Daniel E. Koshland foi um bioquímico americano, professor da Universidade da Califórnia, Berkeley, e de 1985 a 1995 editor da revista Science , uma publicação da Associação Americana para o Avanço da Ciência, da qual Koshland era membro.

O trabalho de Koshland incluiu um estudo sobre quimiotaxia bacteriana , ou seja, como organismos unicelulares que se movem pelo ambiente conseguem perceber gradientes de temperatura e composição química. Se os nutrientes aumentam na direção do movimento, ou se outras condições são mais favoráveis, a bactéria continua. Caso contrário, o sentido de rotação de seus minúsculos flagelos se inverte. A rotação dos flagelos no sentido anti-horário impulsiona a bactéria para a frente. A rotação dos flagelos no sentido horário faz com que a bactéria gire e se vire em novas direções aleatórias.

Seus sensores e capacidade de movimento permitem que elas tomem decisões em duas etapas sobre qual caminho seguir. Conforme a bactéria se move, receptores em sua superfície detectam gradientes de substâncias químicas. Quando o gradiente indica "alimento à frente" ou "tóxico atrás", a bactéria continua se movendo. Se os gradientes não forem promissores, a bactéria inverte a direção de rotação do flagelo, o que a faz girar novamente.

Essa combinação de randomização de sua direção (geração de possibilidades aleatórias ), seguida por uma decisão adequadamente determinada de continuar (ou não), é uma versão primitiva do modelo de dois estágios do livre-arbítrio humano .

Quimiotaxia bacteriana como um sistema comportamental modelo . Nova Iorque: Raven Press.

Em 2002, Koshland apresentou sua definição de vida baseada em "sete pilares".

O primeiro pilar da vida é um PROGRAMA . Por programa, entendo um plano organizado que descreve tanto os ingredientes em si quanto a cinética das interações entre eles, à medida que o sistema vivo persiste ao longo do tempo. Para os sistemas vivos que observamos na Terra, esse programa é implementado pelo DNA, que codifica os genes dos organismos terrestres e que é replicado de geração em geração, com pequenas alterações, mas sempre com o plano geral intacto. Os genes, por sua vez, codificam substâncias químicas — as proteínas, os ácidos nucleicos, etc. — que realizam as reações nos sistemas vivos. É no DNA que o programa é resumido e mantido para a vida na Terra.

O segundo pilar da vida é a IMPROVISAÇÃO . Como um sistema vivo será inevitavelmente uma pequena fração do universo maior em que vive, ele não será capaz de controlar todas as mudanças e vicissitudes do seu ambiente, portanto, precisa de alguma forma de alterar seu programa. Se, por exemplo, um período quente se transformar em uma era glacial, tornando o programa menos eficaz, o sistema precisará alterá-lo para sobreviver. Em nossos sistemas vivos atuais, tais mudanças podem ser alcançadas por um processo de mutação e seleção que permite que os programas sejam otimizados para os novos desafios ambientais que surgirem.

O terceiro pilar da vida é a COMPARTILHAÇÃO . Todos os organismos que consideramos vivos estão confinados a um volume limitado, circundado por uma superfície que chamamos de membrana ou pele, a qual mantém os componentes em um volume definido e impede a entrada de substâncias químicas nocivas — tóxicas ou diluidoras. Além disso, à medida que os organismos crescem, eles se dividem em compartimentos menores, que chamamos de células (ou órgãos, isto é, grupos de células), a fim de centralizar e especializar certas funções dentro do organismo maior. A razão para a compartimentalização é que a vida depende da cinética das reações de seus componentes, os substratos e catalisadores (enzimas) do sistema vivo. Essa cinética depende das concentrações dos componentes. A simples diluição do conteúdo de uma célula a mata devido à diminuição da concentração do conteúdo, mesmo que todas as substâncias químicas permaneçam tão ativas quanto antes da diluição. Portanto, um compartimento é essencial para manter as concentrações e a organização do interior do organismo vivo e para fornecer proteção contra o ambiente externo.

O quarto pilar da vida é a ENERGIA . A vida, como a conhecemos, envolve movimento — de substâncias químicas, do corpo, de componentes do corpo — e um sistema com movimento líquido não pode estar em equilíbrio. Ele precisa ser um sistema aberto e, neste caso, metabólico. Muitas reações químicas ocorrem dentro da célula, e moléculas entram do ambiente externo — O₂ _, CO₂ _, metais, etc. O sistema do organismo é parcimonioso; muitas das substâncias químicas são recicladas várias vezes durante a vida do organismo (o CO₂ _, por exemplo, é consumido na fotossíntese e depois produzido por oxidação no sistema), mas originalmente elas entram no sistema vivo vindas de fora, por isso os termodinamicistas chamam isso de sistema aberto. Devido às muitas reações e ao fato de haver algum ganho de entropia (a analogia mecânica seria o atrito), deve haver uma compensação para manter o sistema funcionando, e essa compensação requer uma fonte contínua de energia. A principal fonte de energia na biosfera da Terra é o Sol — embora a vida na Terra obtenha um pouco de energia de outras fontes, como o calor interno do planeta — portanto, o sistema pode continuar indefinidamente reciclando substâncias químicas de forma inteligente, desde que tenha a energia adicional do Sol para compensar suas mudanças de entropia.

O quinto pilar é a REGENERAÇÃO . Como um sistema metabólico composto por catalisadores (enzimas) e substâncias químicas (metabólitos) em um recipiente está em constante reação, ele inevitavelmente estará associado a algumas perdas termodinâmicas. Como essas perdas eventualmente alterarão a cinética do programa de forma adversa, deve haver um plano para compensá-las, ou seja, um sistema de regeneração. Um desses sistemas de regeneração é a difusão ou o transporte ativo de substâncias químicas para o organismo vivo. Por exemplo, o CO₂ _e seus produtos substituem as perdas inevitáveis nas reações químicas. Outro sistema de regeneração é a ressíntese constante dos constituintes do sistema vivo que estão sujeitos a desgaste. Por exemplo, o músculo cardíaco de um ser humano normal bate 60 vezes por minuto — 3.600 vezes por hora, 1.314.000 vezes por ano, 91.980.000 vezes ao longo da vida. Nenhum material artificial foi encontrado que não se fatigasse e colapsasse sob tal uso, razão pela qual os corações artificiais têm uma vida útil tão curta. O organismo vivo, no entanto, resintetiza e substitui continuamente as proteínas do músculo cardíaco à medida que estas se degradam; o corpo faz o mesmo com outros componentes — os alvéolos pulmonares, as proteínas renais, as sinapses cerebrais, etc.

Essa não é a única forma pela qual o sistema vivo se regenera. A ressíntese constante de suas proteínas e constituintes corporais não é perfeita, de modo que a pequena perda em cada regeneração, a curto prazo, se torna uma perda maior no geral, considerando todos os processos a longo prazo, resultando no que chamamos de envelhecimento. Assim, os sistemas vivos, pelo menos os que conhecemos, utilizam um artifício engenhoso para aperfeiçoar o processo de regeneração: recomeçam. Recomeçar pode ser a divisão celular, no caso da Escherichia coli, ou o nascimento de um bebê, no caso do Homo sapiens. Ao iniciar uma nova geração, o bebê começa do zero, e todos os ingredientes químicos, programas e outros constituintes retornam ao início para corrigir o declínio inevitável de um sistema metabólico em funcionamento contínuo.

O sexto pilar é a ADAPTABILIDADE . A improvisação é uma forma de adaptabilidade, mas é lenta demais para muitos dos perigos ambientais que um organismo vivo precisa enfrentar. Por exemplo, um ser humano que coloca a mão no fogo tem uma experiência dolorosa que pode ser selecionada negativamente na evolução — mas o indivíduo precisa retirar a mão do fogo imediatamente para viver adequadamente depois disso. Essa resposta comportamental à dor é essencial para a sobrevivência e é uma resposta fundamental dos sistemas vivos que chamamos de feedback. Nossos corpos respondem à depleção de nutrientes (reservas de energia) com fome, o que nos leva a buscar novos alimentos, e nosso feedback, então, impede que comamos em excesso (ou seja, além da saciedade), perdendo o apetite e comendo menos. Caminhar longas distâncias descalço leva à formação de calos nos pés ou à aquisição de sapatos para protegê-los. Essas manifestações comportamentais de adaptabilidade são um desenvolvimento de respostas de feedback e feedforward em nível molecular e são respostas de sistemas vivos que permitem a sobrevivência em ambientes em rápida mudança. A adaptabilidade poderia, sem dúvida, incluir a improvisação (pilar número 2), mas a improvisação é um mecanismo para alterar o programa fundamental, enquanto a adaptabilidade (pilar número 6) é uma resposta comportamental que faz parte do programa. Assim como essas duas necessidades são atendidas por mecanismos diferentes em nosso sistema terrestre, acredito que serão conceitos diferentes atendidos por mecanismos diferentes em qualquer sistema recém-criado ou recém-descoberto.

Finalmente, e não menos importante, está o sétimo pilar: ISOLAMENTO . Por isolamento, neste contexto, quero dizer algo semelhante à privacidade no mundo social do nosso universo. É essencial para um sistema metabólico com muitas reações ocorrendo simultaneamente impedir que as substâncias químicas da via 1 (A→B→C→D, por exemplo) sejam metabolizadas pelos catalisadores da via 2 (R→S→T→U). Nosso sistema vivo faz isso por meio de uma propriedade crucial da vida: a especificidade das enzimas, que atuam apenas sobre as moléculas para as quais foram projetadas e não são confundidas por colisões com moléculas diversas de outras vias. Em certo sentido, essa propriedade é como isolar um fio condutor de eletricidade para que ele não entre em curto-circuito ao entrar em contato com outro fio. O isolamento do sistema biológico não é absoluto. Ele pode ser interrompido por mensagens de feedback e feedforward, mas apenas as mensagens que possuem canais especificamente configurados podem ser recebidas. Há também especificidade nas interações de DNA e RNA. É esse isolamento das vias metabólicas que permite que milhares de reações ocorram com alta eficiência nos minúsculos volumes de uma célula viva, enquanto simultaneamente recebem sinais seletivos que garantem uma resposta adequada às mudanças ambientais.

Esses sete pilares da vida — P (programa), I (improvisação), C (compartimentalização), E (energia), R (regeneração), A (adaptabilidade), S (exclusão), ou PICERAS, em resumo — são os princípios fundamentais sobre os quais um sistema vivo se baseia. Uma análise mais aprofundada deixa claro como a vida na Terra implementou esses princípios. Mas esses mecanismos podem não ser perfeitos e poderiam ser aprimorados. Por exemplo, o sistema de regeneração usado pela vida na Terra é imperfeito para qualquer indivíduo em particular e, portanto, requer um "recomeço". Esse mecanismo, por sua vez, requer um mecanismo de hereditariedade para manter a continuidade do programa para a próxima geração. Suponha que as proteínas, os hormônios e as células tivessem um sistema de feedback melhor, de modo que o declínio gradual com a idade fosse constantemente corrigido por meio desse feedback. Então, a necessidade de recomeçar desapareceria. Isso eliminaria a morte e as necessidades hereditárias do sistema atual. Também significaria que um único indivíduo poderia viver para sempre sem envelhecer. Haveria, no entanto, um problema, porque o recomeço (morte e novo nascimento) oferece uma oportunidade para improvisações (mutações no DNA), e esse pilar precisaria ser substituído por um novo mecanismo para alcançar a mesma vantagem.

Tais dilemas nos confrontam com outra realidade. Atualmente, a forma como a mutação e a seleção (sobrevivência do mais apto) atuaram ao longo do tempo evolutivo parece não mais se aplicar ao Homo sapiens. Tornamo-nos mais compassivos, menos exigentes. Talvez uma abordagem mais recente — uma vida mais longa e mudanças deliberadas no programa por um conselho supremo de sábios Salomão — possa substituir o cenário mais rudimentar de sobrevivência do mais apto. Não defendo necessariamente uma mudança tão drástica no mecanismo atual de improvisação, que nos serviu bem ao longo dos séculos, mas apenas aponto que existe a possibilidade de alterar mecanismos específicos, desde que mantenhamos os pilares.

Esta lista dos sete fundamentos da vida nos permite pensar de forma diferente sobre os objetivos e as abordagens terapêuticas da pesquisa atual. O conceito de adaptabilidade, por exemplo, certamente é um no qual mecanismos melhores poderiam ser desenvolvidos, provavelmente ajustando os mecanismos existentes para que funcionem com mais eficácia em sistemas vivos reais. Por exemplo, o olho pode se adaptar a níveis de luz externa que variam em mais de 10 ordens de magnitude (10¹⁰ ⁾ , enquanto os outros órgãos do corpo humano têm faixas muito menores. Talvez outros órgãos, como os pulmões, os rins ou o baço, pudessem ser aprimorados para que funcionassem com concentrações maiores de reguladores e o envelhecimento fosse menos prejudicial a eles.

Assim, os princípios PICERAS parecem ser necessários para o funcionamento de um sistema vivo. Os mecanismos para alcançar tal sistema podem variar, desde que satisfaçam os requisitos termodinâmicos e cinéticos. Temos um exemplo, a vida na Terra, que demonstra como isso pode ser feito. Será interessante observar se um conjunto diferente de mecanismos, autoconsistente, poderia gerar um modelo com vida como resultado.

Ciência 22 de março de 2002: Vol. 295, Edição 5563, pp. 2215-2216

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