Química Proporcionalmente Perfeita para a Vida
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Oxigênio(O2)
Todos os organismos precisam de energia para crescimento e manutenção. Animais que respiram ar, particularmente aqueles que são grandes e de sangue quente, têm demandas metabólicas relativamente altas que requerem grandes quantidades de oxigênio. O oxigênio (Figura 1) tem a maior atração para os elétrons, ou eletronegatividade, de todos os elementos, exceto o flúor. Isso torna o oxigênio especialmente adequado como o aceptor final de elétrons na cadeia de transporte de elétrons da mitocôndria, uma organela subcelular conhecida como a produtora primária de energia da célula. Quando o oxigênio se combina com outro elemento, conhecido como oxidação, libera-se mais energia do que com qualquer outro elemento, exceto o flúor. Na célula, a energia liberada é lenta e controlada. O processo de oxidação envolve a remoção de elétrons de compostos de carbono reduzidos. Em última análise, esses elétrons são combinados com o oxigênio para formar água. Porém, antes de serem passados para o oxigênio, eles são usados para fazer trabalho eletroquímico, que permite à célula produzir energia química na forma de ATP. Quanto mais reduzido for um composto de carbono, maior será a energia obtida por meio de sua oxidação. Assim, a água e o CO2 são o produto da oxidação completa dos compostos reduzidos de carbono. Os ácidos graxos são as moléculas mais reduzidas do corpo e, quando oxidadas, a água “metabólica” produzida, pode servir como fonte primária de água para muitos organismos que vivem em regiões áridas. Os carboidratos (açúcares) já possuem oxigênio ligado aos carbonos e, portanto, são parcialmente oxidados, mas ainda há energia potencial suficiente neles para torná-los excelentes reservatórios de energia potencial para a célula.
A alta afinidade do oxigênio pelos elétrons torna o oxigênio um oxidante forte e, portanto, bastante reativo. No entanto, o gás oxigênio na atmosfera está presente como uma molécula diatômica, O2, tornando-o menos reativo à temperatura ambiente. As células possuem várias enzimas que empregam metais de transição, como ferro e cobre, usados para ativar o oxigênio, tornando-o mais reativo. Nossa atmosfera contém aproximadamente 21% de oxigênio. Estima-se que, se contivesse 25%, os compostos entrariam em combustão com muita facilidade e os incêndios florestais iriam ficar fora de controle; e as moléculas dos nossos tecidos, também seriam oxidadas muito rapidamente.
A demanda metabólica por quantidades adequadas de oxigênio por animais de sangue quente, é bastante alta. Altas taxas metabólicas exigem que haja um sistema eficiente de transporte e fornecimento, que possa fornecer as quantidades necessárias de oxigênio. O sangue é principalmente plasma aquoso, e todas as células do corpo são banhadas por um fluido intersticial aquoso. A quantidade de gás dissolvido na água, em parte, depende de sua constante de solubilidade, da pressão parcial do gás no ar com o qual a água está em contato, e da temperatura da água. Em comparação com o CO2, a solubilidade do O2 é bastante baixa (~3 mL O2/L de plasma a 37°C), portanto, em humanos com ~5L de sangue haveria apenas cerca de 15 mL de O2. Em repouso, as células consomem cerca de 250 mL de O2/min, e isso pode aumentar até 25 vezes durante o exercício. Portanto, não é possível dissolver O2 no plasma, para atender às demandas metabólicas de organismos grandes de sangue quente. O Criador, no entanto, projetou uma proteína, a hemoglobina, (Figura 2) que pode ligar o oxigênio reversivelmente e, assim, aumentar a capacidade de transporte de O2 do sangue em cerca de 75 vezes. Aproximadamente 98% do O2 no sangue está ligado à hemoglobina, com apenas 2% dissolvido na solução. A ligação do O2 à hemoglobina, mantém um gradiente de pressão parcial para o O2, de forma que continua a se difundir dos alvéolos (sacos de ar), e dos pulmões para o sangue. O oxigênio deve então se difundir do sangue para as células dos tecidos, portanto, a taxa de difusão do oxigênio deve ser tal que oxigênio suficiente seja fornecido. A taxa de difusão está relacionada à constante de solubilidade (0,03 mL O2/L•mmHg para O2 a 37°C); quanto maior for a solubilidade, maior será a taxa de difusão. O valor médio para difusão de O2 no plasma humano normal, a 37°C, é 2,18×10-5 cm2/seg. Se a taxa fosse menor do que isso, não seria possível fornecer oxigênio suficiente.
Equilíbrio delicado
Se a pressão parcial de oxigênio ou a constante de solubilidade de oxigênio, fossem maiores do que são, então muito oxigênio seria dissolvido no sangue e fluidos corporais, levando a uma condição referida como toxicidade de oxigênio, ao gerar as espécies de reactive oxygen species (ROS), radicais de oxigênio e superóxido. Esses radicais destroem proteínas, membranas e DNA. (Figura 3) Os organismos normalmente geram ROS, mas graças a um Criador sábio, várias enzimas são projetadas para lidar com o nível relativamente baixo de radicais de oxigênio, gerados pelo metabolismo normal. Assim, a toxicidade do oxigênio coloca um limite superior, na quantidade de oxigênio permitido na atmosfera. Se o oxigênio não fosse um gás, seria impossível atender às demandas de oxigênio suficiente para fazer funcionar o metabolismo de um organismo grande de sangue quente. (Figura 4)
Curiosamente, há evidências que sugerem que as ROS são utilizadas pelas células para aumentar a produção de enzimas que as destroem, tornando o corpo mais saudável mesmo quando não está estressado. Além disso, as ROS têm sido implicadas em uma série de processos celulares, como vias de sinalização, regulação de canais de proteínas e fatores de transcrição, diferenciação celular, resposta imune e uma série de outras atividades. Parece que na economia de Deus até os compostos prejudiciais podem ter valor e propósito.
Outro aspecto do oxigênio é sua capacidade de formar O3, ou ozônio. (Figura 5) A camada de ozônio na alta atmosfera protege a vida absorvendo ondas de luz ultravioleta nocivas de <300 nm. Ondas de luz nessa faixa baixa. podem causar danos diretos às biomoléculas, levando à sua quebra. Além disso, esses comprimentos de onda energéticos, podem danificar indiretamente biomoléculas, gerando radicais livres de oxigênio que, como afirmado acima, são muito prejudiciais. (Figura 6)
Michael Denton, em seu livro de 1998, Nature’s Destiny (128), observa que a viscosidade, densidade e pressão de nossa atmosfera, devem ser o que são, caso contrário, organismos que respiram ar não seriam capazes de sobreviver, pois respirar seria proibitivo. A pressão atmosférica total é de 760 mmHg ao nível do mar, a densidade ao nível do mar é de 1 g/L, a viscosidade e a densidade são cerca de 1/50 e 1/1000 da água, respectivamente. Se qualquer um deles fosse aumentado, o ato de respirar seria mais difícil, pois a resistência das vias aéreas aumentaria. Se a pressão atmosférica aumentasse, a densidade também aumentaria, dificultando a respiração.
Vemos que o oxigênio, como tantas coisas na vida, é uma coisa boa, mas ele em excesso pode ser ruim, e muito pouco dele também pode ser ruim. Um equilíbrio delicado deve ser alcançado entre muito e não o suficiente. É interessante que o nível de O2 é justo para que esse equilíbrio seja atendido perfeitamente. Seria isso tudo Coincidência ou Design?
Dióxido de carbono (CO2)
O dióxido de carbono é um gás onipresente. (Figura 7) Junto com a água, são os produtos metabólicos finais da combustão completa das moléculas do biocombustível por parte das células. Na atmosfera, constitui cerca de 0,04% da pressão total, ou cerca de 0,228 mmHg. A solubilidade do CO2 na água é maior do que a do oxigênio; aproximadamente 1,3 a 1,7 g CO2/kg de água, na faixa de temperatura de 20 a 30°C. Isso significa que o gás CO2 pode facilmente entrar e sair da água. Assim, onde quer que haja água, também haverá CO2; os dois estão inextricavelmente ligados. Desta forma, o carbono pode ser facilmente distribuído por toda a biosfera no ciclo do carbono.
A pessoa de tamanho médio, por meio do metabolismo, gera cerca de um quilo de CO2/dia. Se o CO2 não fosse um gás, seria virtualmente impossível livrar o corpo dessa quantidade de resíduos metabólicos. A natureza gasosa do CO2 e sua solubilidade em água, permitem que o sangue transporte grandes quantidades de CO2 na forma de seus hidratos, ácido carbônico (H2CO3) e bicarbonato (HCO3–) para os pulmões para descarte com cada respiro. Assim, um produto final metabólico, a água, é usado para livrar o corpo do outro produto final, o CO2. Para o entusiasta da ficção científica, se a vida fosse baseada no silício, dióxido de silício, SiO2, provavelmente seria o produto final do metabolismo. Este composto é um sólido e, como tal, seria muito mais difícil eliminar as grandes quantidades geradas. Além disso, ao contrário do CO2, o SiO2 não é tão solúvel em água. Consequentemente, seriam necessárias grandes quantidades de água para livrar o corpo de uma quantidade de SiO2 igual a CO2, essa seria outra razão pela qual a vida à base de silício não é viável.
pH balanceado para a vida
O pH é uma medida da concentração de prótons livres (H+) em uma solução. A manutenção de um pH estável nos fluidos e células corporais é essencial para toda a vida; virtualmente todos os processos vitais dependem de condições estáveis de pH. Os ácidos tendem a liberar H+, e as bases tendem a liberar H+. Portanto, é imperativo que haja alguns meios para evitar mudanças no pH, que possam comprometer a função metabólica; deve haver compostos que podem emitir ou captar H+ conforme necessário, a fim de proteger contra grandes mudanças no pH. Grandes mudanças no pH podem levar à desnaturação de proteínas, estados alterados de carga de enzimas e/ou seus substratos, e fazer com que as proteínas precipitem fora da solução. O metabolismo tende a gerar compostos ácidos. Consequentemente, as células e os fluidos corporais facilmente se acidificariam a ponto de a vida cessar. No entanto, nosso sábio Criador projetou nossos sistemas de forma que os dois produtos finais da combustão completa das moléculas de combustível, sejam a molécula inócua de água e CO2.
Quando o CO2 se dissolve em água, lentamente forma H2CO3, que então se desprotona espontaneamente para formar HCO3– e um H+. O carbono, situado entre o boro e o nitrogênio na tabela periódica, é o único que seus hidratos, H2CO3/HCO3–, ocupam uma posição de “Cachinhos Dourados”, tendo exatamente as propriedades químicas corretas que permitem servir como um excelente tampão de pH no corpo, podendo liberar ou absorver H+ conforme necessário. Os hidratos de boro são levemente ácidos; não são ácidos o suficiente para serem úteis como tampão de pH, e os de nitrogênio são muito ácidos, sendo ácidos demais para serem úteis. Na verdade, nenhum outro hidrato de outros elementos, exceto o do fósforo, tem a capacidade de tamponar o pH dentro das restrições exigidas pela vida. Certas espécies de ácido fosfórico (H2PO3–/HPO32-) servem como principal tampão de pH dentro das células.
No corpo, o dióxido de carbono se difunde em seu gradiente de pressão parcial das células onde é formado para o sangue, onde é convertido em HCO3– ou ligado à hemoglobina. A conversão e a ligação à hemoglobina mantêm uma pressão parcial mais baixa no sangue para que o CO2 continue a se difundir para fora das células. No glóbulo vermelho, a enzima anidrase carbônica catalisa rapidamente a formação de H2CO3 a partir da água e do CO2. (Figura 8) O ácido carbônico formado espontaneamente desprotona para formar HCO3– e H+. O HCO3– é então transportado para fora da célula, onde serve como tampão de pH primário no plasma sanguíneo. O H+ é captado pela hemoglobina, onde ajuda a estabilizar a forma desoxi da hemoglobina, promovendo a entrega de O2 aos tecidos. O dióxido de carbono ligado à hemoglobina também ajuda a descarregar O2 da hemoglobina, ao estabilizar ainda mais a forma desoxi da hemoglobina. Assim, o CO2, direta e indiretamente, auxilia na entrega de O2 para os tecidos. Como diz Denton, o “sistema tampão de ácido carbônico-bicarbonato, é um modelo de elegância e eficiência que resolve dois problemas fisiológicos básicos e muito diferentes – livrar o corpo do produto final do metabolismo oxidativo e a manutenção da homeostase ácido-base na mesma equação básica” (133).
A formação de ácido carbônico a partir da água da chuva e CO2 na atmosfera, contribui para o intemperismo das rochas e a liberação de vários metais e minerais nelas contidos. Estes podem ser distribuídos por toda a terra pela água e pelo vento, tornando-os disponíveis para a vida.
A interação do CO2 e da água, formando H2CO3/HCO3–, é de extrema importância na manutenção do pH relativamente neutro e constante, de todos os corpos d’água da Terra.
Fotossíntese
A importância do CO2 para o processo de fotossíntese pelas plantas verdes, não pode ser exagerado. Se CO2 e O2 não fossem gases, o processo como o conhecemos não seria possível. As plantas são os produtores primários dos quais quase todas as outras formas de vida dependem para seu sustento. Aqui, novamente, a solubilidade do CO2 em água, é crucial para o processo, pois o CO2 é “fixado” ao ser combinado com outros compostos de carbono nas reações “escuras”, para sintetizar açúcares. O carbono “fixo” vem daquele dissolvido na água da célula. Os elétrons e a energia usados na síntese, são fornecidos pela fotólise das moléculas de água nas reações de “luz” da fotossíntese. O2 gasoso, é liberado da água e escapa para a atmosfera para uso no metabolismo oxidativo, por organismos aeróbicos. Isso fecha elegantemente um ciclo no ciclo do carbono, entre plantas e animais.
Da mesma forma como acontece com o oxigênio, a concentração de CO2 na atmosfera, e sua solubilidade em água, deve ser tal que haja CO2 suficiente para realizar a fotossíntese, e manter o pH do sangue e corpos d’água perto da neutralidade, mas não tanto quanto para inclinar a escala e se tornar tóxico. Novamente, toda essa regulação de sistemas é coincidência ou design?
Nitrogênio (N2)
O nitrogênio (Figura 9) compreende cerca de 78% dos gases atmosféricos. O nitrogênio é essencial para a vida, pois quase todas as biomoléculas contêm átomos de nitrogênio. No entanto, humanos e animais não têm meios de extraí-lo da atmosfera, e fazer uso dele como fazemos com oxigênio e dióxido de carbono. Muitas plantas, por outro lado, têm bactérias fixadoras de nitrogênio em suas raízes que podem “fixar” o nitrogênio ao incorporá-lo a várias biomoléculas. (Figura 10) Quando comemos, obtemos nosso nitrogênio dos alimentos e, então, somos capazes de gerar muitas de nossas próprias moléculas que contêm nitrogênio. Gênesis 1 mostra que o Senhor criou toda a vida vegetal para ser uma fonte de alimento para todos os animais. Essa dependência é uma característica do design de nosso planeta. Após a queda, alguns animais desenvolveram uma necessidade de outras fontes de nutrientes, então, por necessidade, foi permitido a alimentação carnívora.
Praticamente, todas essas interações que discutimos até agora, também envolvem metais de um tipo ou de outro. As plantas dependem de certos metais para a fotossíntese, e os animais dependem de alguns dos mesmos metais para seus processos metabólicos.
Conclusão
O nosso planeta possuí a química perfeita para a existência da vida, e para o bem estar dela. Alguns podem até querer negar, mas a estrutura que sustenta e mantém a vida, apresenta um planejamento com uma perfeição e organização, que supera em qualidade qualquer design humano, e por meio desse mesmo design da natureza, podemos concluir de forma segura que existe um Deus, que da mesma forma que criou sistemas e mecanismos com um propósito definido, também criou a humanidade para um propósito muito maior.
Esse artigo é uma tradução e adaptação da Answers In Genesis.
Referências:
Biochemistry, 8th edition, J. Berg, e mais 3 autores, WH Freeman.
Physiology, 6th Edition, L. Constanzo, Elsevier.
Nature’s Destiny: How the Laws of Biology Reveal Purpose in the Universe, M. Denton, Free Press.
The fitness of the environment, L. Henderson, The MacMillan.
Proportionally Perfect for Life: O2, CO2, N2, R. Anderson, Answers in Genesis.
