Ecologia microbiana ESTUDO DOS MICRORGANISMOS E SEUS PROCESSOS IN VIVO.
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Ecologia microbiana
ESTUDO DOS MICRORGANISMOS E SEUS
PROCESSOS IN VIVO
Apresentação da disciplina
Objetivos Importância dos microrganismos no planeta
Processo evolutivo da vidaSustentabilidade do planeta
Técnicas utilizadas Breve histórico
Ecologia microbiana
Estuda os microrganismos e sua interação com o ambiente biótico e abiótico.
Interações:
MICRORGANISMOS - MICRORGANISMOS
MICRORGANISMOS - MACRORGANISMOS
MICRORGANISMOS - AMBIENTE
FATORES BIÓTICOS
FATORES ABIÓTICOS
Objetivos
1. Estudo da diversidade microbiana
2. Manejo da diversidade para melhorar a qualidade de vida
(do homem e todos os seres do planeta)
Microrganismos e evolução
Importância dos microrganismos
Origem da vida
Existem apenas especulações sobre a origem da vida na Terra.
1. O estudo dos fósseis nos permite indicar de forma aproximada a época do
surgimento dos primeiros organismos celulares.
2. Grandes questões:
1. A vida apareceu espontaneamente?
2. Como eram constituídos os primeiros organismos vivos?
Origem da vida
Evidências sugerem:
1. Vida se originou espontaneamente de uma “sopa pré biótica” composta por substâncias químicas simples, em ambiente marinho.
2. Um mundo composto por RNA (serviu como molécula hereditária e catalisadora de reações bioquímicas)
COMO CHEGAMOS A ESTE PONTO NA EVOLUÇÃO?
Estudos sugerem que as primeiras formas de vida foram MICROBIANAS
Microrganismos são simples e constituem MODELOS
para entendimento de como o processo evolutivo funcionou.
FOI REFUTADA A TEORIA DA GERAÇÃO ESPONTÂNEA PORÉM AS PRIMEIRAS FORMAS DE VIDA SE ORIGINARAM DE SUBSTÂNCIAS QUÍMICAS (NÃO VIVAS)?
E agora?
PORQUE ESTES MECANISMOS NÃO OPERAM ATUALMENTE?
Teorias científicas
devem explicar
Paradoxo
PRINCIPAIS EPISÓDIOS DA HISTÓRIA DA TERRA
Origem da Terra4.500
Solidificação da crosta Terrestre
Origem da vida ?
3.500 Fóssil procarionte mais antigo
2.700 Acúmulo de oxigênio na atmosfera devido as cianobactérias
2.600Evidência dos primeiros organismos terrestres na África do Sul1.500
Fóssil eucarionte mais antigo
1.200 Fóssil do organismo terrestre mais antigo
500 Plantas colonizam Terra
Extinção dos dinossauros
Primeiros Humanos
Era Paleozóica
Era Mesozóica
Era Cenozóica
UNIVERSO: 10-20 bilhões de anos
SISTEMA SOLAR: 4,5-4,6 bilhões de anos
TERRA- 4,1 bilhões de anos
Sopa primordial
Síntese abiótica
Polimerização e formação de moléculas maiores
Moléculas simples
Estabilidade da sopa na ausência de oxigênio
Dados geológicos indicam a terra no inicio como uma bola de fogo e a atmosfera diferente da atual (SEM OXIGÊNIO)
Todo o oxigênio foi produzido por microrganismos Portanto ½ do tempo de existência da terra não havia oxigênio
MICROGANISMOS SÃO RESPONSÁVEIS PELO AMBIENTE DO PLANETA ATUAL
O OXIGÊNIO É VENENOSO GERANDO H2O2 E RADICAIS IVRES...ALGUNS MICROGANISMOS ATÉ HOJE NÃO CONSEGUEM LIDAR COM O2 VENENOSO E EVITAM-NO!
1. Os microrganismos literalmente “criaram” as condições ambientais atuais na Terra.
2. Eles vem evoluindo e explorando nichos durante um longo período: extrema diversidade e divergência.
3. A velocidade de crescimento microbiana favorece o processo evolutivo.
Comparação entre condições na Terra e outros planetas
Atmosfera Marte Vênus Terra
Sem vida
Terra
Com vida
CO2 (%) 95 98 98 0,03
N2 (%) 2,7 1,9 1,9 79
O2 (%) 0,13 Traço Traço 21
Temperatura (°C )
-53 477 290 13
Fonte: Lovelock,1979
Lovelock,1979
Hipótese de Gaia
Terra é um super-organismo que através de suas atividades bioquímicas (sobretudo derivadas dos microrganismos) tem propriedades auto-reguláveis (favoráveis a vida) através de um sistema complexo de controle.
- Presença de elevado CO2 (capacidade retentora de calor)
- Abaixamento de CO2 redução de temperatura
As reações do planeta às ações humanas podem ser entendidas como uma resposta auto-reguladora.
Fósseis “red beds”Esta rocha é um fóssil
Na Terra primitiva (sem oxigênio) ou em ambientes atuais anóxicos, sedimentos ricos em ferro tem cor preta, na forma reduzida (sulfeto de ferro)
oxidaram ferro (cor ferrugem)
Somente depois desse processo o oxigênio começou a acumular na atmosfera, pois antes era totalmente consumido.
Surgimento das cianobactérias fotossintetizantes
A acumulação de oxigénio molecular criou a necessidade de estruturas protetoras contra esse gás altamente agressivo. Os dados geofísicos indicam que o oxigénio molecular surgiu gradualmente na atmosfera há cerca de 2000 M.a. (Red beds)
O oxigênio molecular é um veneno para os organismos que não disponham de mecanismos protetores (catalase ou peroxidase, por ex.)
O oxigênio teve um papel fundamental no desenvolvimento e
“complicação” das estruturas biológicas:- capacidade de divisão celular depende da formação do complexo actina-miosina, impossível sem oxigênio; - síntese de esteróis, ácidos graxos e colágeno é impossível sem oxigênio; - metabolismo aeróbio fornece mais de 15 vezes mais energia que o anaeróbio; - camada de ozônio permitiu a vida em terra.
Bactérias obtiveram inicialmente a capacidade de respiração oxidativa.
Eucariontes surgiram tornando as bactérias (mitocôndrias e
cloroplastos) seus simbiontes.
Alguns eucariontes vivem sem oxigênio (ou sem mitocôndria) Ex: Giardia- protista aquático
CIANOBACTÉRIAS
Spirulina é comum em habitats aquáticos Biomassa verde na superficie do solo e sedimentos.
Quantas células seriam necessárias para mudar a composição da terra como aconteceu há bilhões de anos atrás?
Produção de oxigênio ao longo do tempo
Compostagem
• EXISTE VIDA EM OUTROS PLANETAS?
• CASO EXISTA PODERÁ SER MICROBIANA
• VIDA EM MARTE?
• CERTAMENTE O CONHECIMENTO DA VIDA MICROBIANA PODERÁ NOS DAR SUBSIDIOS IMPORTANTES SOBRE A VIDA EXTRATERRESTRE.
Muitos anos de evolução criaram uma diversidade microbiana enorme.
• Compreender esta riqueza coloca nossa vidas em perspectiva e atribui respeito pelas restantes formas de vida.
• Esta diversidade é pouco conhecida. O número estimado de bactérias chega a UM MILHÃO, estando apenas 4.200 espécies descritas.
• Apenas recentemente ficaram disponíveis os recursos para estudo da sistemática microbiana.
• Estimativas indicam que conhecemos hoje MENOS DO QUE 1% DA DIVERSIDADE MICROBIANA.
Microrganismos e outros seres
Semelhanças
Diferenças
Níveis
Grécia (300 a.C.)Diversas contribuições para a ciência
Primeiro a articular a dicotomia entre os seres vivos
classificou-os em: plantas e animais.
Mais tarde (1590) o microscópio foi descoberto e verificou-se que a classificação não incluía os “animálculos” de
Leeuwenhoek.
Aristóteles
Lineu
Viveu no século 18 e criou a hierarquia na classificação da vida:
REINO, FAMÍLIA, CLASSE, ORDEM,GENERO, ESPÉCIE
Baseado no fenótipo
Ainda hoje a definição de espécie tal como se refere aos animais é difícil de aplicar.
Charles DarwinSéc. 19, pai da seleção natural e evolução
Ajudou a visualizar a genealogia da vida através de linhagens e ramificações.
Conceito de evolução dos organismos e ramificações.
Ernst HaeckelÁrvore da vida
(contemporâneo de Darwin)Primeiro a usar o termo "protista" onde ele incluiu
as bactérias.
Haeckel
• Primeiro a descrever as relações entre os seres vivos usando árvore da vida
• Definiu 3 reinos:
• Plantas
• Animais
UM TERCEIRO REINO PARA OS MICRORGANISMOS
• Protista.
Postulou ainda uma origem comum para todos os seres concordando este postulado com as evidências moleculares recentemente descobertas.
A Árvore da Vida
(The Tree of Life)
Haeckel reconheceu que a divisão em plantas e animais era incompleta.
Adicionou os protistas
(Reino Protista)
Copeland em 1938 reconheceu que bactérias deveriam incluir seu próprio reino ............. MONERA
Whittaker em 1959 criou os 5 reinos
Chatton, em 1938, estabeleceu a dicotomia:
PROCARIONTES E EUCARIONTES
Cinco reinos:
Whittaker (1960) adicionou um reino (Fungi) a visão de Aristóteles (plantas e animais)
Mas relegou os microrganismos para:
PROTISTA (MICRORGANISMOS EUCARIONTES)
MONERA (MICRORGANISMOS PROCARIONTES)
A revolução de Woese Baseou sua classificação em moléculas (não no fenótipo)
FENÓTIPO GENÓTIPO
Descobriram uma enorme diferença genética entre alguns PROCARIONTES
WOESE DENOMINOU ESTE GRUPO ARCHAEA (primitivos)
MAIS TARDE SE VERIFICOU QUE ESTE GRUPO ERA MAIS PRÓXIMO DOS EUCARIONTES EM MUITOS ASPECTOS
DO QUE DAS BACTÉRIAS
TaxonomiaFilogenia
Relações evolutivas
DOMÍNIOS
Por quê o uso de rRNA?
RNA ribossômico (rRNA) é um componente do ribossoma, a máquina celular que traduz o DNA do código genético em aminoácidos e depois em proteínas.
Os genes rRNA estão presentes em todas as formas de vida, sendo suficientemente conservados . Mas, contendo variabilidade suficiente para determinar relações evolutivas.
Definições básicas sobre relações evolutivas
Filogenia = genealogia de um grupo como espécie (se for genealogia dos genes se refere a existência de um gene ancestral comum)
Filogenia difere de taxonomia ?
Taxonomia = classificação, nomear
Obs: Alguns cientistas indicam que taxonomia deve refletir a filogenia
Uma árvore filogenética indica hipóteses sobre relações
A árvore ilustra a hipótese de que todas as formas de vida estão relacionadas e divididas em TRÊS grupos denominados domínios:
Bacteria, Archaea e Eucarya
A árvore universal da vida, Woese et al., 1990
A B C
O que esta árvore indica?
1. B e C são mais semelhantes entre si do que qualquer um deles com A
2. B e C devem dividir alguma característica homóloga que falta em A
3. A divergência entre A e B/C ocorreu antes da divergência entre B e C
Homológo =características resultante de um ancestral comum
A árvore da vida baseada em filogenia de rRNA indica:
1. Vida bacteriana foi a primeira forma
2. Primeiros 3 bilhões de anos a vida foi de seres unicelulares
3. Eucariontes unicelulares datam de há 2 bilhões de anos
A árvore baseada em rRNA provê uma filogenia, mas outras moléculas sugerem outras filogenias.
Ex: rRNA sugere que Eucarya seja mais relacionada com Archaea do que com Bacteria.
Mas, genomas de mitocôndrias e cloroplastos sugerem a origem a partir das bactérias (não árqueas).
Nas bactérias, genes que codificam para a fixação de nitrogênio, sugerem filogenias diferentes daquelas a partir do rRNA.
Transferência lateral
O “arbusto da vida”
Instrumentos técnicos
Técnicas
- Enriquecimento e cultivo
- Amostragem do ambiente
- Detecção no ambiente
Fenotípica, Perfil lipídios
- Enumeração de microrg.
-Medidas da atividade
Tradicionais
- Microscopia
Eletrônica
Confocal
- Detecção molecular
Sondas, FISH
- Análise de comunidades
PCR, DGGE
ModernasMetabolomaMetagenoma
Técnicas tradicionais
Isolamento
Cultura pura
Níveis de informação ambiental
Culturas puras
- Usam UMA espécie em cultura
Informações ambientais restritas porém importantes em estudos básicos
Microcosmos
- Usa amostra ambiental e permite a manipulação de parâmetros ambientais
Permite o monitoramento de respostas
Estudos in situ
-Comunidades no habitat
Requer tecnologias modernas
Sergei Winogradsky
Conceito da quimioautotrofismo microbianoFundador da Microbiologia do solo
Martinus Beijerinck
Conceito de culturas de enriquecimentoFixação de N simbioticamente e não simbioticamente
Mullis, Brock, Bartha, Atlas, .....
Alguns nomes