Ecologia microbiana

ESTUDO DOS MICRORGANISMOS E SEUS

PROCESSOS IN VIVO

Apresentação da disciplina

Objetivos Importância dos microrganismos no planeta

Processo evolutivo da vidaSustentabilidade do planeta

Técnicas utilizadas Breve histórico

Ecologia microbiana

Estuda os microrganismos e sua interação com o ambiente biótico e abiótico.

Interações:

MICRORGANISMOS - MICRORGANISMOS

MICRORGANISMOS - MACRORGANISMOS

MICRORGANISMOS - AMBIENTE

FATORES BIÓTICOS

FATORES ABIÓTICOS

Objetivos

1. Estudo da diversidade microbiana

2. Manejo da diversidade para melhorar a qualidade de vida

(do homem e todos os seres do planeta)

Microrganismos e evolução

Importância dos microrganismos

Origem da vida

Existem apenas especulações sobre a origem da vida na Terra.

1. O estudo dos fósseis nos permite indicar de forma aproximada a época do

surgimento dos primeiros organismos celulares.

2. Grandes questões:

1. A vida apareceu espontaneamente?

2. Como eram constituídos os primeiros organismos vivos?

Origem da vida

Evidências sugerem:

1. Vida se originou espontaneamente de uma “sopa pré biótica” composta por substâncias químicas simples, em ambiente marinho.

2. Um mundo composto por RNA (serviu como molécula hereditária e catalisadora de reações bioquímicas)

COMO CHEGAMOS A ESTE PONTO NA EVOLUÇÃO?

Estudos sugerem que as primeiras formas de vida foram MICROBIANAS

Microrganismos são simples e constituem MODELOS

para entendimento de como o processo evolutivo funcionou.

FOI REFUTADA A TEORIA DA GERAÇÃO ESPONTÂNEA PORÉM AS PRIMEIRAS FORMAS DE VIDA SE ORIGINARAM DE SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS (NÃO VIVAS)?

E agora?

PORQUE ESTES MECANISMOS NÃO OPERAM ATUALMENTE?

Teorias científicas

devem explicar

Paradoxo

PRINCIPAIS EPISÓDIOS DA HISTÓRIA DA TERRA

Origem da Terra4.500

Solidificação da crosta Terrestre

Origem da vida ?

3.500 Fóssil procarionte mais antigo

2.700 Acúmulo de oxigênio na atmosfera devido as cianobactérias

2.600Evidência dos primeiros organismos terrestres na África do Sul1.500

Fóssil eucarionte mais antigo

1.200 Fóssil do organismo terrestre mais antigo

500 Plantas colonizam Terra

Extinção dos dinossauros

Primeiros Humanos

Era Paleozóica

Era Mesozóica

Era Cenozóica

UNIVERSO: 10-20 bilhões de anos

SISTEMA SOLAR: 4,5-4,6 bilhões de anos

TERRA- 4,1 bilhões de anos

Sopa primordial

Síntese abiótica

Polimerização e formação de moléculas maiores

Moléculas simples

Estabilidade da sopa na ausência de oxigênio

                                                                

Dados geológicos indicam a terra no inicio como uma bola de fogo e a atmosfera diferente da atual (SEM OXIGÊNIO)

Todo o oxigênio foi produzido por microrganismos Portanto ½ do tempo de existência da terra não havia oxigênio

MICROGANISMOS SÃO RESPONSÁVEIS PELO AMBIENTE DO PLANETA ATUAL

O OXIGÊNIO É VENENOSO GERANDO H2O2 E RADICAIS IVRES...ALGUNS MICROGANISMOS ATÉ HOJE NÃO CONSEGUEM LIDAR COM O2 VENENOSO E EVITAM-NO!

1. Os microrganismos literalmente “criaram” as condições ambientais atuais na Terra.

2. Eles vem evoluindo e explorando nichos durante um longo período: extrema diversidade e divergência.

3. A velocidade de crescimento microbiana favorece o processo evolutivo.

Comparação entre condições na Terra e outros planetas

Atmosfera Marte Vênus Terra

Sem vida

Terra

Com vida

CO2 (%) 95 98 98 0,03

N2 (%) 2,7 1,9 1,9 79

O2 (%) 0,13 Traço Traço 21

Temperatura (°C )

-53 477 290 13

Fonte: Lovelock,1979

Lovelock,1979

Hipótese de Gaia

Terra é um super-organismo que através de suas atividades bioquímicas (sobretudo derivadas dos microrganismos) tem propriedades auto-reguláveis (favoráveis a vida) através de um sistema complexo de controle.

- Presença de elevado CO2 (capacidade retentora de calor)

- Abaixamento de CO2 redução de temperatura

As reações do planeta às ações humanas podem ser entendidas como uma resposta auto-reguladora.

Fósseis “red beds”Esta rocha é um fóssil

Na Terra primitiva (sem oxigênio) ou em ambientes atuais anóxicos, sedimentos ricos em ferro tem cor preta, na forma reduzida (sulfeto de ferro)

oxidaram ferro (cor ferrugem)

Somente depois desse processo o oxigênio começou a acumular na atmosfera, pois antes era totalmente consumido.

Surgimento das cianobactérias fotossintetizantes

A acumulação de oxigénio molecular criou a necessidade de estruturas protetoras contra esse gás altamente agressivo. Os dados geofísicos indicam que o oxigénio molecular surgiu gradualmente na atmosfera há cerca de 2000 M.a. (Red beds)

O oxigênio molecular é um veneno para os organismos que não disponham de mecanismos protetores (catalase ou peroxidase, por ex.)

O oxigênio teve um papel fundamental no desenvolvimento e

“complicação” das estruturas biológicas:- capacidade de divisão celular depende da formação do complexo actina-miosina, impossível sem oxigênio; - síntese de esteróis, ácidos graxos e colágeno é impossível sem oxigênio; - metabolismo aeróbio fornece mais de 15 vezes mais energia que o anaeróbio; - camada de ozônio permitiu a vida em terra.

Bactérias obtiveram inicialmente a capacidade de respiração oxidativa.

Eucariontes surgiram tornando as bactérias (mitocôndrias e

cloroplastos) seus simbiontes.

Alguns eucariontes vivem sem oxigênio (ou sem mitocôndria) Ex: Giardia- protista aquático

CIANOBACTÉRIAS

Spirulina é comum em habitats aquáticos Biomassa verde na superficie do solo e sedimentos.

Quantas células seriam necessárias para mudar a composição da terra como aconteceu há bilhões de anos atrás?

Produção de oxigênio ao longo do tempo

Compostagem

• EXISTE VIDA EM OUTROS PLANETAS?

• CASO EXISTA PODERÁ SER MICROBIANA

• VIDA EM MARTE?

• CERTAMENTE O CONHECIMENTO DA VIDA MICROBIANA PODERÁ NOS DAR SUBSIDIOS IMPORTANTES SOBRE A VIDA EXTRATERRESTRE.

Muitos anos de evolução criaram uma diversidade microbiana enorme.

• Compreender esta riqueza coloca nossa vidas em perspectiva e atribui respeito pelas restantes formas de vida.

• Esta diversidade é pouco conhecida. O número estimado de bactérias chega a UM MILHÃO, estando apenas 4.200 espécies descritas.

• Apenas recentemente ficaram disponíveis os recursos para estudo da sistemática microbiana.

• Estimativas indicam que conhecemos hoje MENOS DO QUE 1% DA DIVERSIDADE MICROBIANA.

Microrganismos e outros seres

Semelhanças

Diferenças

Níveis

Grécia (300 a.C.)Diversas contribuições para a ciência

Primeiro a articular a dicotomia entre os seres vivos

classificou-os em: plantas e animais.

Mais tarde (1590) o microscópio foi descoberto e verificou-se que a classificação não incluía os “animálculos” de

Leeuwenhoek.

Aristóteles

Lineu

Viveu no século 18 e criou a hierarquia na classificação da vida:

REINO, FAMÍLIA, CLASSE, ORDEM,GENERO, ESPÉCIE

Baseado no fenótipo

Ainda hoje a definição de espécie tal como se refere aos animais é difícil de aplicar.

 

Charles DarwinSéc. 19, pai da seleção natural e evolução

Ajudou a visualizar a genealogia da vida através de linhagens e ramificações.

Conceito de evolução dos organismos e ramificações.

Ernst HaeckelÁrvore da vida

(contemporâneo de Darwin)Primeiro a usar o termo "protista" onde ele incluiu

as bactérias.

Haeckel

• Primeiro a descrever as relações entre os seres vivos usando árvore da vida

• Definiu 3 reinos:

• Plantas

• Animais

UM TERCEIRO REINO PARA OS MICRORGANISMOS

• Protista.

Postulou ainda uma origem comum para todos os seres concordando este postulado com as evidências moleculares recentemente descobertas.

A Árvore da Vida

(The Tree of Life)

Haeckel reconheceu que a divisão em plantas e animais era incompleta.

Adicionou os protistas

(Reino Protista)

Copeland em 1938 reconheceu que bactérias deveriam incluir seu próprio reino ............. MONERA

Whittaker em 1959 criou os 5 reinos

Chatton, em 1938, estabeleceu a dicotomia:

PROCARIONTES E EUCARIONTES

Cinco reinos:

Whittaker (1960) adicionou um reino (Fungi) a visão de Aristóteles (plantas e animais)

Mas relegou os microrganismos para:

PROTISTA (MICRORGANISMOS EUCARIONTES)

MONERA (MICRORGANISMOS PROCARIONTES)

A revolução de Woese               Baseou sua classificação em moléculas (não no fenótipo)

FENÓTIPO GENÓTIPO

Descobriram uma enorme diferença genética entre alguns PROCARIONTES

WOESE DENOMINOU ESTE GRUPO ARCHAEA (primitivos)

MAIS TARDE SE VERIFICOU QUE ESTE GRUPO ERA MAIS PRÓXIMO DOS EUCARIONTES EM MUITOS ASPECTOS

DO QUE DAS BACTÉRIAS

TaxonomiaFilogenia

Relações evolutivas

DOMÍNIOS

Por quê o uso de rRNA?

RNA ribossômico (rRNA) é um componente do ribossoma, a máquina celular que traduz o DNA do código genético em aminoácidos e depois em proteínas.

Os genes rRNA estão presentes em todas as formas de vida, sendo suficientemente conservados . Mas, contendo variabilidade suficiente para determinar relações evolutivas.

Definições básicas sobre relações evolutivas

Filogenia = genealogia de um grupo como espécie (se for genealogia dos genes se refere a existência de um gene ancestral comum)

Filogenia difere de taxonomia ?

Taxonomia = classificação, nomear

Obs: Alguns cientistas indicam que taxonomia deve refletir a filogenia

Uma árvore filogenética indica hipóteses sobre relações

A árvore ilustra a hipótese de que todas as formas de vida estão relacionadas e divididas em TRÊS grupos denominados domínios:

Bacteria, Archaea e Eucarya

A árvore universal da vida, Woese et al., 1990

A B C

O que esta árvore indica?

1. B e C são mais semelhantes entre si do que qualquer um deles com A

2. B e C devem dividir alguma característica homóloga que falta em A

3. A divergência entre A e B/C ocorreu antes da divergência entre B e C

Homológo =características resultante de um ancestral comum

A árvore da vida baseada em filogenia de rRNA indica:

1. Vida bacteriana foi a primeira forma

2. Primeiros 3 bilhões de anos a vida foi de seres unicelulares

3. Eucariontes unicelulares datam de há 2 bilhões de anos

A árvore baseada em rRNA provê uma filogenia, mas outras moléculas sugerem outras filogenias.

Ex: rRNA sugere que Eucarya seja mais relacionada com Archaea do que com Bacteria.

Mas, genomas de mitocôndrias e cloroplastos sugerem a origem a partir das bactérias (não árqueas).

Nas bactérias, genes que codificam para a fixação de nitrogênio, sugerem filogenias diferentes daquelas a partir do rRNA.

Transferência lateral

O “arbusto da vida”

Instrumentos técnicos

Técnicas

- Enriquecimento e cultivo

- Amostragem do ambiente

- Detecção no ambiente

Fenotípica, Perfil lipídios

- Enumeração de microrg.

-Medidas da atividade

Tradicionais

- Microscopia

Eletrônica

Confocal

- Detecção molecular

Sondas, FISH

- Análise de comunidades

PCR, DGGE

ModernasMetabolomaMetagenoma

Técnicas tradicionais

Isolamento

Cultura pura

Níveis de informação ambiental

Culturas puras

- Usam UMA espécie em cultura

Informações ambientais restritas porém importantes em estudos básicos

Microcosmos

- Usa amostra ambiental e permite a manipulação de parâmetros ambientais

Permite o monitoramento de respostas

Estudos in situ

-Comunidades no habitat

Requer tecnologias modernas

Sergei Winogradsky

Conceito da quimioautotrofismo microbianoFundador da Microbiologia do solo

Martinus Beijerinck

Conceito de culturas de enriquecimentoFixação de N simbioticamente e não simbioticamente

Mullis, Brock, Bartha, Atlas, .....

Alguns nomes