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.

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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:

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• 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 + 2CO2 + 2ATP (Glicose) (álcool etílico) (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).

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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 + 6O2 ⇒ 6H2O + 6CO2 + 38ATP

(Glicose) (Oxigénio) (água) (Dióxido (Energia) de carbono)

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.

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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 pré-

biótica 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.”