exemplo, esta seria uma forma de as células controlarem a formação de estruturas ajustando a concentração de diferentes moléculas. A pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.
Quando as células vivas apareceram pela primeira vez, as estruturas formaram-se através da separação de líquidos em regiões distintas, num processo conhecido como “separação de fases”. Da mesma forma que um vinagrete (uma mistura de vinagre e óleo) se separa em gotículas se for deixado em repouso após ser agitado, a separação de fases criou estruturas na célula que evoluíram para se tornarem o que é conhecido nas células vivas hoje como “organelas sem membrana”. Os pesquisadores usaram um modelo matemático para as interações complexas entre os diversos tipos de moléculas em uma mistura. Seu modelo incorpora informações sobre a composição, ou seja, a quantidade de cada componente da mistura. Eles aplicaram as leis da termodinâmica para identificar se a mistura líquida sofrerá separação de fases e que tipo de estruturas serão formadas. No passado, devido à complexidade do problema, apenas composições uniformes podiam ser estudadas, assumindo um número igual de moléculas de cada tipo. Os investigadores da Universidade de Göttingen desenvolveram um método mais sofisticado para ter isto em conta e descobriram que pequenos desequilíbrios na composição – isto é, pequenos desvios de uma composição uniforme – podem fazer uma grande diferença através de instabilidades termodinâmicas. Isto pode levar a um pequeno número de componentes da mistura conduzindo à formação de novas fases.
“É surpreendente que mesmo pequenos desequilíbrios na composição possam ser fortemente amplificados. Para interações simples, a entropia seria maximizada pela criação de novas fases de composição semelhante. Mas aqui, mesmo que haja apenas 2% de um componente numa mistura de 100 moléculas diferentes, esse componente pode estar presente numa concentração de 70% numa gota que está a começar a separar-se”, comenta o autor principal Filipe Thewes, investigador doutorado no Instituto de Física Teórica da Universidade de Göttingen. Esta amplificação poderia fornecer um mecanismo para as células regularem a separação de fases e, assim, a formação de estruturas, simplesmente fazendo pequenas alterações na sua composição. O autor sênior, Professor Peter Sollich, também do Instituto de Física Teórica da Universidade de Göttingen, acrescenta:”Como nossa abordagem matemática pode ser aplicada geralmente a muitas situações diferentes, esses resultados oferecem um potencial interessante para aplicações em modelos relacionados. Por exemplo, este mecanismo poderia estar em trabalham em uma variedade de campos diferentes – desde células vivas até economias de mercado ou redes ecológicas com muitas espécies”.
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