No final do século XIX vários cientistas alemães, nomeadamente Liebig, Richter e Helmholtz, tentaram explicar o aparecimento da Vida na Terra com a hipótese de que esta tivesse sido trazida doutro ponto do Universo sob a forma de esporos resistentes, nos meteoritos – teoria Cosmozóica.
A presença de matéria orgânica em meteoritos encontrados na Terra tem sido usada como argumento a favor desta teoria, o que não invalida a possibilidade de contaminação terrestre, após a queda do meteorito.
Actualmente já foi comprovada a existência de moléculas orgânicas no espaço, como o formaldeído, álcool etílico e alguns aminoácidos. No entanto, estas moléculas parecem formar-se espontaneamente, sem intervenção biológica.
O físico sueco Arrhenius propôs uma teoria semelhante, segundo a qual a Vida se teria originado em esporos impelidos por energia luminosa, vindos numa “onda” do espaço exterior. Chamou a esta teoria Panspermia (sementes por todo o lado).
Actualmente estas ideias caíram em descrédito pois é difícil aceitar que qualquer esporo resista á radiação do espaço, ao aquecimento da entrada na atmosfera, etc.
Apesar disso, na década de 80 deste século, Crick (um dos descobridores da estrutura do DNA) e Orgel sugeriram uma teoria de Panspermia dirigida, em que o agente inicial da Vida na Terra passaria a ser colónias de microrganismos, transportadas numa nave espacial não tripulada, lançada por uma qualquer civilização muito avançada. A Vida na Terra teria surgido a partir da multiplicação desses organismos no oceano primitivo.
Apesar de toda a boa vontade envolvida, nenhuma destas teorias avança verdadeiramente no esclarecimento do problema pois apenas desloca a questão para outro local, não respondendo á questão fundamental: Como surgiu a Vida ?
Teoria de Oparin sobre a origem da Vida na Terra
No entanto, um ponto de viragem fundamental ocorreu com o as teorias de Pasteur e de Darwin, permitindo abordar o problema sob uma perspectiva diferente.
Dados obtidos a partir de diversos campos da ciência permitiram ao russo Oparin formular uma teoria revolucionária, que tentava explicar a origem da Vida na Terra, sem recorrer a fenómenos sobrenaturais ou extraterrestres:
Dados Astronómicos
o Sol e os planetas do Sistema Solar formaram-se simultaneamente, a partir da mesma nuvem de gás e poeiras cósmicas, á cerca de 4700 M.A.;
a análise espectral de estrelas permitiu a conclusão de que as leis químicas são universais. As estrelas têm vários estádios de desenvolvimento, encontrando-se o Sol numa fase intermédia da sua “vida”. Estes factos permitem deduzir que os constituintes dos outros planetas e do Sol, dada a sua origem comum, devem ser os mesmos que a Terra primitiva conteve. A atmosfera primitiva da Terra deve ter contido H2 , Ch2 e NH3, como Júpiter ou Saturno, cuja gravidade impediu a dissipação desses gases para o espaço.
Dados Geofísicos
a Terra apresenta diversas superfícies de descontinuidade, separando zonas bem definidas provavelmente devidas a, na formação do planeta, os elementos mais pesados (Fe, Ni) se terem acumulado no centro, os intermédios (Al, Si) na crusta e os mais leves (H, N, C) na camada gasosa externa;
os vulcões lançam gases para a atmosfera;
as rochas sedimentares com mais de 2300 M.a. em África e na América do Norte são menos oxidadas que as mais recentes, revelando uma atmosfera pobre em oxigénio molecular. Este facto observa-se pela presença de grande quantidade pechblenda, um mineral de urânio facilmente oxidável. Por outro lado, o óxido de ferro apenas surge em depósitos com menos de 2000 M.a., altura em que se considera que a quantidade de oxigénio na atmosfera rondaria 1% da actual.
Dados Biológicos
o mundo biológico reflecte uma unidade de origem e constituição;
os elementos fundamentais dos seres vivos são C, H, O, N, P e S, vulgarmente abreviado para CHNOPS;
os compostos orgânicos básicos são os aminoácidos, bases púricas e pirimídicas, oses e ácidos gordos;
as provas da evolução são irrefutáveis, demonstrando que as condições e os organismos nem sempre foram o que são actualmente;
muitos compostos orgânicos já foram sintetizados em laboratório, como a insulina e a ureia;
pode-se criar em laboratório agregados de moléculas sob a forma de coacervados;
existem fósseis de organismos com 3000 M.A., os estromatólitos, estruturas resultantes da deposição de CaCO3 , retido e segregado por comunidades de cianobactérias, presentes em água doce e salgada;
os raios U.V. podem promover reacções entre compostos e degradar moléculas orgânicas;
a Vida na Terra, como a conhecemos, só é possível devido á filtragem dos U.V. pela camada de ozono (O3) da atmosfera superior.
Modelo evolutivo de Oparin
Quando a comunidade científica aceitou, finalmente, a ideia da lenta evolução das espécies, estava o terreno propício para o surgimento da primeira explicação racional para a origem da Vida. Esta surgiu em 1924 pela mão do geneticista russo Alexander Oparin.
Oparin considerou que as condições para a origem da Vida surgiram como uma etapa natural, incluída no constante movimento da matéria.
Tendo por base dados fornecidos por várias ciências, como anteriormente referido, Oparin desenvolveu a sua teoria baseada no princípio: as condições existentes na Terra primitiva eram diferentes das de hoje.
Particularmente, a atmosfera seria redutora, ou seja, sem oxigénio mas rica em hidrogénio. Este facto teria como consequência directa a falta de ozono nas camadas superiores da atmosfera e o bombardeamento constante da superfície da Terra com raios U.V.
Nessa atmosfera, o H2, seu principal constituinte, tenderia a reduzir as outras moléculas. Seria, também, uma atmosfera sem azoto e sem dióxido de carbono.
A sua constituição segundo Oparin, resultante da reacção dos gases provenientes da actividade vulcânica, seria: hidrogénio (H2), metano (Ch2), amoníaco (NH3) e vapor de água.
Estudos posteriores indicam que a atmosfera primitiva conteria ainda dióxido de carbono (CO2), azoto (N2), monóxido de carbono (CO) e sulfureto de hidrogénio (H2S).
A temperatura á superfície seria superior ao ponto de fusão do gelo mas inferior ao seu ponto de ebulição (0 - 100ºC). Parte da água terá sido decomposta, a quente, em hidrogénio, que se escapou para o espaço, e oxigénio, que se incorporou nas rochas. O restante vapor de água ter-se-á condensado, originando os oceanos, enquanto as chuvas intensas, correndo sobre os continentes, lhes extraíam o cálcio. Este ter-se-á acumulado em espessas camadas de sedimentos, que foram reincorporadas pelo manto. Este facto libertou a atmosfera de dióxido de carbono, evitando o desenvolvimento do efeito de estufa que existe em Vénus.
Esta mistura de gases, sujeita á acção de U.V., do calor da crusta em fase de arrefecimento, da radioactividade natural dos compostos recém formados e da actividade vulcânica, teria dado origem a compostos orgânicos simples em solução - sopa primitiva.
Esta explicação permitia ultrapassar a dificuldade da formação das primeiras biomoléculas (aminoácidos, oses, bases azotadas e ácidos gordos) pois estas teriam tido uma origem em moléculas inorgânicas.
A existência de certas rochas contendo minerais assimétricos, como as argilas, teriam facilitado a estruturação desses monómeros em polímeros, funcionando como catalisadores inorgânicos.
Segundo Oparin, os conjuntos moleculares ter-se-iam agregado numa estrutura rodeada por uma espécie de “membrana” de cadeias simples hidrocarbonadas, que a isolava do meio – coacervado.
Os coacervados derivam de um processo natural nas soluções de polímeros fortemente hidratados. Há uma separação espontânea de uma solução aquosa, inicialmente homogénea, em duas fases, uma rica em polímeros e outra quase exclusivamente água. Esta situação deve-se á atracção entre moléculas polares e repulsão entre moléculas polares e apolares.
O coacervado é uma gotícula coloidal (formada por partículas muito pequenas mas maiores que as moléculas com polaridade) rica em polímeros em suspensão num meio aquoso. A membrana do coacervado é formada por moléculas de água dispostas em redor dos polímeros. O coacervado pode interagir com o meio, incorporando moléculas na sua estrutura, crescer e dividir-se. À medida que novas moléculas se iam agregando, se a nova combinação molecular não fosse estável, o coacervado destruía-se. Se fosse estável o coacervado aumentava de tamanho, até que se dividia em dois.
No interior do coacervado, algumas moléculas catalisavam novas combinações, enquanto outras, autoreplicáveis, começavam a controlar as reacções metabólicas. Deste modo, este conjunto de moléculas funcionaria como uma pré-célula, constituindo uma primeira manifestação de Vida.
Estudos recentes apontam para a importância dos ácidos nucleicos no processo inicial do desenvolvimento da Vida.
O RNA terá sido a primeira molécula a surgir, já que este ácido nucleico forma curtas cadeias espontaneamente em ambientes semelhantes aos propostos nesta teoria. Além disso, o RNA liga-se temporariamente a locais específicos de outras moléculas, catalisando reacções na célula viva na ausência de enzimas, funcionando simultaneamente como DNA e proteína durante a evolução celular.
Obter-se-iam assim, os pilares moleculares da Vida, os ácidos nucleicos e as proteínas: sem ácidos nucleicos não há proteínas, ou seja, não há estrutura e controlo das reacções (enzimas) e sem proteínas (estruturais como as histonas e enzimáticas) não há replicação de DNA. Esta pré-célula, provavelmente semelhante a uma bactéria, seria heterotrófica, alimentando-se do “caldo orgânico” abiótico do meio.
Nos milhões de anos seguintes, a selecção natural terá conduzido esta evolução química, favorecendo conjuntos moleculares bem adaptados e eliminando outros, devido á rarefacção dos nutrientes nos oceanos.
Assim, para sobreviverem, estas células poderão ter evoluído para uma situação de autotrofia, necessitando de grande quantidade de electrões, como por exemplo o hidrogénio, dióxido de carbono ou moléculas sulfurosas. Não parece coincidência que a grande maioria de bactérias autotróficas actuais pertencerem ao grupo das bactérias sulfurosas.
Com o surgimento das cianobactérias fotossintéticas a acumulação de oxigénio molecular criou a necessidade do surgimento de estruturas protectoras contra esse gás altamente agressivo.
O oxigénio molecular é um verdadeiro veneno para os organismos que não disponham de mecanismos enzimáticos protectores (catalase ou peroxidase, por exemplo) capazes de reduzir os subprodutos altamente nocivos do metabolismo oxidativo (peróxido e superóxido de hidrogénio).
Os dados geofísicos indicam que o oxigénio molecular surgiu gradualmente na atmosfera há cerca de 2000 M.a.
O oxigénio teve um papel fundamental no desenvolvimento e complexificação das estruturas biológicas, como se pode constatar pelos exemplos seguintes:
capacidade de divisão celular depende da formação do complexo actina-miosina, impossível sem oxigénio;
síntese de esteróis, ácidos gordos e colagénio é impossível sem oxigénio;
metabolismo aeróbio fornece mais de 15 vezes mais energia que o anaeróbio;
camada de ozono permitiu a vida em terra.
Esta teoria explicativa do aparecimento do primeiro ser vivo necessitava, no entanto, de provas factuais que a apoiasse.
Para isso, diversos cientistas simularam em laboratório as condições que o seu autor considerava terem existido na Terra primitiva, entre eles Stanley Miller, cuja experiência se tornou célebre.
Esta experiência foi concebida para testar a possibilidade da formação de monómeros abioticamente, nas condições da teoria de Oparin.
Em 1953, Miller introduziu num balão uma mistura de metano, amoníaco, hidrogénio e água.
Essa mistura era constantemente bombardeada por descargas eléctricas de 60000 V e mantida a circular no aparelho pelo vapor de água criado pela ebulição da água.
Este procedimento foi mantido durante uma semana, após a qual se recolhem amostras que são analisadas por cromatografia.
As análises mostraram que o líquido amarelado que se tinha formado continha vários tipos de aminoácidos (alanina, ácido aspártico e glutamato) e ácidos orgânicos simples (fórmico, acético, propiónico, láctico e succínico) usuais nos seres vivos.
Juan Oro, outro investigador, demonstrou que era possível obter abioticamente as bases púricas e pirimídicas que compõem os ácidos nucleicos, aquecendo ácido cianídrico e amoníaco, por sua vez obtidos abioticamente de hidrogénio, monóxido de carbono e azoto molecular.
Saliente-se que uma das bases, a adenina, não só faz parte dos ácidos nucleicos mas também é fundamental para a formação de coenzimas como o NAD+ e o NADP+ e do ATP.
Sidney Fox testou a etapa seguinte, a formação abiótica de polímeros a partir dos monómeros.
Dado que a concentração de monómeros nos oceanos primitivos deveria ser baixa e que as reacções de polimerização são reacções de desidratação, estas não seriam fáceis de obter em condições naturais.
Assim, foi proposto que as polimerizações teriam ocorrido apenas em condições especiais, que aumentavam artificialmente a concentração de monómeros e catalisavam as reacções.
É sabido que as argilas são rochas formadas por camadas aluminossilicatos hidratados com grande quantidade de cargas positivas e negativas. Por este motivo estas rochas captam moléculas carregadas com grande facilidade pelo processo de adsorsão. Este poderia ser um meio de facilitar a polimerização, tal como a congelação, evaporação, calor, etc.
Fox testou esta possibilidade aquecendo a 200ºC misturas de aminoácidos obtidos abioticamente sobre pedaços de rocha. Obteve cadeias polipeptídicas, que designou proteinóides, e que podiam ser usadas como alimento por bactérias e podiam apresentar capacidade catalítica (uma pré-enzima).
Com estes proteinóides, Fox obteve ainda o passo seguinte da teoria de Oparin, a formação de coacervados, estruturas que Fox designou microsferas, por aquecimento á ebulição seguido de arrefecimento.
As microsferas aparentavam ter propriedades osmóticas através da sua membrana de moléculas de água, comportando-se como uma pré-célula.
Bilhões de Anos Atrás | 4,5 | 3,5 | 2,5 | 1,5 | 0,5 |
Fontes energéticas | bombardeio por U.V. elevado, calor da Terra elevado, relâmpagos intensos | bombardeio por U.V. elevado, calor da Terra menor, relâmpagos médios | bombardeio por U.V. elevado, calor da Terra biaxo, relâmpagos fracos | bombardeio por U.V. fraco, calor da Terra baixo, relâmpagos fracos | bombardeio por U.V. fraco, calor da Terra baixo, relâmpagos fracos |
Gases na atmosfera | hidrogênio, metano, amoníaco, água, dióxido de carbono | hidrogênio, metano, amoníaco, água, dióxido de carbono | Hidrogênio, amoníaco, água | Hidrogênio, amoníaco, água, ozono, oxigênio, dióxido de carbono | água, oxigênio, ozono, azoto, dióxido de carbono |
Moléculas no oceano | moléculas orgânicas simples sintetizadas abioticamente, metano e hidrocarbonetos, amónia, ácidos e álcoolis | moléculas orgânicas complexas sintetizadas abioticamente, nucleótidos, aminoácidos, açucares | Moléculas orgânicas complexas usadas pelos protobiontes, início da síntese biótica de proteínas, gorduras e çucares em células | moléculas orgânicas complexas obtidas apenas por síntese biótica | moléculas orgânicas complexas obtidas apenas por síntese biótica |
Tipo de formas de vida | era de evolução química, protobiontes | procariontes | procariontes | surgimento dos eucariontes | organismos multicelulares |
Criticas à Hipótese de Oparin
o hidrogénio é muito leve e escapa-se à gravidade da Terra com muita facilidade (quanto mais elevada a temperatura da atmosfera superior, mais facilmente se escapa) logo talvez não tenha predominado na atmosfera primitiva;
o oxigénio poderia existir em maior quantidade pois as enormes quantidades de vapor de água produzidas podiam ser decompostas em hidrogénio e oxigénio pelos U.V., tendo-se o hidrogénio escapado e o oxigénio acumulado na atmosfera. Se este processo fosse em grande escala, a atmosfera ter-se-ia tornado rica em oxigénio;
a atmosfera interage permanentemente com as rochas logo a análise destas poderia dar uma ideia aproximada da constituição daquela. Algumas rochas sedimentares foram formadas em condições redutoras, factor tido como argumento a favor da teoria de Oparin. No entanto, actualmente ainda é possível a formação dessas rochas, apesar da atmosfera rica em oxigénio, nomeadamente em pântanos. Essas rochas formam-se em condições de decomposição anaeróbia de matéria orgânica no lodo.
Por este motivo considera-se que, se tomadas no seu conjunto, as rochas de um dado período evidenciam que a atmosfera primitiva seria muito semelhante à de hoje. A dificuldade deste argumento é o facto de apenas existirem rochas com 3200 M.a., logo a atmosfera dessa época não ser redutora não invalida os pressupostos de Oparin pois considera-se que os primeiros organismos fotossintéticos teriam surgido á cerca de 3600 M.a. Outro aspecto a considerar é que, mesmo com atmosfera oxidante, tal como na actualidade, era possível a presença de locais com condições redutoras (sob rochas ou no fundo de lagos ou oceanos) com elevadas concentrações moleculares, permitindo a evolução química proposta por Oparin;
como terão surgido as moléculas reguladoras e autoreplicáveis ?
Não foi possível esclarecer devidamente se foi a proteína ou o ácido nucleico a primeira molécula a surgir na evolução química, ou se ambos surgiram simultaneamente. As proteínas e os ácidos nucleicos são as moléculas básicas de todos os organismos vivos. As proteínas têm uma função estrutural e enzimática e os ácidos nucleicos contêm a informação hereditária e os “programas” que controlam, pelas enzimas, todas as reacções dos seres vivos. Sem ácidos nucleicos não existe um plano de formação das proteínas, e sem enzimas não se realiza a cópia dos ácidos nucleicos.
Actualmente considera-se que o RNA terá sido a primeira molécula a surgir, seguido de uma forma simplificada de síntese proteica. Os fosfatos e a ribose seriam moléculas comuns e a adenina pode ter sido formada espontaneamente, tal como demonstrado por diversas experiências. Obter-se-ia, assim, uma molécula capaz de replicação devido á facilidade de emparelhamento de bases. No entanto, apesar de o RNA ser uma molécula mais reactiva que o DNA, tal não seria suficiente para catalisar reacções mais complexas, daí a necessidade do surgimento de uma outra molécula para realizar essas funções, as proteínas enzimáticas. As enzimas primitivas devem ter sido pequenos péptidos não específicos. Fox demonstrou nas suas experiências que alguns proteinoides tinham actividade catalítica mas verdadeiras enzimas apenas podem surgir após haver maneira de se conseguir reproduzir a sua sequência polipeptídica. Sabe-se que em condições pré-bióticas alguns polinucleótidos podem servir de matriz para a síntese de não enzimática de polinucleótidos complementares.
Apesar destes factos, facilmente se deduz que a grande maioria destas sequências não teria qualquer significado.
Estará a árvore da Vida de cabeça para baixo??
Ora aqui está uma pergunta com intrigantes respostas, segundo as mais recentes investigações (1998).
Temos sempre referido que a chamada árvore da Vida tem na sua base os seres procariontes (bactérias e arqueobactérias), organismos simples com uma única cópia de cromossomas circulares, tendo os restantes grupos (eucariontes) surgido quando conjuntos dessas bactérias se agruparam para formar células complexas, ditas eucarióticas.
Actualmente considera-se que o inverso tenha sido muito mais provável!! Os primeiros organismos não teriam sido do tipo bactéria, não vivendo em fontes termais ou aberturas vulcânicas no fundo do mar. Deverão, pelo contrário, ter sido muito mais semelhantes a protozoários, com genomas fragmentados (em vários pequenos cromossomas lineares) e poliplóides (com várias cópias do mesmo gene para impedir que "erros" na transcrição impedissem a sua sobrevivência). Teriam, também, preferido os locais mais frios.
Tal como Patrick Forterre, entre outros cientistas, tem referido, as bactérias terão aparecido mais tarde, não sendo primitivas mas altamente especializadas. Esta alteração tão radical no tipo celular teria sido o resultado da adaptação a locais quentes, onde as temperaturas até 170ºC tendem a causar mutações nos processos hereditários.
Assim "simplificadas", as bactérias tornaram-se altamente competitivas em nichos onde a rapidez de reprodução é uma vantagem (parasitismo e necrofagia, por exemplo).
Os restantes organismos, pelos habitats ocupados, nunca sofreram uma tamanha pressão selectiva para se tornarem simples e rápidos, pelo que retiveram o maior número de genes possível, em vez da simplicidade de utilização.
Video 2 : O Inicio da Vida ( Continuação ) Parte II
Video 3 : O Inicio da Vida ( Continuação ) Parte III
Video 4 : O Inicio da Vida ( Continuação ) Parte IV
Video 5 : O Inicio da Vida ( Continuação ) Parte V
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