História evolutiva da vidaA história evolutiva da vida na Terra traça os processos pelos quais organismo vivos e fósseis evoluíram. Engloba a origem da vida na Terra, que se pensa ter ocorrido há 3,5 bilhões de anos, até aos dias de hoje. As semelhanças entre todos os organismos atuais indicam a presença de um ancestral comum a partir do qual todas as espécies divergiram por um processo de evolução. |
Biofilmes de bactérias e archaea coexistentes foram a forma de vida dominante no início do Arqueano e pensa-se que muitos dos principais passos nos primórdios da evolução tiveram lugar dentro deles. A evolução de fotossíntesecom oxigênio, há cerca de 3,5 bilhões de anos, eventualmente levou àoxigenação da atmosfera, começando por volta dos 2,4 bilhões de anos atrás. Enquanto que células eucariotas podem ter estado presentes anteriormente, a sua evolução foi acelerada quando começaram a usar o oxigénio no seumetabolismo. A evidência mais antiga de eucariotas complexos com organelos, data de há 1,85 bilhões de anos. Mais tarde, por volta dos 1,7 bilhões de anos atrás, começaram a aparecer organismos multicelulares, com células diferenciadas a realizar funções especializadas. |
As primeiras plantas terrestres datam de cerca de 450 milhões de anos atrás, apesar de evidências sugerirem que algas formaram-se em terra tão cedo com há 1,2 bilhões de anos. Plantas terrestres foram tão bem sucedidas que se pensa que elas contribuíram para a extinção do Devoniano. Os animais invertebradosapareceram durante o Ediacarano, enquanto que os vertebrados surgiram cerca de 525 Milhões de anos atrás durante a explosão do Cambriano. |
Durante o Permiano, sinápsidos, incluindo os ancestrais de mamíferos, dominaram a terra, mas a extinção do Permiano-Triássico há 251 milhões de anos esteve perto de dizimar toda a vida complexa. Durante a recuperação desta catástrofe, Archosauria tornaram-se os vertebrados terrestres mais abundantes, substituindo os therapsida em meados do Triássico Um grupo de archosauria, os dinossauros, dominaram o Jurássico e Cretácico, enquanto os ancestrais dos mamíferos sobreviviam como pequenos insectívoros. Depois daextinção Cretáceo-Paleogeno há 65 milhões de anos ter morto os dinossauros não-avianos os mamíferos aumentaram rapidamente em tamanho e diversidade. Tal extinção em massa pode ter acelerado a evolução ao fornecer oportunidades para novos grupos de organismos de diversificar. |
Evidências fósseis indicam que as plantas com flor apareceram e rapidamente diversificaram no princípio do Cretácico, entre 130 e 90 milhões de anos atrás, provavelmente pela coevolução com insectos polinizadores. Plantas com flores efitoplâncton marinho são ainda os produtores de matéria orgânica dominantes.Insectos sociais apareceram por volta da mesma altura que as plantas com flor. Apesar de ocuparem apenas uma pequena parte da "árvore da vida" dos insectos, agora formam cerca de metade da massa total dos insetos. Os humanos evoluíram a partir de uma linhagem com diferentes espécies de hominóideos cujos fósseis mais antigos datam de há mais de 6 milhões de anos. Apesar dos membros mais antigos desta linhagem terem cérebros do tamanho semelhante ao de umchimpanzé, há sinais de um aumento constante do tamanho do cérebro após 3 milhões de anos atrás. |
Os mais antigos fragmentos de meteorito encontrados na Terra têm
cerca de 4,54 bilhões de anos de idade; isto, junto
principalmente com a datação de depósitos de
chumbo antigos, colocou a estimada idade da Terra por volta deste tempo. A Lua tem a mesma composição da crosta terrestre mas não contém um núcleo planetário rico em ferro como o da Terra. Muitos cientistas pensam que cerca de apenas 40 milhões de anos depois um planetóide atingiu
a Terra, lançando para o espaço material da crosta que
acabou por formar a Lua. Uma outra hipótese é que a Terra
e a Lua começaram a coalescer ao mesmo tempo, mas a Terra, tendo
uma gravidade muito mais forte, atraiu quase todas as partículas de ferro na área.
Até
recentemente, as rochas mais antigas encontradas na Terra foram
estimadas possuirem cerca de 3,8 bilhões de anos de idade, levando
cientistas a acreditar durante décadas que a superfície
da Terra estava fundida até essa altura. De acordo com isto,
nomearam esta parte da história da Terra de éon Hadeano, significando "infernal" No entanto, análises de zircons formados entre 4,0 a 4,4 bilhões de anos indicam que a crosta solidificou
cerca de 100 milhões de anos depois da formação do
planeta e que o planeta rapidamente adquiriu oceanos e uma atmosfera,
que podem ter sido capazes de suportar vida.
Evidências recolhidas da lua indicam que a partir de 4,0 a 3,8 bilhões de anos sofreu um Intenso bombardeio tardio por detritos que sobraram da formação do Sistema Solar, e a Terra deveria ter sofrido um bombardeamento ainda mais intenso devido à sua maior gravidade Apesar
de não haver evidência direta das condições
na Terra há 4,0 - 3,8 bilhões de anos, não
há razões para pensar que a Terra não foi afectada
por este intenso bombardeamento tardio. O
evento poderá ter removido qualquer atmosfera e oceanos
anteriores; neste caso gases e água resultantes de impactos decometa podem ter contribuído para a sua substituição, apesar de que a desgaseificação vulcânica na Terra teria contribuído pelo menos metade.23
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Evidências mais antigas da vida na Terra
Os
organismos mais antigos que já foram identificados eram
diminutos e com relativamente poucas características, e os seus
fósseis parecem-se com pequenos bastonetes, que são
difíceis de diferenciar de estruturas que surgem através
de processos físicos abióticos. A evidência mais
antiga indisputável da vida na Terra, interpretada como bactérias fossilizadas, data de há 3 mil milhões de anos. Outras
descobertas em rochas datadas em cerca de 2,5 mil milhões de
anos têm sido também interpretadas como bactérias, com evidências geoquímicas aparentemente mostrando a presença de vida há 3,8 mil mílhões de vida. Contudo
estas análises foram escrutinadas cuidadosamente, e foram
encontrados processos não-biológicos que poderiam
produzir todos estes "sinais de vida" que foram relatados. Embora
isto não prove que as estruturas encontradas tenham uma origem
não-biológica, elas não podem ser tomadas como
evidências claras para a presença de vida. Assinaturas geoquímicas de rochas depositadas há 3,4 mil milhões de anos foram interpretadas como evidências de vida, embora estas afirmações não tenham sido examinadas pormenorizadamente por críticos.
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Vida "semeada" de outro lugar
A ideia de que a vida na Terra foi "semeada" de outras partes do universo data pelo menos do século quinto AEC. No século vinte foi proposto pelo químico físico Svante Arrhenius, pelos astrónomos Fred Hoyle e Chandra Wickramasinghe, e pelo biólogo molecular Francis Crick e pelo químico Leslie Orgel. Há
três versões principais para a hipótese de
"sementeira de outro local": vindo de outro lugar do nosso Sistema Solar via fragmentos lançados para o espaço por um impacto de um meteoro de grandes dimensões, sendo a única fonte credível Marte; por visitantes extra-terrestres, possivelmente por contaminação acidental com microorganismos que trouxeram com eles; e de fora do Sistema Solar mas por meios naturais.
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Origem da vida
Os estudos científicos da origem da vida, ocasionalmente também denominados evolução química, constituem um ramo pluridisciplinar da ciência, que envolve, além da Química e da Biologia, conhecimentos de Física, Astronomia e Geologia.
Seu objeto de interesse são os processos que teriam permitido
aos elementos químicos que compõem os organismos
atingirem o grau de organização estrutural e funcional
que caracteriza a matéria viva. O fato de que estes processos
requerem condições determinadas, que só podem
ocorrer em locais específicos do universo, conecta o estudo da
origem da vida à Astrobiologia.
Os
modelos propostos para a origem da vida são tentativas de
recriar a história desta evolução e é
importante destacar que não existe, na maioria das etapas deste
processo, nenhum consenso entre os cientistas. É uma
situação inteiramente distinta da evolução biológica onde o modelo evolucionista Darwiniano encontra-se
bem estabelecido há mais de um século. Para melhor situar
o problema é indispensável em primeiro lugar examinar os
níveis de organização inerentes à
matéria viva e então discutir como os modelos propostos
para a origem da vida (ou biopoese) tentam resolvê-los.
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Níveis de organização dos organismos vivosMateriais disponíveis (Elementos biogênicos)
O primeiro requisito fundamental refere-se à disponibilidade dos elementos químicos essenciais à vida. De fato, o carbono, o hidrogênio, o oxigênio, o nitrogênio, o fósforo e o enxofre,
denominados coletivamente "elementos biogênicos" (geradores de
vida), estão entre os mais abundantes do universo. Pertencem
igualmente ao grupo dos elementos mais leves da tabela periódica, e são ou formam facilmente compostos voláteis. Estão, por isso, sempre presentes em grande quantidade emplanetas ou satélites grandes
e frios o suficiente para possuírem atmosferas, e tendem a se
acumularem em suas camadas superficiais. Por outro lado, a natureza das
reações bioquímicas conhecidas exige que as
temperaturas reinantes permitam a existência de água em estado líquido. Estes limites são fundamentais aos conceitos de habitabilidade planetária e dezona habitável.
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Distribuição dos elementos biogênicos no universo
Embora
ainda não se tenha evidências a respeito da
composição das atmosferas dos planetas extra-solares,
é altamente improvável que os elementos biogênicos
não constituam a maior parte da sua massa. A grande
diferença que pode ser esperada entre as
composições atmosféricas dos vários
planetas, é tal como no sistema solar, a que é decorrente
da capacidade de retenção dos vários gases em
função da temperatura e da força gravitacional.
Assim, os planetas grandes e frios tendem a reter uma grande quantidade
de hidrogênio, resultando em atmosferas redutoras (CH4, NH3, H2, H2O).
Nos planetas (ou satélites) muito pequenos ou muito quentes, o
envoltório gasoso é facilmente perdido. Apenas os
planetas em que a temperatura moderada está aliada a um porte
médio, há a possibilidade de formação de
atmosferas oxidadas, devido à perda seletiva (ou escape) do
hidrogênio. As atmosferas oxidadas podem ser neutras (N2, CO2, H2O) ou oxidantes (quando há um excesso de oxigênio: N2, CO2, O2, H2O).
As composições prováveis das atmosferas
planetárias variam basicamente, portanto, no que diz respeito a
seu grau de oxidação. A discussão a respeito do
grau de oxidação da atmosfera primitiva da Terra é
um dos tópicos fundamentais aos modelos de origem da vida.
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Combinação (Compostos orgânicos)
Nos
organismos vivos, os elementos biogênicos constituem
moléculas de grande variedade estrutural onde se distinguem
três classes principais; os lipídeos formados pela combinação de compostos muito reduzidos e insolúveis em água; osglicídeos e os protídeos,
ambos de grau de redução intermediário, e
tipicamente solúveis em água na sua forma
monomérica (ou seja, quando as moléculas que os
constituem, os monossacarídeos e os aminoácidos, estão desagrupadas). Já em sua forma agrupada, os polímeros, podem apresentar as características físico-químicas mais variadas.
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Agregação dos materiais orgânicos
As
formas poliméricas dos glicídeos incluem tanto
formações lineares quanto expansões laterais.
Estes polímeros têm geralmente função
estrutural (celulose) ou de acúmulo energético (amido, glicogênio).
Já os polímeros derivados dos aminoácidos, os
polipeptídeos, além de se prestarem a estas mesmas
funções, têm papel essencial no funcionamento do
metabolismo. Os polipeptídeos fabricados pelos organismos vivos
são denominados proteínas. As proteínas envolvidas
em funções metabólicas são denominadas enzimas.
São basicamente constituídas de cadeias lineares de
aminoácidos que organizam-se espacialmente formando
hélices ou novelos determinados pela constituição
individual dos aminoácidos componentes da cadeia. A
conformação espacial de cada proteína é
responsável por suas características
físico-químicas.
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Orientação espacial (Quiralidade)
Para
que a conformação espacial das proteínas seja
constante é indispensável que os aminoácidos que a
constituem tenham uma orientação espacial determinada.
Todos os aminoácidos, com exceção da glicina,
podem existir em duas formas geometricamente opostas denominadas
enantiômeros. Esta propriedade constitui a chamada 'quiralidade'
(do grego chiros -'mão'), pois as duas formas diferem uma da
outra em termos de orientação espacial da mesma forma que
a mão esquerda difere da mão direita. Os
aminoácidos e açúcares preparados por
métodos artificiais sem o uso de agentes quirais são
sempre misturas de partes iguais dos dois enantiômeros. Nos seres
vivos, ao contrário, o maquinário metabólico
é totalmente específico, sintetizando e utilizando
aminoácidos e açúcares pertencentes a uma mesma
forma estrutural.
Organização funcional
O
surgimento da organização funcional dos organismos
primitivos, ou seja, a forma como as moléculas se dispõem
para constituir as primeiras entidades capazes de interagir com o meio
ambiente é outro passo fundamental. O fato de que nos organismos
atuais todas as funcionalidades presumem a existência de
compartimentos individualizados, as células, demonstra que a conquista da celularidade foi certamente um fato decisivo na história primitiva dos sistemas vivos.
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Transmissão da informação
O
outro requisito essencial da evolução primitiva da vida
foi o desenvolvimento da possibilidade de transmitir a
informação adquirida na interação com o
meio ambiente, que requer a possibilidade de reprodução e
também a possibilidade de criação e
preservação da variabilidade entre os organismos. Estas
características dependem das propriedades singulares dos
ácidos nucléicos (RNA e DNA),
moléculas que são capazes de conter
informação e de se replicar, estando esta
replicação sujeita a pequenos erros. O aumento da
variabilidade traduz-se num grande número de modos de
interação com o meio ambiente, dos quais os mais eficazes
são preservados, por meio da seleção natural.
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Evolução das ideiasHipótese heterotrófica (ou clássica)
O
marco inicial do questionamento científico moderno a respeito da
origem da vida, pode ser posicionado nos experimentos de Louis Pasteur,
demonstrando que a formação de organismos vivos a partir
da matéria inanimada (geração espontânea),
não poderia ser, ao contrário do que muitos supunham
então, um fenômeno trivial.
A
partir daí, os cientistas voltaram-se para a idéia de que
a indagação científica a respeito do surgimento da
vida deveria ter como foco as condições muito especiais
exigidas para este processo, que possivelmente teriam existido apenas
nos primórdios da história do planeta Terra. Uma das
primeiras abordagens do problema foi o questionamento acerca das
características dos primeiros seres vivos. Para sobreviver num
ambiente primordial seria necessário que estes organismos
primitivos fossem capazes de sintetizar seus próprios nutrientes
(isto é, seriam autotróficos), ou dispusessem de uma
fonte externa de compostos orgânicos (neste caso seriam
heterotróficos). A maior complexidade dos organismos
autotróficos, que devem ser capazes tanto de produzir quanto de
consumir seu alimento, sugeriu aos cientistas das primeiras
décadas do século XX que a Terra primitiva teria sido um
ambiente rico em compostos orgânicos (Hipótese
heterotrófica). A descoberta da composição
química das atmosferas dos planetas exteriores, contendo
hidrogênio, metano e amônia, gases constituídos
pelos mesmos elementos que os compostos orgânicos que integram os
seres vivos, sugeriu a Oparin ,
um dos primeiros pesquisadores a se dedicarem a esta questão,
que também nosso planeta poderia ter tido uma atmosfera com
composição semelhante. Não conteria, por
conseguinte, oxigênio, que poderia causar a
decomposição dos compostos orgânicos por
oxidação. Mais tarde Haldane aperfeiçoou
o modelo sugerindo que, sob ação de relâmpagos ou
da radiação ultravioleta estes compostos seriam formados
na atmosfera e carregados pelas chuvas aos oceanos, que passariam a ter
as características de uma "sopa quente e rala" (hot thin soup).
Outra contribuição teórica importante foi a de John Desmond Bernal ,
que levantou a questão da necessidade de
concentração destes componentes e sugeriu como fatores
importantes as superfícies de evaporação em lagoas
costeiras e a capacidade de absorção de compostos
minerais em contato com os oceanos primitivos. Elaborou também o
conceito de biopoese, sistematizando em etapas progressivas o
desenvolvimento da complexidade dos seres vivos. Estas
formulações ganharam muita credibilidade depois que em
1953, Stanley Miller, trabalhando sob orientação de Harold C Urey, logrou obter, num histórico experimento4 ,
uma variedade de aminoácidos. A verdadeira importância
deste experimento é, hoje, bastante contestada. Nem a
composição atmosférica utilizada é
atualmente considerada plausível sob um ponto-de-vista
geoquímico, nem os resultados obtidos parecem próximos de
elucidar os possíveis passos subseqüentes da
história da vida.
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O papel das argilas
Retomando as idéias de Bernal, Alexander Graham Cairns-Smith ,
desenvolveu a hipótese de que os minerais argilosos teriam
constituído não somente o suporte, mas também o
próprio sistema genético da vida primitiva,
posteriormente suplantado por compostos orgânicos (ácidos
nucléicos). Em sua defesa levantou a capacidade de
replicação de superfícies cristalinas, preservando
defeitos e irregularidades, e também a complexidade
química dos polímeros envolvidos nos processos
reprodutivos atuais.
Modelos Hidrotermais.
A
descoberta, em 1979, da Fossa das Galápagos (Corliss, Baross,
Hoffman), um rico ecossistema alimentado por compostos provenientes da
atividade hidrotermal e portanto, independente dos processos
fotossintéticos, serviu de base à hipótese de uma
origem quimiossintética autotrófica para a vida. Dentre
as muitas variantes desta proposta, a mais detalhada é aquela
que foi elaborada por Günter Wächtershäuser ,
postulando uma fase primitiva do metabolismo em que os processos
bioquímicos seriam estruturados de forma bidimensional, sobre as
superfícies da pirita (FeS2), um mineral abundante nestes ambientes.
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Modelos abstratos
Alguns
enfoques acerca da origem da vida utilizam uma abordagem mais abstrata
ou genérica. Ao invés de partir da natureza dos
constituintes químicos dos sistemas vivos, guiam-se sobretudo
por suas propriedades funcionais. Um dos modelos mais conhecidos nesta
concepção é o dos hiperciclos, propostos por Manfred Eigen como
protótipos dos ciclos metabólicos primitivos. Outras
propostas que fogem às especificidades da
postulação de uma bioquímica primitiva são
a proposta do "Garbage Bag World" ("Mundo Saco de Lixo"), do
físico Freeman Dyson , endossada por Robert Shapiro e o modelo de complexidade de Stuart Kauffman .
A primeira propõe que vesículas contendo
coleções de compostos químicos formadas ao acaso
competissem em viabilidade até que uma delas apresentasse todas
as características de um sistema vivo primitivo. Sugere ainda
que o metabolismo e a reprodução tivessem surgido
independentemente e que os organismos atuais descenderiam de uma
célula onde tivesse ocorrido a simbiose dos dois processos.
Kauffmann defende, com base em modelos puramente matemáticos,
que coleções suficientemente complexas de compostos
químicos podem vir a "cristalizar" ciclos metabólicos.
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Modelos metabólicos - O mundo dos tioésteres
A ideia de que o funcionamento dos processos metabólicos atuais
pode fornecer pistas importantes para a compreensão da
bioquímica dos primeiros seres vivos é a base de uma
visão "metabólica" da origem da vida, onde se destacam os
estudos de Harold Morowitz e Christian de Duve .
Coube a De Duve a formulação de um modelo mais preciso,
postulando a congruência entre o metabolismo primitivo e a
bioquímica dos seres vivos atuais, onde a função
central daAcetil-S-Coenzima A no metabolismo energético teria sido precedida por compostos derivados da esterificação de ácidos carboxílicos (RCOOH) com tióis (RSH), os tioésteres (RCOSR).
O "Mundo do RNA"
A proposição do "mundo do RNA" feita por Walter Gilbert em
1986, é baseada na descoberta do fato que estas moléculas
são capazes tanto de armazenar informação (como o
DNA na maior parte dos organismos vivos atuais), quanto de promover
reações metabólicas (como atualmente as enzimas,
de natureza protéica). Além das evidências
experimentais, que apontam para um rico repertório de atividades
catalíticas e para a capacidade de replicação e
evolução deste material, há, nos organismos vivos,
inúmeros indícios deste "mundo do RNA". Citam-se, entre
outros, a natureza química dos co-fatores enzimáticos,
estruturalmente relacionados com os monômeros do RNA e os
processos de reprodução de vários tipos de
vírus, tidos como remanescentes de formas primitivas de vida. A
etapa mais recente da origem da vida, tratada pela hipótese do
mundo do RNA, é considerada pela maioria dos cientistas a mais
bem conhecida, e talvez a única em que se tenha claramente
ultrapassado o domínio da especulação.
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Visões alternativasPanspermia
A panspermia é
a hipótese de que os seres vivos não se originaram em
nosso planeta, mas sim em outro ponto do universo, tendo sido
transportados pelo espaço cósmico, possivelmente sob
forma de esporos.
Seus defensores argumentam que o lapso de tempo necessário
à evolução da vida seria maior que os 4,5
bilhões de anos desde a formação da Terra, mas
não oferecem nenhuma ideia de onde ou como a vida teria
realmente surgido. Observe-se, porém, que a possibilidade de
compostos orgânicos simples formados em cometas ou em outros
pontos do espaço é aceita por muitos defensores do modelo
clássico para a origem da vida.
Ecopoese
O modelo da Ecopoese
postula que os ciclos geoquímicos dos elementos
biogênicos, dirigidos por uma atmosfera primordial rica em
oxigênio, foram a base de um metabolismo planetário que
precedeu e condicionou a evolução gradual da vida
organismal. Esta visão contraria a idéia tradicional de
que a ação dos organismos é a grande
responsável pelas características principais do ambiente
terrestre. É também consistente com as crescentes
evidências de uma atmosfera oxidante desde
o início da formação de nosso planeta e com a
antiguidade do metabolismo aeróbico, comparado à
fotossíntese oxigênica
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