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ORIGEM E EVOLUÇÃO DA VIDA
PARTE II
1 – Evolução em nível molecular.
2 – Mudanças macro evolucionárias e o processo de especiação.
3 – Origem e evolução da vida;
4 – Evolução do homem – parte final.
ORIGEM E EVOLUÇÃO DA VIDAPARTE II
Objetivos:
Trabalhar alguns dos principais componentes relacionados com a Teoria da origem da vida:
A origem da primeira entidade viva.
A evolução do ancestral comum de todos os seresvivos.
Não sabemos exatamente como a vida surgiu, ou qual foi a primeira entidade viva, mas será que temos informações mais consistentes a respeito do ancestral comum de todos os seres vivos?
O que seriam progenota e cenancestral?
Por que aceitamos a existência de um ancestral comum para todos os seres vivos?
Um ancestral comum ou uma comunidade deles?
I – COMO TERIA SIDO O ANCESTRAL COMUM DE TODOS NÓS?
Antes de prosseguirmos é preciso diferenciar o que
seria o primeiro ser vivo do ancestral de todos os seres
vivos:
Nesse intervalo teria acontecido a origem da vida na Terra
A partir daqui teríamos
a diversificação davida na Terra
No tópico anterior estudamos essa parte:
Nesse intervalo teria acontecido a origem da vida na Terra
A partir daqui teríamos
a diversificação davida na Terra
Agora, queremos saber sobre essa parte:
Então, façamos algumas perguntas:
Pergunta 1: Na escala acima, onde se encontraria o primeiro ser vivo (ou entidade, ou biomolécula viva) a vagar pelo planeta?
Pergunta 2: Na escala acima, onde se encontraria o ancestral comum de todos os seres vivos?
Pergunta 3: O que deve ter acontecido com as primeiras entidades vivas do planeta à medida em que a vida começou a se
tornar cada vez mais e mais complexa?
Pergunta 4: Como surgiu o ancestral comum de todos os seres vivos e o que ele teria em comum com os seres vivos atuais?
Com relação à quarta questão, como sabemos que existiu um ancestral
comum a todos os seres vivos entre 400 e 600 milhões de anos (m.a.)
depois do surgimento do primeiro metabolismo ou replicador
primordial?
DNA como material genético, com
exceção de alguns vírus de RNA (mas
vírus seriam o quê mesmo?).
Um código genético universal, com
exceção de alguns códons com
significados diferentes, usados por
algumas bactérias.
Homologia para uma série de genes e de
proteínas, principalmente para aqueles
envolvidos em atividades fundamentais,
como transcrição, tradução e replicação.
Por que todos os seres vivos compartilharem uma série de características em comum, tais como:
Exemplo – os três domínios da vida, baseado na taxonomia filogenética do RNAr 16S (Woese, 1977):
Cenancestral (ou LUCA – Last Universal Common Ancestor): último
ancestral (ou comunidade de ancestrais) comum de todos os seres vivos;
já apresentaria uma série de características compartilhadas atualmente
pelos seres vivos.
Estrutura da árvore universalda evolução da vida (Edgell & Doolittle, 1997):
Progenota: ancestral hipotético (mas, necessário) no qual os processos
básicos de informação (replicação, transcrição e tradução) ainda estavam
sofrendo mudanças evolucionárias rápidas e fundamentais.
Estrutura da árvore universalda evolução da vida (Edgell & Doolittle, 1997):
O primeiro seria bem mais simples que o segundo, mas ambos seriam
semelhantes à bactérias anaeróbicas ou às arqueobactérias
quimiossintetizantes, ou seja:
Seriam organismos unicelulares.
Viveriam na ausência completa de oxigênio livre.
Produziriam CO2 ou H2S.
Teriam DNA, RNA, proteínas, bem como um metabolismo basal (uma
vez que estes componentes são compartilhados por todos os seres
vivos).
Mas, como seriam o progenota e o cenancestral?
Mas será que o Cenancestral ou LUCA teria sido uma única
espécie?
A árvore da vida revisada (Doolittle, 2000):
Filogenias para diferentes
genes-chave produzem
relações filogenéticas
distintas entre bactérias,
arqueo e eucariotos.
Logo, a explicação mais
plausível é que genes
diferentes evoluíram em
linhagens diferentes e foram
transferidos horizontalmente!
Ou seja, o cenancestral ou LUCA deve ter sido uma comunidade de espécies!
E o que mesmo parece ter permitido a evolução
dos eucariotos?
Lynn Margulis (1938-2011) e a Teoria da EndossimbioseSequencial (SET):
Fusões e trocas de material genético entre procariotos distintos permitiram a evolução de organismos mais complexos como os
eucariotos.
Mas existiriam evidências científicas concretas para essa
transferência horizontal de genes e de genomas, incluindo
as mitocôndrias e cloroplastos?
Filogenia de genes nucleares e citoplasmáticos do milhocomparados com genes de eucariotos e procariotos:
DNA nuclear
DNA do cloroplasto
DNA mitocondrial
Observe que o DNA mitocondrial e cloroplastídicodo milho é mais semelhante ao
DNA de bactérias e cianobactérias,respectivamente!
O que o registro fossilífero nos conta sobre a origem e evolução da vida em nosso planeta?
A vida surgiu cedo ou demorou para aparecer por aqui?
Quanto tempo demorou para os animais pluricelularesaparecerem?
II – A EXPLOSÃO DO CAMBRIANO:
O que o registro fossilífero nosconta sobre a origem e evolução da vida na Terra (Freeman e Herron, 2001)?
Mas, será que a Terra setornou apta à vida
somente depois de 4 bilhões de anos (b.a.)?
Ao norte de Quebec, no Canadá, foi encontrada, em 2008, a rocha mais antiga do planeta, datada em cerca de 4,2 b.a. (Thompson,2008):
Isso abre uma janela temporal maior para a Isso abre uma janela temporal maior para a origem da vida em nosso planeta!origem da vida em nosso planeta!
Vida unicelular: primeiros registros fossilíferos de vida
unicelular complexa (ex: estromatólitos) é encontrada
no início do Pré Cambriano, entre 3,5 e 3,8 b.a.
Um resumo da história da vida na Terra:
Vida pluricelular: primeiros registros no final do Pré
Cambriano, entre 590 e 700 m.a.
Diante dessas evidências, podemos supor que a vida deve ter-se originado:
( ) Há cerca de 3,8 b.a.?
( ) Bem antes de 3,8 b.a.?
Mas, o que levou à explosão do Cambriano? Todos os grupos de organismos surgiram realmente neste curto período de tempo?
O que encontramos do Cambriano até o presente (488 m.a. – ):
uzidos
O que encontramos nas rochas do Pré Cambriano (4,6 b.a. – 541,0 ± 1,0 m.a.)?
Fósseis de bactérias de Apex Chert,
Austrália (3,47 b.a.):
Cianobacté ya
sp), Lag
O que encontramos nas rochas do Pré Cambriano (4,6 b.a. – 541,0 ± 1,0 m.a.)?
Os registros de vida pluricelular em Ediacara, na Austrália, datados entre
590 e 700 m.a., mostram uma fauna composta de de 67% cnidários, 25%
anelídeos e 5% artrópodes.
O que encontramos nas rochas a partir do final do Pré Cambriano e do Cambriano?
O que encontramos nas rochas a partir do final do Pré Cambriano e do Cambriano?
O Folhelho de Burgess, no Canadá, datado entre 564 e 544 m.a., apresenta fósseis de artrópodes, vermes segmentados,
moluscos e cordados.
Fósseis de Anomalocaris sp (acima à esquerda), Hallucigenia sp (aolado) e de um Trilobita (acima)
Alguns tipos de fósseis encontrados no Folhelho de Burgess:
Fauna e flora de Burgess
(564 – 544 m.a.).
Fauna de Ediacara
(590 – 700 m.a.).
Dioramas representando o ambiente marinho no final do Pré Cambriano (direita) e no Cambriano (abaixo):
Que fatores devem ter permitido a explosão
do Cambriano?
A origem dos organismos fotossintetizantes, muito tempo antes (~3,2 b.a.) pode ter contribuído para esse processo:
Vantagem adaptativa: produção de sua própria matéria-prima.
Consequências indiretas: produção de maior quantidade de biomassa e
liberação de O2 (produto de descarte):
Formação da camada de ozônio: proteção contra a
radiação UV solar.
Liberdade para evolução do metabolismo aeróbico: levando
aos organismos pluricelulares, a
meiose e a reprodução sexuada.
Formação rochosa com 2,1 b.a. mostrando um padrão de bandas de depósitos de ferro oxidado.
O sequenciamento do genoma da esponja Amphimedon queenslandica
mostrou que os primeiros metazoários devem ter possuído vários genes
semelhantes aos Hox.
Porém, esses genes
somente se expandiram
com a evolução dos outros
metazoários.
Quão antigos são os genes Hox (Goymer, 2007) e qual deve tersido a sua participação na evolução dos animais?
Esta expansão pode ter contribuído para a
diversificaçãosubsequente dos planos
corporais que ocorreu no Cambriano.
Mas, então, porque a evolução dos grandes
animais se deu a apenas a partir de 541 m.a.?
O que levou a explosão do Cambriano há 541 m.a. (Fox, 2016)?
No período Ediacarano, muito antes de 540
m.a., os oceanos tinham pouco oxigênio e o
seu leito era ocupado por um biofilme de
micróbios e por animais que se
assemelhavam a travesseiros macios e
acolchoados.
A maioria deles era imóvel, mas alguns se
locomoviam pelo limo, pastando os
micróbios.
Assim, a vida neste ponto era simples e não havia predadores!
Alguns cientistas defendem que um pequeno aumento na quantidade de oxigênio no final do Ediacarano (4)
permitiu a evolução de predadores, como o
Anomalocaris.
Por que o aumento no O2
livre nos oceanos teria si
importante para a explosão do Cambriano (Fox, 20
Atualmente, em áreas do leito oceânico com
níveis de O2 menores que 0,5%, pequenos
vermes sobrevivem, se alimentando de micróbios.
E, em locais com O2 entre 0,5 – 3%, os animais
são mais abundantes, mas o tipo de alimento
disponível continua limitado, ou seja, eles comem
mais micróbios que a eles mesmos.
Por fim, entre 3-10% de O2, é possível encontrar
predadores que se alimentam de outros animais.
Assim, se voltarmos ao passado, uma maior
quantidade de O2 teria
permitido a evolução de um metabolismo mais eficiente
e, portanto, de corpos maiores e mais complexos, o que resultou na explosão do
Cambriano!
Por outro lado, fósseis da Namíbia e da China, indicam que a explosão do Cambriano envolveu processos bem mais complexos que uma maior quantidade de O2 (Fox, 2016):
No final do Ediacarano, se observa um
aumento na quantidade de O2 nos oceanos, o
que deve ter permitido a evolução de animais
predadores.
Iisso poderia explicar a extinção de muitos animais imóveis, bem como a seleção de animais cavadores, que
começam a ser observados no registro fossilífero.
Contudo, o próprio ato de escavar, além de conferir proteção
contra a predação pode ter permitido, nesse novo habitat,
o acesso a nutrientes antes escondidos pelo
biofilme microbiano!
Mas, então, quando foi que os animais realmente surgiram (Fox, 2016)?
Embora os primeiros fósseis incontestáveis de
animais apareçam somente a 580 ma, as
evidências genéticas indicam que os grupos
ancestrais destes se originaram a
aproximadamente 700 – 800 m.a.
A solução para esse dilema é que, naquele
período, os níveis de oxigênio nos oceanos se
estabeleceram entre 2-3% em relação aos níveis
atuais.
Essa concentração pode ter feito com que eles permanecessem pequenos e simples,como os animais atualmente encontradosnas zonas oceânicas pobres em oxigênio.
Assim, animais comcorpos maiores
somente puderam evoluir quando os níveis de oxigênio
começaram a subir, no final do
Ediacarano!
Genes como os da família Hox permitiram
a complexificação dos eucariotos
pluricelulares.
O aumento na quantidade de O2 levou a
evolução de metabolismos mais
acelerados, corpos maiores, predadores e
cavadores mais eficientes.
Logo, deve ter existido um conjunto de fatores que permitiram a explosão do Cambriano, dentre eles:
Isso resultou em novos tipos de alimentos e métodos de alimentação,
novas formas anatômicas, novos mecanismos de locomoção e novos
comportamentos!
O que torna a Terra um lugar adequado para a sustentação da vida? Pelo menos para as formas de vida queconhecemos…
Com tantas restrições para um planeta sustentar a vida,qual seria a chance desta ser Universal ou, então, desta ter vindo para a Terra (e não surgido nela)?
Existiriam planetas semelhantes à Terra espalhados pelas Galáxias?
Existiria vida fora da Terra?
III – ONDE A VIDA REALMENTE SURGIU?
O que torna a Terra um lugar adequado para a vida?
Planeta rochoso: fornece um substrato para a
sustentação da vida.
Água na forma líquida: facilita a ocorrência de uma
série de reações bioquímicas.
Presença de um campo magnético: proteção da
radiação da galáxia e dos ventos solares que podem
erodir a atmosfera e a superfície do planeta.
Oxigênio livre: muitos microrganismos não necessitam
dele, porém, em mamíferos, cerca de 10% do oxigênio
participa da formação de moléculas e 90% participa da
respiração!
Ou seja, a Terra
apresenta uma distância
satisfatória da estrela a qual
ela orbita:
Como a descoberta de microrganismos extremófilos fez com que os os cientistas revissem essa questão de uma zona habitável?
Planetas com massa inferior a metade da Terra não retém uma atmosfera
consistente e não possuem muita ação geológica que permita a reposição
de CO2 atmosférico, dois fatores importantes para a manutenção da sua
temperatura.
A Terra também possui massa adequada:
Você vive aqui!
Ok!O planeta Terra é um lugar
legal de se viver. Mas, então a vida surgiu aqui
ou fora daqui?
Anaxágoras (500 a 428 a.C): primeiro filósofo a propor a Panspermia
(sementes da vida).
Lord Kelvin (final do século XIX): renascimento dessa ideia – a vida
havia sido semeada na Terra.
A Panspermia e a possibilidade de vida fora da Terra:
Por que essa ideia voltou à tona nas últimas décadas?
Resultados da análise do meteorito que caiu em Murchison, Austrália, em 1969:
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Dentre os compostos orgânicos detectados
foram encontrados
aminoácidos eaté purinas e pirimidinas!
Esse tipo de descoberta levou Fred Hoyle (1915 – 2001) e Chandra Wickramasinghe (1939 –) reeditaram a ideia, em 1981, de que a vida teria surgido no espaço, espalhando-se pelo Universo, via Panspermia:
Essa ideia é baseada justamente
na nossa capacidade atual de
detecção de polímeros complexos,
especialmente moléculas de
“poliformaldeídos”, espalhados
pelo espaço.
Então, parte dos compostos orgânicos necessários à origem da vida vieram do espaço ou a própria vida veio do espaço?
Atualmente sabemos que compostos
orgânicos existem fora da Terra? Mas, e vida?
Não estamos falando necessariamente neste tipo de forma de vida!
Mas atualmente procuramos por pistas em nosso Sistema Solar e em outras
regiões do Universo!
Seria uma evidência concreta de vida em Marte?Ou seria um caso de contaminação depois que caiu na Terra? Ou tais estruturas poderiam ter surgido em Marte de uma maneira abiótica?
Caiu na Antártida há aproximadamente 13
mil anos, sendo recuperado em 1984.
Apresenta em suas fraturas, estruturas
globulares/filamentares com alguns
nanômetros, baseadas minerais ricos em
carbonatos.
Exemplo – meteorito marciano ALH84001 arrancado de Marte há cerca de 16 milhões de anos:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c1/Planetas_extrasolares_descubiertos.png
Essas técnicas costumam detectar
perturbações em torno das estrelas
relacionadas com a órbita de
exoplanetas comumente gigantes.
Por outro lado, a partir da década de 1990, novos e equipamentos e técnicas começaram a permitir a detecção de planetas extrassolares:
Exemplo – em 2007, foi descoberto o planeta Gliese 581c, que orbita a estrela anã Gliese 581, situada a 20,5 anos-luzdo Sistema Solar:
Foto: Digital Sky Survey.
O que Gliese 581c parece ter de tão especial?
Primeiro planeta extrassolar descoberto
com grande potencial de ser habitável –
a simulação de como ele seria:
Cinco vezes a massa da Terra e com
um raio 50% maior.
Menor planeta extrassolar já
encontrado.
Temperatura média estimada entre 0
e 40ºC.
Estudos sobre a formação abiótica de compostos orgânicos
complexos indicam que eles podem ser produzidos tanto em
nosso planeta como fora dele.
Entretanto, existem ainda muitas questões a serem respondidas
com relação à origem da vida e a sua existência fora da Terra.
Por outro lado, há uma série de evidências provenientes de
dados geológicos, paleontológicos, filogenéticos e moleculares,
dentre outros, para o modo como a vida, depois de originada,
evoluiu e se diversificou em nosso planeta.
CONCLUSÕES:
Bibliografia:
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interaction world' hypothesis: protein interactions were the first form of
self-reproducing life and nucleic acids evolved later as memory
molecules. Med Hypotheses. 64(4):678-88.
BORGES JC (2007). Tem mais alguém aí?
http://cienciahoje.uol.com.br/94435. Acessado em janeiro de 2007.
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DNA replication proteins. Cell. 89:995-998.
FREEMAN S, HERRON JC (2001). Evolutionary Analysis. 2ª Ed. Upper
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Bibliografia:
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FUTUYMA DJ (1992). Biologia evolutiva. Ribeirão Preto. SBG/CNPq.
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MIX LJ (2006). The Astrobiolog Primer: An Outline of General Knowledge -
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