Terra Primitiva e Origem da Vida
Ambiente Pré_Biótico e Origem da Vida
Primeiros Vestígios da Existência da Vida
Existem actualmente dados convincentes para se poder afirmar que a
vida existia na Terra há cerca de 3800 milhões de anos (3800 M.a.)
Os primeiros vestígios de vida na Terra, com cerca de 3800 milhões de
anos, estão relacionados com a actividade bacteriana e foram descobertos em
Isua, na Gronelândia.
Na Austrália foram encontrados estromatólitos com uma idade
aproximada de 3800 milhões de anos e no Canadá a Flora de Gunflint, com
cerca de 2000 milhões de anos.
Com idade mais recente, aproximadamente 700 milhões de anos, foi
localizado na Austrália um jazigo de fósseis de metazoários — Fauna de
Edicara.
Origem da Vida – diferentes abordagens
Desde tempos imemoriais que o Homem tem tentado explicar a origem
da vida na Terra. As primeiras explicações foram de natureza divina e religiosa,
atribuindo a origem da vida a um Criador Supremo.
Aristóteles (384-322 A.C.), grande pensador grego, elaborou a primeira
teoria explicativa não religiosa, com base nas opiniões expressas até à sua
época e em observações que ele próprio realizou. Segundo esta teoria —
Teoria da geração Espontânea ou espontaneísmo — a vida era o resultado
da interacção entre um «princípio activo» e um «princípio passivo», podendo
brotar espontaneamente em qualquer momento, desde que houvesse o
«princípio passivo», que era a matéria, e o «princípio activo», que dava forma a
essa matéria.
Assim era explicada a geração de moscas e mosquitos a partir da lama
ou de carne em putrefacção, de peixes a partir de algas em decomposição ou
de ratos e sapos a partir de terra húmida.
Esta Teoria da Geração Espontânea ou Abiogénese nunca foi posta
em causa até ao séc. XVII (altura em que Redi propôs a Teoria da
Biogénese), tendo sido aceite e defendida por nomes ilustres da Ciência como
Descartes, Newton, William Harvey e Van Helmont, e mantido a sua influência
e grande aceitação até meados do séc. XIX.
Só em 1862, quando Louis Pasteur realizou um notável conjunto de
experiências que claramente provaram a não existência de geração
espontânea é que ela foi definitivamente abandonada em favor da Teoria da
Biogénese, defendida inicialmente por Redi.
Tendo Pasteur provado, definitiva e inequivocamente, que qualquer
forma de vida só pode provir de outra preexistente, surgiu a pergunta inevitável:
«Como surgiu a primeira forma de vida?»
Hipótese Cosmozóica, da Panspermia ou Extra-Terrestre
No final do séc. XIX alguns cientistas, entre os quais o sueco Arrhenius e
o inglês Lord Kelvin, tentaram explicar a origem da vida na Terra pela Hipótese
Cosmozóica ou da Panspermia, segundo a qual a vida teria vindo do espaço
para a Terra, sob a forma de esporos resistentes provavelmente transportados
por meteoritos.
Esta hipótese sofreu fortes críticas, centradas fundamentalmente em
dois aspectos:
• O problema essencial continuava sem resposta, ou seja, como é
que a primeira forma de vida, na Terra ou em qualquer outro
ponto do Universo, se teria originado?
• Admitindo que a vida na Terra tivesse surgido do espaço, qual
seria o esporo, ainda que muito resistente, capaz de suportar as
diferente condições de pressão, temperatura, radiações cósmicas
e de atrito a que naturalmente estaria sujeito durante a árdua
travessia do espaço cósmico?
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Só no início do nosso século é que o avanço e a acumulação de
conhecimentos sobre astrofísica, astroquímica, composição química da matéria
orgânica e estrutura celular tornou possível a formulação de novas hipóteses
sobre a origem da vida.
No entanto, foi no séc. XIX que começaram a criar-se as condições que
conduziram a alterações profundas no pensamento científico e que permitiram
encarar, em moldes diferentes, esta questão da origem da vida.
Charles Darwin publicou em Londres, em 1859, a sua obra fundamental,
A Origem das Espécies, na qual defende a Teoria da Evolução das Espécies.
Esta teoria introduziu no património científico o conceito de evolução e com ele
a importância do factor tempo.
O facto de os seres vivos actuais descenderem de outros que os
antecederam no tempo evidencia que há uma relação entre a vida do presente
e a do passado. Tornou-se, portanto, cada vez mais claro que não seria
possível explicar a origem dos seres vivos sem considerar um desenvolvimento
evolutivo da matéria.
Certamente que uma evolução pré-biológica teria antecedido a evolução
biológica.
Hipótese autotrófica
Esta hipótese admite uma evolução pré-biótica, pré-biológica, para a
origem da vida, mas afirma que os primeiros organismos seriam autotróficos,
isto é seriam capazes de se autoalimentar, capazes de produzir a sua matéria
orgânica a partir de matéria inorgânica (água, dióxido de carbono, e alguns sais
minerais), ou seja, capazes de elaborar a FOTOSSÍNTESE.
Sabe-se hoje que os seres heterotróficos dependem, sob o ponto de
vista nutricional, dos seres autotróficos. Assim sendo, parece lógico pensar que
os primeiros seres vivos seriam seres autotróficos, uma vez que tinham a
capacidade de sintetizar
o seu próprio alimento. Contudo, estas ideias da
hipótese autotrófica da origem da vida foram rapidamente abandonadas com
base no seguinte argumento:
3
•
Esta hipótese contraria a Teoria da Evolução que diz que os
seres evoluem do mais simples para o mais complexo. Assim
sendo, seria pouco provável que, aceitando a teoria da evolução,
um
ser
pré-biótico,
sintetizado
quimicamente,
tivesse
a
capacidade de elaborar um processo da complexidade da
Fotossíntese.
Hipótese heterotrófica
Esta hipótese admite igualmente uma evolução pré-biótica, mas que
conduzirá a um ser muito simples, incapaz de se autoalimentar, que terá
sofrido uma posterior evolução.
A hipótese heterotrófica é a mais aceite pela comunidade científica
actual.
As bases desta hipótese foram lançadas na década de vinte por
Alexander Oparin, um bioquímico soviético e por John Haldane, um biólogo
inglês.
EM SUMA:
Actualmente enfrentam-se duas linhas de pensamento
relativas à origem da vida na Terra:
Por
um
lado
encontram-se
os
partidários
da
«inseminação» da Terra por germes extraterrestres (origem
exógena); por outro, os defensores de uma lenta evolução
química ocorrida na Terra (origem endógena). Este último
modelo implica uma evolução de materiais inorgânicos para
materiais orgânicos sucessivamente mais complexos e destes
para a vida.
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Fases da Evolução heterotrófica
1ª Fase – formação de monómeros orgânicos a partir de gases simples;
2ª Fase – formação de polímeros a partir dos monómeros;
3ª Fase – formação dos primeiros agregados pré-bióticos;
4ª Fase – os
agregados
pré-bióticos
adquirem
mecanismos
de
autoconservação e regulação;
5ª Fase – aquisição e utilização de processos de obtenção de energia;
6ª Fase – evolução biológica. Aparecimento dos seres autotróficos. Passagem
da vida para terra firme.
Hipótese heterotrófica de Oparin – Haldane
A hipótese de Oparin e Haldane baseia-se nos seguintes pressupostos
fundamentais:
• O ambiente da Terra primitiva era muito diferente do actual,
favorecendo a ocorrência de uma intensa actividade química.
• A atmosfera, redutora (sem oxigénio), seria constituída
essencialmente por hidrogénio (H2), metano (CH4), amoníaco
(NH3) e vapor de água (H20 v.).
• À superfície da Terra haveria intensa actividade vulcânica,
responsável pela libertação de grande quantidade de calor e
emanação de gases para a atmosfera.
• As radiações cósmicas, particularmente as ultravioletas,
atingiriam fortemente a superfície terrestre, pois ainda não estava
formada a camada protectora de ozono (O3).
• A Terra primitiva estava sujeita ainda à energia resultante de
descargas eléctricas e do impacto de Planetesimais.
Considerando as condições ambientais descritas e com os gases da
atmosfera
primitiva
permanentemente
sujeitos
à
acção
de
radiações
energeticamente intensas, Oparin e Haldane admitiram que se teriam
desencadeado numerosas reacções químicas, em várias etapas, que teriam
conduzido ao aparecimento das primeiras formas de vida.
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Segundo Oparin e Haldane, os gases simples da atmosfera primitiva
(metano (CH4, amoníaco (NH3) e hidrogénio (H2), submetidos à acção de
radiações energeticamente activas e descargas eléctricas teria originado uma
grande quantidade de moléculas orgânicas simples (monómeros orgânicos),
como por exemplo glicose, aminoácidos, ácidos gordos, glicerol e bases
azotadas.
Estas moléculas sofrem a acção das Chuvas Diluvianas e são
arrastadas para os Oceanos, rios e lagos em formação, originando a Sopa ou
Caldo Orgânico primitivo que terá servido de alimento aos primeiros seres
vivos.
No seio dos rios, lagos e Oceanos em formação, a partir da ligação de
algumas moléculas orgânicas simples, sintetizadas abioticamente na atmosfera
primitiva, ter-se-ão formado moléculas orgânicas mais complexas (polímeros
orgânicos), tais como amido, glicogénio, celulose e proteinóides (≅ a proteínas
mas sintetizados abioticamente).
Os proteinóides, em determinadas condições do meio, poderiam ter-se
agregado e constituído sistemas moleculares, separados do meio por
«membranas» rudimentares (microgotas).* Muitos destes sistemas, sujeitos à
acção da selecção natural, terão sido destruídos por acção do próprio meio,
mas outros terão evoluído; neles ter-se-ão originado novos conjuntos
moleculares, adquirindo assim capacidade para controlar as suas próprias
reacções e para se auto-replicar. Teriam sido estes sistemas que originaram
um primeiro ser vivo, muito rudimentar — protobionte, eobionte, pré-célula
ou pré-bionte — que se poderia nutrir dos monómeros acumulados, deles
extraindo energia por um processo muito simples — a fermentação.
Fermentação alcoólica
C6H12O6 ⇒
2C2H5OH +
(Glicose)
(álcool etílico)
2CO2 +
2ATP
(Dióxido
(Energia)
de carbono)
Para além da energia que necessitavam, as microgotas, através da
fermentação alcoólica vão libertar, para o meio aquático, um novo composto
até então praticamente inexistente no mesmo: O CO2 (Dióxido de Carbono).
6
À medida que o número de microgotas aumentava, ia diminuindo a
quantidade de matéria orgânica no meio. Como esta matéria orgânica era a
fonte de alimento das microgotas, muitas acabaram por morrer. No entanto,
algumas conseguiram desenvolver mecanismos que quando disso havia
necessidade, as transformavam em seres autotróficos, capazes de produzir a
sua própria matéria orgânica – Fotossíntese.
Fotossíntese
Luz Solar
6CO2 + 12H2O
C6 H12O6 + 6O2 + 6H2O
Clorofila
Oxigénio
Matéria
Orgânica
Passaram desta forma a existir seres com uma certa dualidade
Autotrófico / Heterotrófico no mesmo indivíduo.
Posteriormente alguns destes organismos tornaram-se Autotróficos
permanentes e outros Heterotróficos permanentes.
Quando os seres autotróficos começaram a realizar a Fotossíntese,
apareceu um novo componente atmosférico, o Oxigénio (O2). Parte deste
oxigénio libertado para a atmosfera deu origem à camada de Ozono (O3) que é
responsável pela filtração das radiações letais, nomeadamente as radiações
ultravioletas.
Desta forma, com a existência de oxigénio atmosférico e da camada de
ozono, responsável pela filtração das radiações letais, estavam reunidas as
todas as condições para a possibilidade de ocorrência e manutenção da vida
em meio terrestre.
Assim sendo, os seres unicelulares aquáticos terão evoluído para seres
pluricelulares capazes de obter energia através de um processo denominado respiração aeróbia, que lhes terá conferido maiores capacidades de
sobrevivência em meio terrestre.
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Respiração aeróbia
C6H12O6
(Glicose)
+ 6O2
⇒
(Oxigénio)
6H2O +
6CO2 +
(água)
(Dióxido
de carbono)
38ATP
(Energia)
Com estas suposições, Oparin e Haldane respondiam a dois problemas
que na altura eram verdadeiros «ciclos viciosos» propondo, em primeiro lugar,
que os compostos orgânicos podiam formar-se na ausência de seres
vivos, a partir da matéria inorgânica e em segundo lugar que os primeiros
seres vivos podiam ser heterotróficos. Defendendo esta Hipótese
Heterotrófica, Oparin e Haldane opuseram-se aos que defendiam a Hipótese
Autotrófica, segundo a qual os primeiros seres vivos teriam de ser autotróficos
para poder sintetizar os seus próprios alimentos, o que implicaria que
organismos já com uma razoável complexidade tivessem surgido num meio
ambiente muito simples, contrariando a teoria da evolução das espécies.
*
Os pré-biontes são também designados por protobiontes, pré-células e mais
vulgarmente por microgotas, para os distinguir dos modelos obtidos em
laboratório (coacervados e microsferas).
Entre as características das microgotas, podem referir-se:
-
constituem unidades individuais distintas do meio;
-
apresentam uma estrutura química própria, podendo ocorrer reacções
químicas no seu interior;
-
permitem trocas selectivas com o meio através da «membrana
rudimentar»;
-
podem aumentar de volume e dividir-se espontaneamente;
-
em consequência da sua estrutura, podem persistir no meio, evoluir ou
até desaparecer.
Segundo o modelo de Oparin e Haldane, as microgotas, sistemas naturais
primitivos, poderiam evoluir até às primeiras células, providas da capacidade
de reprodução e com o dinamismo energético que caracteriza a vida.
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Experiências Laboratoriais que apoiam diferentes fases da
Hipótese Heterotrófica
1ª Fase – Formação de monómeros orgânicos a partir de gases simples.
(Fase apoiada pelas experiências de Stanley Miller, Sidney Fox , Cyril
Ponnamperuma e Juan Oro).
Experiência de Stanley Miller
•
Miller construiu um aparelho idêntico ao da
figura, no qual, depois de ter extraído todo o
ar, introduziu uma mistura de hidrogénio,
metano, amoníaco e água, que submeteu a
descargas eléctricas de alta voltagem.
No final da experiência, Miller analisou
o líquido contido no tubo em U (5) do
aparelho, onde se tinham acumulado todos
os materiais sintetizados ao longo de uma
semana. Verificou
que este líquido tinha
passado de incolor a laranja avermelhado, apercebendo-se, com surpresa, que
tinha conseguido sintetizar numerosos compostos orgânicos, particularmente
aminoácidos, mas também açúcares, glicerol, ácidos gordos e outros. Miller
pode ainda constatar que durante a experiência houve formação de ácido
cianídrico (HCN) e formaldeído, que acabavam por desaparecer no fim das
reacções.
Ao provocar descargas eléctricas idênticas às faíscas das trovoadas
sobre a mistura gasosa do balão (3) foi possível obter monómeros. O fluxo
gasoso mantido pelo vapor de água permanentemente libertado no balão (1),
ao passar posteriormente pela zona de refrigeração (4), condensa-se, à
semelhança do que aconteceria nas camadas da atmosfera, arrastando para a
base do tubo em U todos os compostos formados.
O facto de não se encontrarem entre os produtos finais nem ácido
cianídrico nem formaldeído sugere que se trata de compostos intermédios
na formação de monómeros.
9
Outros Trabalhos:
Sidney Fox conseguiu obter quase todos os aminoácidos constituintes
das proteínas, utilizando energia térmica. Aqueceu uma mistura semelhante à
de Miller, mas menos redutora, a 1000 ºC, temperatura existente nas
proximidades de vulcões.
Desde 1953 até à actualidade, numerosos investigadores têm
aprofundado e ampliado os trabalhos de Miller e de Fox, fazendo variar as
fontes energéticas ou as misturas de que partem, por forma a obter as
moléculas básicas da vida.
Ao longo das várias investigações tomou-se cada vez mais evidente
que, quer o ácido cianídrico, quer o aldeído fórmico (formaldeído), terão sido
moléculas intermédias essenciais na formação dos diversos monómeros,
razão pela qual actualmente muitos investigadores as incluem nas misturas
utilizadas.
Em 1960, Juan Oro conseguiu obter adenina, uma base azotada
essencial para a constituição de ATP, de ácidos nucleicos e de outras
moléculas biologicamente importantes.
Cyril Ponnamperuma sintetizou, em 1963, ribose e desoxirribose,
açúcares presentes no ATP e nos ácidos nucleicos.
Em 1971, J. Oro e A. P. Kimball conseguiram provocar a condensação
de nucleótidos, obtendo moléculas com 5 a 10 unidades, por esta razão
designadas oligonucleótidos.
2ª Fase – Formação de monómeros polímeros a partir de monómeros.
(Fase apoiada pelas experiências de Sidney Fox ).
Sidney Fox testou a possibilidade de formação de polímeros na Terra
primitiva. Para isso tentou simular as condições que se admite terem sido as da
crosta terrestre há cerca de 4000 milhões de anos.
Fez uma mistura de 18 aminoácidos diferentes e colocou-a sobre um
pedaço de lava, que introduziu num forno a 170 °C, durante algumas horas. Ao
contrário da massa negra carbonizada que habitualmente se forma, obteve
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proteinóides
constituídos
por
algumas
centenas
de
aminoácidos.
Posteriormente forneceu estes proteinóides, sintetizados abioticamente, a
bactérias e elas utilizaram-nos como alimento.
Outros cientistas demonstraram ser possível obter-se polimerização de
monómeros por acção de outras fontes energéticas; nomeadamente, energia
dos vulcões, raios x, raios ultra violeta, etc.
3ª Fase – Formação dos primeiros agregados moleculares pré-bióticos.
(Fase apoiada pelas experiências de Oparin e Sidney Fox).
Oparin, misturou duas soluções aquosas de dois polímeros orgânicos
diferentes, (solução aquosa de gelatina + solução aquosa de goma arábica) e
obteve, após algum tempo, formação de gotículas, destacadas do meio por
uma «membrana» rudimentar, às quais chamou COACERVADOS. Este
processo denomina-se coacervação.
A «membrana» dos coacervados era selectivamente permeável.
Sidney Fox, baseado na teoria dos coacervados, fez também algumas
experiências tendo mostrado que os proteinóides sintetizados abioticamente,
quando dissolvidos em água a ferver, dão origem, depois de arrefecerem, a
grande número de minúsculas esferas (microsferas). Um só miligrama de
proteinóide pode dar 100 milhões de microsferas as quais se encontram
separadas do meio por membranas superficiais. Juntando, por exemplo, NaCI
(sal) ao meio verificou que as microsferas diminuíam de tamanho, explicando
este resultado pela saída de água da microsfera, o que parece demonstrar que
esta teria propriedades osmóticas. Também verificou que duas microsferas se
podem combinar para dar uma maior ou que uma microsfera se pode dividir
quando atinge um tamanho crítico.
As microsferas de Fox correspondem aos coacervados de Oparin.
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Apesar dos vários trabalhos realizados em diferentes laboratórios e dos
resultados já conseguidos com os coacervados, ainda não foi possível
demonstrar experimentalmente todas as fases da hipótese heterotrófica.
Mas, as experiências continuam ...
Novas perspectivas sobre a Origem da Vida
Nas últimas décadas a química pré-biótica experimentou grandes
progressos. Astrofísicos e exobiólogos investigam e continuam a interrogar-se
sobre a origem da vida.
Hoje muitos investigadores não rejeitam a possibilidade da origem
extraterrestre da vida ou da matéria orgânica a partir da qual a vida se
originou. Foi já verificado que um dos ambientes em que a concentração de
compostos orgânicos é muito elevada é nos cometas e nos meteoritos,
particularmente nos condritos carbonáceos daí se pensar que a quantidade de
matéria orgânica de origem meteorítica e cometária que se depositou à
superfície da Terra primitiva poderia ter sido considerável. Dados obtidos por
espectrometria (técnica que se baseia na absorção selectiva de radiações por
diversas moléculas, átomos ou iões) mostram que no espaço abundam as
moléculas orgânicas. Foram já identificadas centenas de moléculas complexas
provenientes do espaço através de meteoritos e cometas:
•
no
meteorito
de
Orgueil
foram
detectados
numerosos
compostos orgânicos de origem extraterrestre comprovada;
•
no meteorito de Murchison encontram-se mais de 400
compostos
orgânicos,
nomeadamente
ácidos
gordos
e
aminoácidos semelhantes aos das proteínas biológicas;
•
dados obtidos através de sondas permitem admitir que um terço
do cometa Halley é matéria orgânica;
•
como o cometa Halle-Bopp é rico em materiais orgânicos,
pensa-se que este cometa pode ter «semeado» o nosso planeta,
com materiais essenciais ao aparecimento da vida, há milhares
de milhões de anos.
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Segundo estas novas perspectivas exógenas, os compostos orgânicos
precursores da vida teriam sido transferidos para a Terra por material
meteorítico ou cometário.
Outras perspectivas actuais admitem que a matéria orgânica
precursora da vida se pode ter originado nas profundidades dos oceanos.
Alguns investigadores não excluem a hipótese de que a síntese prébiótica poderia ter resultado de um jogo de acções entre os materiais das
fontes hidrotermais existentes nos fundos dos oceanos, constituídas por
depósitos minerais e ricas em água ácida carregada de sulfureto de hidrogénio,
metano e metais pesados, e os micrometeoritos. No fundo dos Oceanos
primitivos, estes micrometeoritos podem ter desempenhado o papel de
microcatalisadores.
Qualquer que seja a origem, extraterrestre (exógena) ou terrestre
(endógena), das moléculas pré-bióticas, a transformação destas moléculas em
células constitui uma questão em aberto.
Mas, as experiências continuam e ...
... “a verdade de hoje poderá ser a mentira de amanhã.”
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