Aos queridos alunos do Colégio Estadual Zizinha Guimarães, sejam bem vindos ao nosso bolg.
COLÉGIO ESTADUAL Prof.ª ZIZINHA GUIMARÃES
BIOLOGIA
PROF. FÁBIO GOES
1º ANO DO ENSINO MÉDIO
ORIGEM DA VIDA
Abiogênese
Até o século XIX, imaginava-se que os seres vivos poderiam surgir não só a partir do cruzamento entre si, mas também a partir da matéria bruta, de uma forma espontânea. Essa idéia, proposta há mais de 2000 anos na Grécia Antiga por Aristóteles, era conhecida por geração espontânea ou abiogênese. Os defensores dessa hipótese supunham que determinados materiais inorgânicos conteriam um "princípio ativo", isto é, uma "força" capaz de comandar uma série de reações que culminariam com a súbita transformação do material inanimado em seres vivos.
Anaximandro (610-546 a.C.) sustentou que o mundo não foi criado repentinamente, e que os vertebrados, incluidos os seres humanos, descendiam dos peixes. Contrariamente, para Platão (427-347 a.C.), as coisas e os seres vivos respondiam a uma idéia ou essência imutável. Seu discípulo Aristóteles (384-322 a.C.) se interessou por classificar aos organismos vivos. Os organizou em forma ascendente, do mais simples ao mais complexo, como sobre uma escada na qual cada degrau estaria ocupado por um: não admitia trocas nos e entre organismos.
Aristóteles defendia a "Geração Espontânea". Foi ele o formulador da primeira teoria científica de origem da vida, que conhecemos. De acordo com sua teoria, existiriam dois princípios: um passivo, que é a matéria e outro ativo, que é a forma. Assim se explicava como carne podre gerava larvas de moscas, por exemplo. Segundo esta teoria, teoria da Abiogênese ou da geração espontânea, a vida surgia de matéria inorgânica que continha um princípio ativo capaz de dar origem a um ser vivo.
O grande poeta romano Virgílio (70 a.C. - 19 a.C.), autor das Écoglas e da Eneida, garantia que moscas e abelhas nasciam de cadáveres em putrefação. Já na Idade Média, Aldovandro afirmava que, o lodo do fundo das lagoas poderiam nascer patos e morcegos. O padre Anastásio Kircher (1627-1680), professor de Ciência do Colégio Romano, explicava a seus alunos que do pó de cobra, espalhado pelo chão, nasceriam muitas cobras. No século XVII, o naturalista Jean Baptiste van Helmont (1577-1644), de origem belga, ensinava como produzir ratos e escorpiões a partir de uma camisa suada, germe de trigo e queijo.
Em meados do século XVII, o biólogo italiano Francesco Redi elaborou experiências que, na época, abalaram profundamente a teoria da geração espontânea. Colocou pedaços de carne no interior de frascos, deixando alguns abertos e fechando outros com uma tela. Observou que o material em decomposição atraía moscas, que entravam e saíam ativamente dos frascos abertos. Depois de algum tempo, notou o surgimento de inúmeros "vermes" (larvas) deslocando-se sobre a carne e consumindo o alimento disponível. Nos frascos fechados, porém, onde as moscas não tinham acesso à carne em decomposição, esses "vermes" não apareciam.
Redi, então, isolou alguns dos "vermes" que surgiram no interior dos frascos abertos, observando-lhes o comportamento; notou que, após consumirem avidamente o material orgânico em putrefação, tornavam-se imóveis, assumindo um aspecto ovalado, terminando por desenvolver cascas externas duras e resistentes (ovos --> larvas --> pupas).
Após alguns dias, as cascas quebravam-se e, do interior de cada unidade, saía uma mosca (pupas --> adultos) semelhante àquelas que haviam pousado sobre a carne em putrefação.
Por etapas:
1ª Experiência: Ele colocou enguias mortas em uma caixa aberta e após certo tempo "vermes" surgiram e devoraram a carcaça do animal. Quando estava apenas o esqueleto, os animais abandonaram a a caixa sem que Redi pudesse conhecer seu destino.
2ª Experiência: Redi repetiu a experiência anterior, colocando as três enguias na caixa e dias depois estavam ceias de "vermes", e para descobrir o destino dos vermes ele tampou a caixa e observou que alguns dias depois se ficaram imóveis e ovais e depois esses "ovos" eclodiram em moscas
3ª Experiência: Ele repetiu a experiência só que desta vez com vários pedaços de carnes e as colocou em 8 frascos de vidros. Quatro deles ficaram abertos e quatro ficaram fechados. Depois de alguns dias os frascos abertos estavam cheios de vermes e os que estavam fechados não possuiam vermes.
4ª Experiência: Para evitar uma contestação de que os frascos fechados haviam quebrado o "princípio ativo" quando obstruíram a entrada do ar, Redi repetiu a experiência cobrindo os frascos com uma gaze fina que que permitia a circulação do ar e impedia a penetração de moscas. Não surgiram vermes e ele confirmou a origem dos insetos e criou a concepção da Biogênese.
A experiência de Redi favoreceu a biogênese, teoria segundo a qual a vida se origina somente de outra vida pré-existente.
Quando Anton van Leeuwenhoek (1632-1723), o Pai da Microbiologia, na Holanda, construindo microscópios, observou pela primeira vez os micróbios, reavivou a polêmica sobre a geração espontânea, abalando seriamente as afirmações de Redi. Anton van Leeuwenhoek ao observar em um microscópio rudimentar a existência de microorganismos e como não havia explicação para o fato ficou reaberta a polêmica entre Biogênese e Abiogênese.
Em 1745, John Needhan revigorou a teoria da Abiogênese. Ele aqueceu um caldo nutritivo de frango, fechou-o e aqueceu eles novamente. Após alguns dias ele observou no microscópio que o clado estava repleto de microorganismos. Repetiu a experiência com outros meios de cultura e obteve o mesmo resultado. Isso foi o suficiente para defender a teoria da Geração Espontânea.
Em 1770, o padre Lazzaro Spallanzani repetiu as experiências de John Needhan só que desta fez fechou com mais cuidados os frascos e aqueceu a amostra por 1 hora. Nenhum microorganismo surgiu em meses. Ele argumentou que John Needhan não havia aquecido o suficiente para matar os microorganismos. Needhan contra-argumentou dizendo que os frascos hermeticamente fechados e o aquecimento excessivo haviam quebrado o pricípio ativo. A teoria da Abiogênese se manteve até a segunda metade do século XIX.
Só em 1862, quando o químico Francês Louis Pasteur realizou experiências que provaram a não existência de geração espontânea é que a Teoria da Abiogênese foi ultrapassada a favor da Teoria da Biogênese defendida por Redi. Preparou um caldo de carne, que é excelente meio de cultura, e submeteu-o a uma cuidadosa técnica de esterilização, com aquecimento e resfriamento. Hoje, essa técnica é conhecida como "pasteurização". Uma vez esterilizado, o caldo de carne era conservado no interior de um balão "pescoço de cisne". Devido ao longo gargalo do balão de vidro, o ar penetrava no balão, mas as impurezas ficavam retidas na curva do gargalo. Nenhum microrganismo poderia chegar ao caldo de carne. Assim, a despeito de estar em contato com o ar, o caldo se mantinha estéril, provando a inexistência da geração espontânea.
Ao delinear as suas investigações, Pasteur conseguiu reunir as duas condições indispensáveis para pôr ponto final na controvérsia acerca da origem dos seres vivos: a presença de ar que garantia a existência do "princípio ativo", exigida pelos defensores da geração espontânea e a possibilidade de destruir pelo calor todos os microrganismos (esterilização). Tal processo passou pela utilização de balões em colo de cisne. Os resultados mostraram que, efetivamente, os conteúdos dos balões se mantiveram inalterados muito tempo após ter cessado a ebulição. Como contraprova do que havia demonstrado Pasteur quebrou alguns dos balões. Evidentemente, o líquido, passado algum tempo, encheu-se de microrganismos.
Os resultados destas experiências permitiram afastar definitivamente a teoria da geração espontânea, e comprovar a Biogênese. Muitos meses depois, Pasteur exibiu seu material na Academia de Ciências de Paris. O caldo de carne estava perfeitamente estéril. Era o ano de 1864. A geração espontânea estava completamente desacreditada.
Desmoralizada a teoria da abiogênese, confirmou-se a idéia de Prayer: Omne vivium ex vivo, que se traduz por "todo ser vivo é proveniente de outro ser vivo". Com o reconhecimento que a vida provém sempre de outras formas de vida, Lord Kelvin, um dos mais importantes cientistas do final do século XIX, retomou a teoria da Panspermia, segundo a qual a vida teria sido "semeada" em nosso planeta, vinda do espaço.
Dentre as muitas hipóteses formuladas, uma delas admitia que microrganismos, que possivelmente existissem flutuando no espaço cósmico, teriam caído sobre o solo fértil da Terra, em épocas remotas, instalando a vida no nosso planeta. Chegou-se mesmo a dar a tais seres a denominação de"cosmozoários". Tal explicação não informava como surgiram os primeiros cosmozoários no Universo.
Portanto, não explicava como surgiu a vida. A vida, na Terra, teria sido "importada" do espaço exterior. Além do mais, era totalmente impossível conceber aqueles cosmozoários flutuando pelo espaço sideral por tempo indeterminado, sujeitos à ação destruidora dos raios ultravioleta e dos raios cósmicos. Como poderiam chegar à Terra ainda vivos? Procurando dar nova forma à mesma hipótese, alguns cientistas do início deste século ainda aventaram outra possibilidade: a de que os microrganismos alienígenas teriam sido transportados até aqui no interior de meteoritos. Assim, parece que procuravam os cientistas um veículo para tornar a viagem dos cosmozoários mais rápida e livre das radiações cósmicas. Mas nem mesmo essa hipótese teve sucesso. Todos sabem que os meteoritos, quando entram nas camadas superiores da nossa atmosfera, em atrito com o ar, tornam-se incandescentes. Qualquer forma de vida que neles se ocultasse seria imediatamente reduzida a cinzas.
Como surgiu o primeiro ser vivo?
A história da vida começou há aproximadamente 4,5 bilhões de anos, em uma Terra coberta principalmente por água e envolta em uma atmosfera com amônia, metano, hidrogênio, e dióxido de carbono. Vulcões em atividade e tempestades constantes completavam o cenário dessa Terra primitiva. A vida, como hoje a conhecemos, teria sido impossível nessa época. Descargas elétricas e a ação dos raios ultravioleta forneceram a energia para o aparecimento de moléculas orgânicas a partir de moléculas inorgânicas, entre elas algumas proteínas e o polinucleotídeo, ácido ribonucléico (RNA). Em seguida deve ter surgido o ácido desoxirribonucléico (DNA) a partir de um molde de RNA e, assim, proteínas codificadas por informação dos ácidos podem ter aparecido. Por último, completando 1 bilhão de anos de evolução química, uma membrana lipídica deve ter envolvido essas moléculas, originando-se, assim, a primeira célula: procarionte e heterótrofa, que usava as moléculas diluídas na água para seu metabolismo. Dessa célula primitiva originaram-se todos os seres vivos. Portanto, todos descendem de um único ancestral, isto é, formam um grupo monofilético*. A universalidade do código genético para todas as células sugere esta origem comum. Uma origem polifilética implicaria na existência de vários ancestrais para os seres vivos.
*Grupo monofilético. Em um sentido amplo, grupo monofilético refere-se a um conjunto de espécies que compartilham um ancestral comum. Também é usado para denominar um grupo que contém todos os descendentes de um ancestral comum.
O surgimento do envelope nuclear, a carioteca, provavelmente ocorreu só uma vez na história dos seres vivos e, desse modo, todos os eucariontes, ou seja, os organismos que possuem envelope nuclear, compartilhariam um ancestral comum. Esse grupo é conhecido como Eucarya (: Eukarya) e é o mais diversificado quando se examinam padrões morfológicos.
Uma relação endossimbiôntica teria se estabelecido ainda cedo na evolução desse grupo, entre um eucarionte e um organismo procarionte aeróbico —uma espécie de eubactéria - engolfada pelo primeiro. Dessa relação teria surgido a mitocôndria, presente na maioria dos eucariontes atuais. Um grande número de espécies unicelulares e multicelulares surgiu desse estoque básico de eucariontes com mitocôndria, entre eles os três grupos mais conhecidos: Metazoa — animais—, Fungi — fungos — e Plantae — plantas terrestres. O Reino Protoctista representa um táxon parafilético incluindo grupos que apresentam ou não mitocôndrias, ou seja, inclui todos os eucariontes com exceção dos reinos Fungi, Plantae e Metazoa.
A Teoria de Oparin
Segundo o russo Aleksandr Ivanovitch Oparin, os oceanos primordiais funcionaram como um imenso laboratório químico, alimentado pela forte radiação solar. Nesse meio aquoso, formaram-se o que os cientistas chamam de coacervados (aglomerações de compostos orgânicos). Esses coacervados teriam sofrido inúmeras reações, até que conseguiram aprisionar proteínas e uma molécula de ácido nucléico, que lhes deram a capacidade de se reproduzir, característica básica do ser vivo.
Se hoje sabemos que as substâncias orgânicas representam a matéria-prima fundamental que forma os corpos de todos os seres vivos, como teria surgido o primeiro ser vivo num planeta que originalmente não possuía matéria orgânica? Sabe-se que a Terra foi, durante cerca de três bilhões de anos, um ambiente inóspito à vida e destituído de matéria orgânica.
Essa questão esteve sem solução até 1929, quando o biólogo inglês J. B. S. Haldane apresentou algumas idéias para esclarecer a dúvida. Mas, efetivamente, só em 1936, com a publicação do livroA Origem da Vida, de A. I. Oparin, é que se passou a ter uma explicação para o mistério do aparecimento da vida na Terra.
Os conhecimentos de Astronomia, Geologia, Biologia e Bioquímica de Oparin permitiram-lhe organizar a seguinte seqüência de idéias:
I. Para o aparecimento do primeiro organismo vivo na Terra, seria necessário que antes houvesse produção de matéria orgânica espontaneamente no meio. Isso seria possível?
II. Ainda que possível, existiriam, no ambiente primitivo da Terra, as substâncias que procederiam como "ingredientes" para a formação dessa matéria orgânica?
III. Se a matéria orgânica assim se tivesse constituído, teria ainda a condição de se organizar fisicamente, como se observa na matéria dos seres viventes que conhecemos?
IV. Seria esse o caminho para a "construção" da primeira célula viva?
Por seus estudos de Astronomia, Oparin sabia que na atmosfera do Sol, de Júpiter e de outros corpos celestes, existem gases como o metano, o hidrogênio e a amônia. Esses gases são ingredientes que oferecem carbono, hidrogênio e nitrogênio. Para completar a estrutura básica dos compostos orgânicos, só estava faltando um ingrediente que tivesse oxigênio. Então Oparin pensou na água.
Mas como explicar a ocorrência da água no ambiente ardente da Terra primitiva? Aí, entraram os conhecimentos de Geologia do cientista. Os 30 a 60 quilômetros de espessura média da crosta terrestre constituídos de rocha magmática são um testemunho incontestável da grande atividade vulcânica a que o mundo assistiu no passado. E se os geólogos garantem que, de todo o material expelido por um vulcão durante a sua erupção, cerca de 10% são constituídos de vapor de água, então, estava ali a resposta. Na atmosfera primitiva da Terra, entre os gases mencionados anteriormente, também havia bastante vapor de água.
A partir dessas conclusões, o cientista russo imaginou que a alta temperatura do planeta, a atuação dos raios ultravioleta e a ocorrência de descargas elétricas na atmosfera pudessem ter provocado reações químicas entre os ingredientes citados, com o aparecimento de aminoácidos. Essas moléculas certamente permaneceram flutuando no espaço por muito tempo.
A persistente atividade vulcânica por milhões de anos teria provocado a saturação de umidade da atmosfera. Nesse caso, a água não mais se mantinha como vapor. Passava ao estado líquido. Começavam a cair as primeiras chuvas sobre o solo quente do planeta. As chuvas arrastavam as moléculas de aminoácidos para o solo. Mas como este ainda se conservava com alta temperatura, a água retornava ao espaço por evaporação. Os aminoácidos permaneciam depositados sobre as rochas quentes. Oparin presumiu que as moléculas de aminoácidos, sob o estímulo do calor, pudessem combinar-se por ligações peptídicas. Assim, surgiriam moléculas maiores, de substâncias albuminóides. Seriam as primeiras proteínas a existir na Terra.
Mas o raciocínio de Oparin não termina aqui. Ele vai adiante. A insistência das chuvas por milhares ou milhões de anos acabou levando ao aparecimento dos primeiros mares da Terra. E para esses mares foram sendo arrastadas as proteínas que se formavam sobre as rochas quentes. Durante um tempo incalculável, as proteínas se acumularam nos mares de águas mornas do planeta em evolução. Lentamente as moléculas se combinavam, se partiam, voltavam a se combinar, com nova disposição. E, dessa maneira, as proteínas se multiplicaram quantitativa e qualitativamente.
Dissolvidas em água, as proteínas formaram colóides. A interpenetração dos colóides levou ao aparecimento dos coacervados. A esse tempo, por certo, já haviam surgido proteínas com capacidade catalisadora - as enzimas. Isso acelerava bastante os processos de síntese de novas substâncias.
Como surgiram as primeiras macromoléculas não dissolvidas no ambiente, mas agrupadas numa unidade constante e auto-reprodutora? Oparin foi o primeiro a dar uma resposta aceitável: com raríssimas exceções as moléculas da vida são insolúveis na água e, nela colocadas, ou se depositam ou formam uma suspensão coloidal, o que é um fenômeno de natureza elétrica. Há dois tipos de colóides: os que não têm afinidade elétrica com a água e os que têm afinidade. Devido a essa afinidade, os colóides hidrófilos permitem que se forme á volta de suas moléculas uma película de água difícil de romper. Existe ainda um tipo especial de colóides orgânicos. São os coacervados: possuem grande número de moléculas, rigidamente licalizadas e isoladas do meio ambiente por uma película superficial de água. Desse modo, os coacervados adquirem sua "individualidade".
Tudo era favorável para que na "sopa" oceânica primitiva existissem muitos coacervados. Sobre eles atuou a seleção natural: somente as gotas capazes de englobar outras, ou de devorá-las, puderam sobreviver. Imagine um desses coacervados absorvendo substâncias do meio exterior ou aglutinando outras gotas. Ele aumenta e ao mesmo tempo que engloba substâncias elimina outras. Esse modelo de coacervado, que cresce por aposição, não bastaria, porém, para que a vida surgisse.
Era preciso que entre os coacervados aparecesse algum capaz de se auto-reproduzir, preservando todos os seus componentes. A esta etapa do processo evolutivo, a competição deve ter sido decisiva. As gotas que conseguiram auto-reproduzir-se ganharam a partida. Elas tinham uma memória que lhes permitia manter sua individualidade. Eram os ácidos nucléicos.
Quando já existiam moléculas de nucleoproteinas, cuja atividade na manifestação de caracteres hereditários é bem conhecida, os coacervados passaram a envolvê-las. Apareciam microscópicas gotas de coacervados envolvendo nucleoproteínas. Agora, faltava apenas as moléculas de proteínas e de lipídios (gorduras) se organizarem na periferia de cada gotícula, formando uma membrana lipoprotéica. Estavam presentes as primeiras e mais rudimentares células jamais vistas.
Stanley Miller
Um dos pais do mais famoso experimento sobre a origem da vida, o americano Stanley Miller, morreu em 20/05/2007, aos 77 anos. O grande feito do cientista foi realizado em 1952, sob a supervisão de Harold Urey (1893-1981), quando ambos estavam na Universidade de Chicago. Colocou num balão de vidro: metano, amônia, hidrogênio e vapor de água. Submeteu-os a aquecimento prolongado. Uma centelha elétrica de alta tensão (eletrodos de tungstênio) cortava continuamente o ambiente onde estavam contidos os gases. Ao fim de certo tempo, Miller comprovou o aparecimento de moléculas de aminoácidos no interior do balão, que se acumulavam e eram recolhidas no tubo em U.
Desde então conhecido como experimento de Urey-Miller, o trabalho foi publicado em 15 de maio de 1953 pela revista científica "Science", com um impacto notável -- era a primeira demonstração de como moléculas complexas e essenciais à vida podiam surgir a partir de compostos mais simples. "Stanley Miller foi o pai da química da origem da vida", disse Jeffrey Bada, professor de química marinha da Universidade da Califórnia em San Diego e foi orientado em sua pós-graduação pelo famoso cientista. "E ele foi um líder naquele campo por muitas décadas, mantendo-se ativo até mesmo após seu primeiro derrame, em novembro de 1999. Foi o experimento de Miller que quase da noite para o dia transformou o estudo da origem da vida num campo respeitável de investigação." Miller nasceu em Oakland, Califórnia, em 7 de março de 1930. Ele se formou em química pela Universidade da Califórnia em Berkeley em 1951 e fez doutorado na Universidade de Chicago, concluído em 1954. Passou um ano com uma bolsa no Caltech (Instituto de Tecnologia da Califórnia) e outros cinco anos na Universidade Columbia, antes de se instalar na Universidade da Califórnia em San Diego -- onde terminou sua carreira científica.
Pouco tempo depois, em 1957, Sidney Fox submeteu uma mistura de aminoácidos secos a aquecimento prolongado e demonstrou que eles reagiam entre si, formando cadeias peptídicas, com aparecimento de moléculas protéicas pequenas. As experiências de Miller e de Fox comprovavam a veracidade da hipótese de Oparin.
Uma teoria mais recente aponta que seriam microesferas, e não coacervados, os primeiros organismos vivos. Segundo essa teoria, bilhões de microesferas foram formadas nessa fase inicial do planeta com o aquecimento de aminoácidos, elemento básico da proteína. Essas microesferas podiam absorver e concentrar outras moléculas existentes na solução ao seu redor e podiam também fundir-se entre si, formando estruturas maiores. Os defensores dessa teoria apontam, como prova de sua veracidade, o fato de que a partir das microesferas podem se formar brotos.
O mistério
O que é considerado o verdadeiro mistério desta história? O encapsulamento das moléculas por uma membrana de gordura e proteína, que permitiu a formação das células, estrutura básica de todos os seres vivos. Não se sabe como, dessas moléculas, sejam coacervados ou microesferas, surgiram as células. Imagine um oceano primitivo, cheio de nucleotídeos e seus fostatos, e bastante superfície mineral para atuar como catalisador. De repente, surge um polinucleotídeo. Como já vimos, este poderia servir, tal como na duplicação do DNA, como um padrão para "fábricar" o segundo. Alguns erros, entretanto, poderiam ocorrer na duplicação. Isto corresponde a uma molécula capaz de se reproduzir e sofrer mutações. Alternativamente, pode-se supor que o surgimento de tais moléculas ocorreu diversas vezes, em vários pontos do oceano primitivo. Esta população de polinucleotídeos que se duplicam não pode, ainda, ser considerada viva, por nenhuma das definições de vida vistas acima: ela não influencia seu ambiente significativamente. A formação de vários polímeros de aminoácidos, as proteínas, também pode ter ocorrido, espontaneamente, no mar primitivo. Hoje, sabe-se que as proteínas não tem poder reprodutivo, e os polinucleotídeos não tem atividade catalítica. É a parceria entre estas duas moléculas que faz a vida contemporânea possível.
Sendo assim, a vida teve origem no exato instante em que ocorreu alguma associação funcional entre as proteínas e os polinucleotídeos, ou seja, com a origem do primeiro código genético. Os mecanismos auxiliares à reprodução do código, as enzimas, os mensageiros, ribossomos, etc., são o produto de uma longa história evolutiva, e são produzidos de acordo com instruções contidas no código genético. No momento da origem, o código para tais mecanismos estava, obviamente, ausente. Várias linhas de evolução de códigos genéticos distintos pode ter iniciado em vários pontos do planeta, porém, na competição, somente um modelo de código sobreviveu: todos os organismos vivos da Terra são descendentes do mesmo código.
Primeiro o RNA
A versatilidade do RNA fez com que essas moléculas fossem consideradas candidatas a terem sido as primeiras macromoléculas surgidas em nosso planeta. Essa teoria, conhecida como “mundo de RNA”, foi proposta em 1962 pelo biólogo molecular americano Alexander Rich (1925-), do Instituto de Tecnologia de Massachussetts (EUA), e supõe que moléculas primitivas de RNA seriam capazes de estocar, transmitir e duplicar a informação genética (como o DNA), além de atuar como enzimas para catalisar reações químicas envolvendo moléculas primitivas.
O RNA parece ter sido o primeiro ácido nucleico a surgir, já que este forma curtas cadeias espontaneamente, em ambientes semelhantes aos que existiam na Terra primitiva, enquanto que o DNA não se forma espontaneamente nestas circunstâncias. Sabe-se igualmente que o RNA se liga temporariamente a sítios específicos, catalizando certas reações na célula viva na ausência de enzimas. A descoberta desta atividade catalítica do RNA veio alterar substancialmente as nossas idéias sobre o processo evolutivo; como as relações entre os ácidos nucléicos e as proteínas são numerosas, durante muito tempo foi suposto que estes dois tipos de moléculas biológicas teriam evoluido simultaneamente. Assim, se o RNA primitivo possuisse funções catalíticas, além da capacidade de armazenamento de informação, este tipo de ácido nucléico poderia funcionar sem DNA e proteínas, quando a vida surgiu. É provável que este mecanismo tenha existido nos processos iniciais da formação das células primitivas funcionando como elemento aglutinador da informação genética. Ulteriormente, o RNA terá originado DNA, possivelmente por transcrição inversa, molécula esta muito mais estável e destinada a funcionar como arquivo seguro da informação genética da célula.
Imaginemos uma pequena proteína formada por cinqüenta aminoácidos, de vinte variedades. Desmontando-se essa proteína e reagrupando-se seus aminoácidos, de todas as formas possíveis, isso resulta num número altíssimo: a unidade seguida de 48 zeros. Portanto, se nos mares primitivos eram possíveis todas as combinações (e eram, sem dúvida), por que razão vingaram as que produziram a vida? O paradoxo está em que vingaram exatamente porque produziram vida. Apareceram macromoléculas de diversos tipos, mas as que conseguiram organizar-se em pequenas unidades autoreprodutoras (como o DNA) usaram as outras como alimento. Isso permite saber que tipo de seres povoou primeiramente o Universo. Foram os heterótrofos, seres vivos, como animais e fungos, que se alimentam de outros seres vivos. Só depois surgiram os seres autótrofos, aqueles que, como as plantas, sintetizam seu próprio alimento.
Primeiro, os Heterótrofos
Uma grande dúvida que perseguiu alguns cientistas durante certo tempo foi quanto à natureza autótrofa ou heterótrofa dos primeiros organismos unicelulares que habitaram os mares primitivos da Terra. Os autótrofos produzem matéria orgânica e têm vida independente. Os heterótrofos dependem de outros seres dos quais se alimentam. Oparin concluiu que a vida começou com os seres heterótrofos.
Que justificaria essa afirmativa? Para justificá-la, basta imaginar que as primeiras células surgidas nas águas mornas dos oceanos pré-cambrianos certamente teriam uma estrutura muito simples e uma composição química elementar. É claro que o equipamento enzimático das células autótrofas, capaz de efetuar todas as complexas etapas da fotossíntese, não poderia existir naquelas primeiras células, tão simples, que começavam a aparecer. Seria muito mais fácil (e mais lógico também) que tais células se nutrissem da imensa "sopa protéica" acumulada nos mares durante todos os milhões de anos que antecederam o aparecimento da primeira célula, do que admitir a possibilidade do surgimento da primeira célula viva já dotada do numeroso elenco de enzimas encontrado nas células autótrofas dos nossos dias. É bem possível que, posteriormente, algumas células tenham desenvolvido equipamento enzimático capaz de promover a oxidação de compostos inorgânicos. A energia obtida a partir de tais oxidações permitia a formação de compostos orgânicos. Estava "inventada" a quimiossíntese. Surgiam os primeiros autótrofos. Eram autótrofos quimiossintetizantes.
Só quando algumas células adquiriram, provavelmente por endossimbiose, a capacidade de sintetizar a clorofila ou pigmento semelhante, com aptidão para reter e utilizar a energia da luz solar, é que se tornou possível a realização da fotossíntese. Entravam no palco da Natureza os seres autótrofos fotossintetizantes. E, como esses seres passaram a eliminar oxigênio para a atmosfera, produto da fotólise da água, isso abriu caminho para que surgisse um novo tipo de organismo - o dos seres de respiração aeróbia (que respiram o oxigênio do ar). Até então, todos os organismos existentes eram anaeróbios (seres que não precisam nem utilizam o oxigênio para a respiração). Hoje, a grande maioria dos seres vivos se enquadra entre os organismos aeróbios.
Procariontes originam eucariontes
Uma membrana traz, entretanto, alguns problemas adicionais: ela se constitui, de certa forma, num obstáculo para o crescimento da estrutura viva. Vamos explicar: à medida que a célula cresce, seu volume aumenta, assim como a superfície de sua membrana; porém a superfície cresce MENOS proporcionalmente, do que o volume. Desse modo, a célula MAIOR se alimenta PIOR. A única forma de restabelecer a relação favorável entre superfície e volume é a divisão da célula, que, assim, nunca pode passar de um certo tamanho.
Portanto o volume dos primeiros organismos é limitado, já que a partir de um certo tamanho tem de acontecer divisão celular. Robertson propõe que, por evolução biológica, alguns organismos devem ter adquirido a capacidade genética de dobrar sua membrana para fora (evaginação). Dessa forma, sem mudanças apreciáveis de volume, aumentaria a superfície em contato com o meio. Perceba que na proposta de Robertson fica implícita a idéia de que todos os orgânulos celulares membranosos tiveram a mesma origem; membranas nucleares, do retículo, do Golgi e plasmática nada mais seriam do que dobramentos de uma primitiva membrana.
Na célula atual, de fato, verificam-se dois fatos que apóiam fortemente as idéias de Robertson:
1) Há comunicação entre todas as membranas celulares, que se apresentam formando um sistema membranoso único.
2) Todas as membranas celulares têm a mesma composição e são lipoprotéicas.
Assim teriam aparecido, muito provavelmente, as primeiras células eucarióticas, que, em alguns casos, levaram vantagem quando competiam com os procariontes. Apesar disso, os procariontes continuaram existindo: são, como sabemos, as inúmeras espécies de bactérias e as cianofíceas atuais.
A origem de algumas organelas celulares
Uma teoria muito em voga atualmente a respeito da origem das organelas celulares é a endossimbiose. Trata-se da seguinte idéia: alguns organismos procariontes teriam sido “engolidos” por células maiores de eucariontes, ficando no interior da célula, mas com capacidade de reprodução independente e realizando determinadas funções. Acredita-se que mitocôndrias e cloroplastos possam ter se originado dessa forma. As mitocôndrias podem ter sido um dia BACTÉRIAS independentes; os cloroplastos, talvez CIANOFÍCEAS ou baterias fotossintetizantes.
Os argumentos a favor dessa idéia são muito fortes: cloroplastos e mitocôndrias possuem material genético próprio, semelhante ao DNA de bactéria. Esse DNA tem capacidade de duplicação, de transcrição; ribossomos existentes no interior desses orgânulos produzem também proteínas próprias. Por fim, ambos os orgânulos têm a capacidade de se reproduzir no interior da célula “hospedeira”.
A Teoria da Endossimbiose, criada por Lynn Margulis, da Universidade de Massachusetts - Amherst em 1981, com a publicação do seu ensaio Symbiosis in Cell Evolution (“Simbiose na Evolução das Células”), propõe que organelas ou organóides, que compõem as eucélulas tenham surgido como conseqüência de uma associação simbiótica estável entre organismos. Mais especificamente, esta teoria postula que os cloroplastos e as mitocôndrias (organelas celulares) dos organismos eucariontes (com um verdadeiro núcleo celular) têm origem num procarionte autotrófico – provavelmente um antepassado das cianobactérias atuais - que viveu em simbiose dentro de outro organismo, também unicelular, mas provavelmente de maiores dimensões, obtendo assim proteção e fornecendo ao hospedeiro a energia fornecida pela fotossíntese.
A principal implicação da endossimbiogênese é a de que os eucariontes são, de fato,quimeras produzidas pela combinação de diversos genomas de procariontes.
Esta teoria é apoiada por várias similaridades estruturais e genéticas como, por exemplo, a análise do genoma de algumas destes organelas mostra a sua origem de outros organismos. Outros tipos de algas possuem cloroplastos que provavelmente têm origem numa endossimbiose secundária (como as atuais zooxantelas simbiontes dos corais) ou por ingestão dum organismo com aquelas organelas.
Os eucariontes, como conhecemos hoje, isto é, células nucleadas e com organelas, teriam surgido de eventos de endossimbiose (simbiogênese) entre uma célula hospedeira e células procarióticas que deram origem às mitocôndrias e aos cloroplastos. Simbiogênese é o surgimento de uma nova linhagem de organismos como conseqüência de uma associação simbiótica estável. As evidências que apóiam a simbiogênese das organelas como mitocôndrias e cloroplastos são: (I) as proteínas presentes nas organelas são mais semelhantes aos seus análogos procarióticos do que aos eucarióticos; (2) existem procariotos de vida livre com forte semelhança estrutural, bioquímica e genética com as respectivas organelas; (3) as organelas possuem genoma próprio, com organização semelhante ao genoma procariótico; (4) os RNAs (ribossômico, transportador e mensageiro) das organelas também são mais semelhantes aos de procariotos; (5) as organelas são semi-independentes, com capacidade de replicação; e (6) as organelas e suas funções estão, alternativamente, presentes ou ausentes das células eucarióticas, não sendo encontradas formas intermediárias.
Além das características mencionadas, a presença de uma membrana dupla ao redor dessas organelas também é tomada como uma evidência de origem endossimbiótica. A membrana mais interna é de origem procariótica (membrana plasmática do endossimbionte) e a mais externa é de origem eucariótica (membrana do fagossomo da célula hospedeira). Pela criofratura, é possível verificar a orientação das membranas, pois as duas camadas lipídicas têm aparência diferente quando estão voltadas para o interior ou exterior. A membrana mais interna parece estar na orientação "correta", enquanto a membrana mais externa parece estar invertida, indicando uma origem a partir do fagossomo. Uma vez ocorrida a endossimbiose, genes do endossimbionte podem ser transferidos lateralmente para o núcleo da célula hospedeira. Os produtos desses genes devem ser então direcionados às organelas. Mitocôndrias e cloroplastos são, portanto, semi-independentes, já que necessitam dos produtos de alguns genes que agora são codificados no núcleo.
A maioria das linhagens eucarióticas tem mitocôndrias que foram adquiridas por meio de
um evento de endossimbiose entre uma célula eucariótica e uma bactéria púrpura, provavelmente há cerca de 2,5 bilhões de anos. O parente atual mais próximo das mitocôndrias é a bactériaRickettsia, um parasita intracelular, cujo genoma foi sequenciado em 1998.
Os seguintes fatos provam que as mitocôndrias e cloroplastos tiveram origem em bactérias endossimbiontes:
1. Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem DNA bastante diferente do que existe no núcleo celular e em quantidades semelhantes ao das bactérias;
2. As mitocôndrias utilizam um código genético diferente do da célula eucariótica hospedeira e semelhante ao das bactérias e Archaea;
3. Ambas organelas se encontram rodeadas por duas ou mais membranas e a mais interna tem diferenças na composição em relação às outras membranas da célula e semelhanças com a dos procariotas;
3. Ambos se formam por fissão binária, como é comum nas bactérias; em algumas algas, como aEuglena, os cloroplastos podem ser destruídos por certas substâncias químicas ou por ausência prolongada de luz, sem que isso afete a célula (que se torna heterotrófica); além disso, quando isto acontece, a célula não tem capacidade para regenerar os seus cloroplastos;
4. Muito da estrutura e bioquímica dos cloroplastos, como por exemplo, a presença de tilacóides e tipos particulares de pigmentos, é muito semelhante aos das cianobactérias; análises filogenéticas de bactérias, cloroplastos e genomas eucarióticos também sugerem que os cloroplastos estão relacionados com as cianobactérias;
5. A sequência do DNA de algumas espécies sugere que o núcleo celular contém genes que aparentemente vieram do cloroplasto;
6. Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem genomas muito pequenos, em comparação com outros organismos, o que pode significar um aumento da dependência destes organelos depois da simbiose se tornar obrigatória, ou melhor, passar a ser um organismo novo;
7. Vários grupos de protistas possuem cloroplastos, embora os seus portadores serem, em geral, mais estreitamente aparentados com formas que não os possuem, o que sugere que, se os cloroplastos tiveram origem em células endosimbiontes, esse processo teve lugar múltiplas vezes, o que é muitas vezes chamado “endosimbiose secundária”.
“De todos os organismos na Terra só as bactérias são indivíduos.”, disse Lynn Margulis, provocando murmúrios de incredulidade e mesmo reprovação. Então os seres vivos, da ameba ao homem, não são indivíduos, membros de uma espécie ou de outra, nas quais as características são transmitidas de uma geração a outra?
Margulis afirma: “À parte as bactérias, todos os organismos, absolutamente todos, são o resultado da associação de vários organismos individuais, que se encontraram no passado longinquo, uniram-se por interesses mútuos, misturaram os seus genes, e deram lugar a organismos complexos cada vez mais vantajosos favorecendo a sua sobrevivência num ambiente em mudança.”
Só em 1980, graças às novas técnicas de exploração bioquímica e microscópica, nasceu a “endocitobiologia” – a biologia do que se produz no interior da célula -, termo proposto por dois pesquisadores alemães, H. E. Schenk e Werner Schwemmler. A nova disciplina está orientada não somente para o estudo da célula (biologia celular), mas igualmente para os processos evolutivos e simbióticos que deram origem a diversas organelas no interior da célula. A engenharia genética, permitindo estabelecer a sequência de numerosos genes, identificar os genes e comparar os genes de organismos diferentes, impôs progressivamente a idéia da origem simbiótica das células eucariotas, e a possibilidade de transferir os genes de uma célula a outra. A teoria da endossimbiose tem hoje cada vez mais adeptos.
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