3 Aula_origem Da Vida

Origem Origem da Vidada Vida

(N)

Pr-requisitos para o surgimento da vida

Presena da gua lquida: conseguido com o esfriamento da superfcie terrestre

Presena de polmeros orgnicos (macromolculas): cidos nucleicos e protenas, ou ao menos polirribonucleotdeosreplicadores e catalticos (RNA)

Presena de metabolismo Fonte de energia: radiao solar e/ou

potencial qumico de compostos reduzidos no magma e liberados na superfcie

Origem da Vida: HiptesesAbiognese x Biognese

Abiognese ou Gerao espontnea: surgimento de seres vivos a partir da matria inanimada

Biognese: surgimento de seres vivos a partir de uma forma de vida pr-existente

Gerao Espontnea (ou Abiognese)

Surgimento de seres vivos a partir da matria inanimada

Hiptese aceita (desde Aristteles) com base em observaes de que alguns animais pareciam surgir de matria putrefata, sem levar em conta a possvel existncia de ovos ou larvas

Durou at o final do sculo XIX

Sugesto de leitura: Queiroz. A morte da gerao espontnea. Scientific American Histria 7: 26-33.

O incio da morte da gerao espontnea

Modificaes na natureza do conhecimento, durante o sculo XVII (p.ex. Bacon, Galileu e Descartes) e no desenvolvimento da instrumentao cientfica (microscpio)

Mudana de percepo levou a idia de que o ser vivo era mais complexo do que aquilo que sua estrutura visvel apresentava

Estabelecimento da metodologia cientfica

A morte lenta da gerao espontnea

Francesco Redi (1668): Larvas foram observadas apenas nos recipientes abertos.

John Needham (1745): experimento aquecendo caldo de carne em um recipiente fechado com rolha, demonstrando que ainda assim pequenos organismos foram observados depois (pr-gerao espontnea)

Lazzaro Spallanzani (1768): refez o experimento de Needham demostrando que havia problemas de vedao e baixa temperatura, insuficientes para evitar contaminao da amostra (contra gerao espontnea)

A morte lenta da gerao espontnea

Gerao Espontnea: o golpe final Louis Pasteur (1860) Ganhou o prmio oferecido pela

Academia de Cincias de Paris para pr fim ao debate da Abiognese

Refez o experimento de Spallanzani, mas usando um recipiente com um pescoocurvado

PERGUNTA: A vida se origina espontaneamente ou da vida pr-existente?

EXPERIMENTOS DE EXPERIMENTOS DE PASTEURPASTEUR

MTODO

CONCLUSO: A vida se origina da vida pr-existente.

Sugesto de leitura: Queiroz. A morte da gerao espontnea. Scientific American Histria 7: 26-33. Vida cap. 25

Biognese vence? Com os experimentos de Pasteur (1860) a

biognese vence a gerao espontnea

Biognese: surgimento de seres vivos a partir de uma forma de vida pr-existente

Mesmo seres microscpicos s podem ser gerados por outro ser vivo (John Tyndall, 1875)

...Mas, e como surgiu a primeira vida?

Abiognese quando as condies ambientais eram outras. Hoje, biomolculas simples so consumidas pelos seres vivos.

Origem da vida: como surgiu a primeira vida?

Charles Darwin (1871): poderia ter sido em uma poa pequena e quente contendo amnia, sais de fsforo, luz, calor e eletricidade, onde compostos proticos fossem quimicamente formados.

Origem da vida no sculo XX:Hiptese de Oparin-Haldane

Bioqumico russo Aleksandr Oparin (1924) Geneticista ingls John Haldane (1928) Hiptese: por meio de reaes qumicas entre

molculas simples se formariam molculas mais complexas (monmeros)

molculas simples = metano (CH4), monxido de carbono (CO), gs carbnico (CO2), hidrognio (H2), gs sulfdrico (H2S), cianeto de hidrognio (HCN), amnia (NH3), gua (H2O).

Depois de milhes de anos os monmeros se acumulariam e formariam polmeros, e depois coacervados (estruturas semelhantes a clulas)

Hiptese de Oparin-Haldanemolculas simples

monmeros

polmeros

coacervadoscoacervados

Oparin

Haldaneseres vivos

aglomerado de molculas proticas envolvidas por

molculas de gua

Sugesto de leitura: Zaia & Zaia. 2008. Algumas controvrsias sobre a origem da vida. Qumica Nova 31: 1599-1602

O Modelo de Oparin-Haldane

Freeman & Herron. 2009. Anlise Evolutiva. Artmed

Origem da vida no sculo XX:Experimento de Miller-Urey

Qumico americano Stanley Lloyd Miller (1953) No Laboratrio de Harold Urey (Nobel em 1934) Testou a hiptese de Oparin-Haldane

Experimento de Miller-Urey (1953)

Pergunta: Compostos orgnicos podem ser gerados sob condies semelhantes quelas da Terra primitiva?

Concluso: Os blocos orgnicos construtores da vida so gerados na atmosfera provvel da Terra primitiva.Aceitando a Hiptese de Oparin-Haldane

Alanina (D e L)Vida cap. 25

Depois de Miller-Urey (1953) Joan ro (1961): demonstrou que

possvel produzir adenina (base nitrogenada do DNA e do RNA) atravs de uma reao usando cianeto de hidrognio (HCN)

Bada & Lazcano. 2003. Prebiotic Soup - Revisiting the Miller Experiment. Science 300: 745-746.

Miller-Urey (1953): Crticas

Bada & Lazcano. 2003. Prebiotic Soup - Revisiting the Miller Experiment. Science 300: 745-746.

Embora os resultados sejam encorajadores A composio da atmosfera usada no

experimento de Miller-Urey (mais redutora) diferente da considerada plausvel atualmente (fracamente redutora a neutra)

Condies mais redutoras (perda de eltrons): sntese abitica de aminocidos, purinas e pirimidinas mais eficiente

Condies no-redutoras: ausncia de HCN na atmosfera (precursor da sntese de bases)

Atmosfera da Terra Primitiva Mistura fracamente redutora composta por:

CO2 (dixido de carbono) N2 (nitrognio) CO (monxido de carbono) H2O (gua) Poucas quantidades de: H2 (hidrognio), SO2

(dixido de enxofre) e H2S (gs sulfdrico) CH4 (metano) e NH3 (amnia) eram ausentes ou

presentes apenas perto de vulces ou fontes hidrotermais (compostos usados por Miller-Urey)

O2 (oxignio) ausente

Origem da vida em vulces?

CH4 (metano) e NH3 (amnia) presentes HCN (cianeto de hidrognio, pode gerar

adenina) presente Alanina e Glicina Outra opo sofontes hidrotermaisno fundo do mar

Raios associados a erupo vulcnica no Chile (Maio 2008)

Fonte: Johnson et al. 2008. TheMiller volcanic spark dischargeexperiment. Science 322: 404.

Origem da vida em fontes hidrotermais?

Raios associados a erupo vulcnica no Chile (Maio 2008)

Font

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787-

1808

.

A Vida se originou em ambientes com alta temperatura?

Base da rvore da Vida so organismos hipertermoflicos (> 60oC; Bacteria e Archaea)

Superfcie da Terra resfriou h 4,3 bilhes de anos e o oceano ferveu at 3,8 b.a.(primeiro registro fssil 3,4 b.a.)

Altas temperaturas: reaes qumicas mais rpidas, mas decompem cidos nucleicos(RNA, aminocidos)

H controvrsias!Fonte: Gouy & Chaussidon. 2008. Ancient bacteria liked it hot. Nature451: 635-636.

Alm de Miller-Urey Experimento de Miller-Urey e outros:

conseguiram gerar aminocidos e at bases nitrogenadas a partir de molculas simples

Perguntas no respondidas:Como polmeros surgiram

(Polimerizao)?Como o DNA surgiu?Como a primeira clula se formou?

Atualmente, o grande mistrio...

da origem da vida consiste na desconhecida transio do mundo

geoqumico (com molculas inorgnicas e orgnicas) para um

mundo bioqumico que evolui (onde molculas se auto-replicam,

competem e evoluem)

amnia (NH3), hidrognio (H2), nitrognio (N2), Metano (CH4),gs carbnico (CO2), monxido de carbono (CO)Fonte: Hazen. 2005. Gen-e-sis: the scientific quest for life's origin. Joseph Henry Press, Washington DC, 339p.

Ambiente da Terra Primitiva

Radiao solar mais intensa (atmosfera menos densa do que a atual)

Tempestades eltricas Temperatura alta (superfcie da Terra

esfriando) Erupes vulcnicas freqentes Impacto de meteoros mais

freqente (menor proteo da atmosfera)

Componentes Orgnicos Pr-biticos vieram do espao (Panspermia)?

Alguns meteoros possuem compostos orgnicos (contaminao?)

Impacto de meteoros na Terra primordial podem ter trazido o material necessrio para iniciar a vida, alm de trazer destruio

Implicaes para a abundncia de vida no universo

Empurrando o problema para os outros planetas?

Sugesto de Leitura: Warmflash & Weiss. Caminhos para a origem da vida. Scientific American Histria 7: 34-43.

Panspermia

Como algum material biolgico pode ter chegado ao nosso planeta?

No importa onde a vida tenha se originado, ela deve ter partido de matria no-viva

No incio do sistema solar, a Terra sofria um intenso bombardeio de meteoritos, contendo compostos orgnicos simples

Panspermia: Cometas

Em 2004, a sonda espacial Stardust, se aproximou do cometa Wild 2, e descobriu uma srie de molculas de hidrocarbonoscomplexos, que podem ser os blocos bsicos a partir dos quais a vida se desenvolveu.

Em 2005, a sonda espacial Deep Impactdescobriu uma mistura de argila e partculas orgnicas no interior do cometa Tempel 1

Teoria do replicador

Panspermia: Meteoritos Presena de compostos orgnicos complexos

em meteoritos do tipo condrito carbonceo Meteorito ALH 84001 (e outros encontrados

na Austrlia, EUA e Frana) Origem marciana, 4-5 bilhes de anos Foi lanado ao espao quando Marte foi

atingido por um meteorito Microorganismos marcianos dentro dele

vaguearam durante 5 milhes de anos pelo cosmos at cair na Antrtica

Ponto de discrdia Defensores da presena de vida no

meteorito: presena de cristais de magnetita (Fe3O4) dentro de glbulos de carbonato

Cerca de destas magnetitas tm similaridades morfolgicas e qumicas com as partculas de magnetita produzidas por uma bactria magnetottica, encontrada em ambientes aquticos na Terra

Contrrios: seria esta magnetita uma contaminao de bactrias terrestres?



Perguntas no respondidas:Como polmeros surgiram

(Polimerizao)?Como o DNA surgiu?Como a primeira clula se formou?

Processos de Polimerizao Pr-bitica

Matria orgnica da Terra primordial antes da vida existir, provavelmente consistiu de uma grande variedade de tipos diferentes de compostos monomricos simples

Compostos orgnicos simples dissolvidos em gua precisaram estar concentrados para aumentar a polimerizao (superfcies minerais: sais, argila)

Regies sujeitas a variaes de mars e de temperatura da gua (evaporao e congelamento)

Sugesto de Leitura: Zaia & Zaia. 2006. Adsoro de aminocidos sobre minerais e a origem da vida. Qumica Nova 29: 786-789



Perguntas sendo respondidas:Como polmeros surgiram

(Polimerizao)? Superfcie mineral?Como o DNA (Replicadores) surgiu? Como a primeira clula (Metabolismo)

se formou?

Origem da Vida:as 3 hipteses atuais

1. Vida comeou com metabolismo, e as molculas genticas foram incorporadas depois

2. Vida comeou com molculas genticas auto-replicadoras, e o metabolismo foi incorporado depois

3. Vida comeou como um fenmeno qumico cooperativo que surgiu entre o metabolismo e a gentica

Fonte: Hazen. 2005. Gen-e-sis: the scientific quest for life's origin. Joseph Henry Press, Washington DC, 339p.

Controvrsias sobre a origem da vida

Qumica Pr-bitica complexa

Metabolismo simples Primeira etapa:

polmeros autoreplicantes(gentica)

Clulas: invenes posteriores

Origem da vida: mineral

Ambiente qumico simples

Metabolismo complexo Primeira etapa:

mecanismos bioenergticos primitivos (metabolismo)

Clulas: invenes iniciais

Origem da vida: minerais no foram importantes

ORIGEM HETEROTRFICA ORIGEM AUTOTRFICA

Metabolismo

Necessitam de molculas (protenas, lipdeos, acares, etc.) previamente prontas para serem utilizadas como fonte de energia para outras snteses

Este organismo precisou de um ambiente com molculas complexas como fonte de energia

Supe-se um acmulo de molculas e polmeros complexos que possibilitaram a formao de estruturas complexas dentro de um esquema semelhante ao proposto por Oparin e Haldane (coacervados)

Metabolismo

Metabolismo uma inveno mais antiga que o cdigo gentico

Mecanismo de metabolismo baseado na formao da pirita (FeS2)

O modelo no exige um ambiente complexo em termos de molculas, ou seja, este modelo supe uma origem autotrfica do primeiro ser vivo do nosso planeta.

O mundo do ferro-enxofre (Wchtershuser)

A fonte de energia para essas reaes fornecida pela reao qumica:

FeS + H2S (gs sulfdrico) = FeS2 (pirita) + 2H+ + 2e-

Os eltrons fornecidos pela formao da pirita podem ser utilizados para a reduo de dixido de carbono (CO2)

4CO2 + 7FeS + 7H2S = 7FeS2 + 4H2O + (CH2COOH)2 Aps a formao, os cidos ficam adsorvidos sobre

a pirita formada As molculas podem sofrer novas reaes

aumentando sua complexidade

O papel da Pirita na Origem da Vida

Formao de pirita (FeS2) pode produzir hidrognio e reduzir nitrato em amnia, acetileno em etileno, cido tioactico em cido actico e fornecer snteses mais complexas (inclusive ligaes peptdicas)

Reduo de CO2 em compostos orgnicos mediada por pirita no foi conseguido experimentalmente

Reduo de CO em cido actico (CH3COOH) mediada por compostos de Ferro foi conseguido experimentalmente

Como a primeira replicao se originou?

Estgio hipottico: Mundo do RNA Molculas catalticas de RNA (ribozimas) Mas RNA instvel e possui grande nmero de

combinaes aleatrias de bases, acares e fosfato indicando que no um produto direto da evoluo pr-bitica

Existe um mundo pr-RNA (replicador mais simples anlogos aos cidos nucleicos)? cido Nucleico Peptdico (PNA) cido Nucleico Treose (TNA)

ambos formam dupla-hlice

Fonte: Ruse & Travis. 2009. Evolution: the first four billion years. Harvard University Press, Cambridge, 979p.

Replicador Sintetizam todas as suas biomolculas a partir

do dixido carbono (CO2) ou outra unidade de C, como metano (CH4)

O ambiente era constitudo de molculas simples (CO2, CH4, H2S, etc) e a partir delas conseguiu sintetizar molculas complexas

O primeiro cdigo gentico deveria ser constitudo de algum tipo de material simples e facilmente encontrado na natureza e que de alguma forma pudesse armazenar e transmitir informao

Modelo do replicador

Um grupo de elementos no-vivos primitivos G1 (argilas) desenvolve a capacidade de produzir diversos polmeros

Alguns destes polmeros podem ser semelhantes ao RNA (o qual chamaremos de G2)

G2 (RNA) no desempenha funo

Modelo do replicador

Simbiose: G1 (argilas) fornece tecnologia (monmeros, catalisadores, condies para sntese, etc.) e G2 (RNA) se torna cada vez mais complexo e passa a inventar novas formas de fazer o que G1 (argilas) fazia

Com o passar do tempo, G2 (RNA) fica to sofisticado que no precisa mais de G1 (argilas)

Origem da Vida:as 3 hipteses atuais

1. Vida comeou com metabolismo, e as molculas genticas foram incorporadas depois

2. Vida comeou com molculas genticas auto-replicadoras, e o metabolismo foi incorporado depois

3. Vida comeou como um fenmeno qumico cooperativo que surgiu entre o metabolismo e a gentica


Replicadores x Metabolismo: busca por evidncias

Experimentos de sntese pr-bitica de um polmero gentico (RNA, PNA, TNA ou outro precursor)

Aminocidos pr-biticos formando um polmero gentico

Experimentos de sntese qumica

Molculas simples + Minerais em condies pr-biticas

Descobrir um ciclo de molculas auto-replicantes (algumas etapas j foram conseguidas)


5 perguntas rpidas1. Quais so os pr-requisitos para o

surgimento da vida?

gua lquida

Macromolculas replicadoras (ex. RNA)

Metabolismo (ex. coacervados)

Fonte de energia: solar ou de compostos reduzidos no magma

5 perguntas rpidas2. Quais so as condies

necessrias para a sntese de biomolculas simples (aminocidos) a partir de matria inanimada?

gua lquida

Ambiente redutor: cianeto de hidrognio, metano, amnia, hidrognio

Fonte de energia: descarga eltrica (raios) ou de compostos reduzidos no magma (em vulces ou fontes hidrotermais)

5 perguntas rpidas3. Como os primeiros polmeros

podem ter surgido (Polimerizao)?

gua lquida

Concentrao de biomolculas simples

Substncias minerais (sais ou argila)

Ambiente sujeito a variaes de mars e de temperatura da gua (evaporao e congelamento)

5 perguntas rpidas4. Como o primeiro DNA pode ter

surgido?

Macromolcula replicante mais simples

Molculas catalticas de RNA (ribozimas)?

PNA?

TNA?

5 perguntas rpidas5. Como a primeira clula pode ter

sido formada?

Acmulo de molculas proticas em meio aquoso possibilitaram a formao de estruturas complexas (coacervados)

Onde estudar ... Purves et al. Vida. Captulo 25 (tem na

biblioteca) Zaia & Zaia. 2008. Algumas controvrsias

sobre a origem da vida. Qumica Nova 31: 1599-1602 (est no website)

Warmflash & Weiss. Caminhos para a origem da vida. Scientific American Histria 7: 34-43. (est no website)

Queiroz. A morte da gerao espontnea. Scientific American Histria 7: 26-33. (estno website)

Contato: Profa. Simone R. Freitas

Email: [email protected]

Website:

http://origemdavida-ufabc.blogspot.com/

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