Origem da Vida: Evolução Química, Formação da Vida Primitiva e sua Evolução

Origem da Vida :: A. Chemogeny (Evolução Química) B. Biogenia (Formação da Vida Primitiva) C. Cognogenia (Natureza da Vida Primitiva e Sua Evolução).

Teoria moderna da origem da vida foi proposto por um bioquímico russo, Alexander I. Oparin (1923 dC) e foi apoiado por um cientista britânico, JBS Haldane (1928 dC), por isso também é chamado de teoria de Oparin-Haldane.

Afirmava que a vida primitiva se originou nos corpos de água na terra primitiva de moléculas orgânicas não vivas (por exemplo, proteínas de RNA, etc.) pela evolução química através de uma série de reações químicas há cerca de 4 bilhões de anos (no período pré-cambriano) ( ou seja, cerca de 500 milhões de anos após a formação da terra). É a teoria mais satisfatória porque tem uma explicação científica e foi testada experimentalmente. A teoria de Oparin também é conhecida como abiogênese primária.

Várias etapas da teoria moderna são:

A. Chemogeny (Evolução Química):

(a) As condições na terra primitiva, cerca de 4 bilhões de anos atrás, foram as que favoreceram a evolução química. Quando a temperatura da superfície da terra era inferior a 100 ° C. Sua atmosfera apresentava nitrogênio na forma de ammorua (-NH ₃ ), carbono na forma de metano (-CH ₄ ) e oxigênio na forma de vapores de água (H ₂ O), mas não havia oxigênio livre, então a atmosfera primitiva era "Reduzindo". Estes compostos foram chamados compostos protoplasmáticos.

(b) À medida que a terra arrefecia, desenvolveu uma crosta sólida que mais tarde formou depressões e elevações. Enquanto isso, os vapores atmosféricos da água se condensaram e finalmente chegaram à superfície como chuva. A água coletada nas depressões dissolveu os minerais como cloreto e fosfatos e finalmente formou corpos d'água de grande porte chamados oceanos.

c) Formação de compostos orgânicos simples:

À medida que a superfície da terra é resfriada a 50-60 ° C, moléculas e minerais presentes em corpos d'água são combinados e recombinados de várias maneiras através dos processos de condensação, polimerização e oxido-redução para formar compostos orgânicos simples como álcoois, aldeídos, glicerol e ácidos graxos, purinas, pirimidinas, acares simples (por exemplo, ribose, desoxirribose, glicose, etc.) e aminoidos.

Estes compostos orgânicos acumulavam-se nos corpos de água, pois sua degradação era muito lenta na ausência de qualquer catalisador consumidor ou enzimático ou ausência de oxigênio. Tal transformação não é possível na atmosfera oxidante atual porque o oxigênio ou os micro-consumidores se decompõem ou destroem as partículas vivas que podem surgir por mero acaso.

A energia para estas reações fotoquímicas foi fornecida por um dos seguintes fatores:

(i) erupções vulcânicas (calor seco intenso da Terra),

ii) radiações solares (raios UV),

(iii) energia elétrica produzida durante o raio, e

(iv) Decaimento de elementos radioativos.

Haldane propôs que esses compostos orgânicos simples gradualmente se acumulassem nesses corpos de água e, finalmente, uma "sopa fina quente" ou "sopa pré-biótica" ou caldo fosse formada. Isso preparou o cenário para várias reações químicas.

d) Formação de compostos orgânicos complexos:

Compostos orgânicos simples mostraram reações químicas ocasionais e polimerização para finalmente formar compostos orgânicos complexos como polissacarídeos, gorduras, nucleotídeos, ácidos nucléicos, polipeptídeos etc.

As principais fontes de energia para as reações químicas e a formação de polímeros foram: descarga elétrica, raios, energia solar, ATP e pirofosfatos. A evaporação da água levou à concentração de monômeros e favoreceu a polimerização.

Estes polímeros eram mais estáveis, de modo que estes dominavam nos corpos de água. A alta concentração de polímeros deslocou o equilíbrio químico para a formação de polímeros estáveis ​​a partir de monômeros instáveis.

e) Formação de protobiontes:

Para a origem da vida, três condições devem ser cumpridas:

(i) Deve haver um suprimento contínuo de moléculas autoprodutoras, chamadas replicadoras.

(ii) A cópia desses replicadores deve ter sido sujeita a mutação (alteração).

(iii) O sistema de replicadores deve ter exigido um fornecimento contínuo de energia livre e seu isolamento parcial do ambiente geral.

O principal fator responsável pelas mutações nos replicadores (moléculas prebióticas) foi provavelmente os movimentos térmicos induzidos pela alta temperatura, enquanto o isolamento parcial foi atingido dentro de seus agregados. Oparin e Sydney Fox propuseram que compostos orgânicos complexos sintetizados abiogênicamente na terra primitiva mais tarde tenderam a se acumular e formaram grandes agregados semelhantes a células coloidais chamados protobiontes.

Essas primeiras formas de vida não celulares provavelmente se originaram há 3 bilhões de anos. Estes teriam moléculas gigantes contendo RNA, proteína, polissacarídeos etc. Esses agregados podem separar combinações de moléculas do ambiente e podem manter um ambiente interno.

Mas a principal desvantagem deles era que eles eram incapazes de se reproduzir. Estes agregados microscópicos, esféricos, estáveis ​​e móveis foram chamados coacervatos (L. acervus = pile - Fig. 7.4) por Oparin e microesferas de Sydney Fox.

Como estes coacervatos não possuem membrana externa lipídica e não podem se reproduzir, eles não cumprem os requisitos como candidatos de prováveis ​​precursores da vida. As microesferas se tornaram bem sucedidas e se multiplicaram, pois tinham o poder de crescimento e divisão (brotamento, fragmentação e fissão binária - Fig. 7.5).

B. Biogenia (Formação da Vida Primitiva):

Como a fisiologia celular é o resultado da atividade enzimática, as enzimas devem ter se desenvolvido antes das células. Gradualmente, os agregados gênicos ficaram cercados por um complexo sistema de enzimas que formavam o citoplasma. Essas enzimas poderiam ter combinado as bases de nitrogênio, açúcares simples e fosfatos nos nucleotídeos.

Os nucleotídeos podem ter se combinado para formar o ácido nucléico, que parecem ser as biomoléculas que preenchem a condição de suprimento dos replicadores na origem da vida.

Atualmente, a biologia molecular opera segundo o princípio do dogma central, que afirma que o fluxo de informações genéticas é unidirecional e é mostrado abaixo:

DNA (Transcrição) → RNA (Translation) → Proteína

(Com informação genética) (Com mensagem genética)

Este mecanismo provavelmente evoluiu de um mecanismo muito mais simples.

Ácido nucléico e proteínas (enzimas) são duas biomoléculas interdependentes. As proteínas são sintetizadas por um processo que começa com a transcrição de informações do DNA para o mRNA, seguido pela tradução nos ribossomos, enquanto os ácidos nucléicos dependem das enzimas proteicas para sua replicação.

Assim, proteínas e ácidos nucléicos formam dois compostos químicos primários da vida. A teoria dos proteinóides afirma que as moléculas de proteína evoluíram primeiro, enquanto a hipótese do gene nu afirma que o ácido nucléico se originou primeiro e controlou a formação de proteínas.

A síntese in vitro da molécula de RNA de 77 ribonucleotídeos por HG Khorana (1970) deu origem a especulações de que provavelmente o RNA, e não o DNA, era o material genético primordial. Esta visão foi ainda apoiada pela descoberta de certas ribozimas (moléculas de RNA com propriedades enzimáticas).

Assim, a visão mais recente é que as primeiras células usavam o RNA como material hereditário e, posteriormente, o DNA evoluía de um molde de RNA apenas quando a vida baseada em RNA ficava encerrada nas membranas. Finalmente, o DNA substituiu o RNA como material genético para a maioria dos organismos. Alguma associação casual de proteínas, purinas, pirimidinas e outros compostos orgânicos pode ter dado origem a um sistema que poderia se reproduzir.

Uma fina membrana limitante foi desenvolvida em torno do citoplasma pela dobragem de monocamada de fosfolipídeos para formar a membrana celular. Assim, é possível que as primeiras células tenham surgido da mesma forma que os coacervados foram formados em corpos de água primitivos. As primeiras estruturas “semelhantes a células” com poder de divisão foram chamadas de “eobionts” ou “pré-célula”. Essas primeiras formas celulares de vida se originaram cerca de 2.000 milhões de anos atrás.

Estes talvez fossem semelhantes ao Mycoplasma, que deu origem a Monerans (células sem um núcleo bem definido) e Protistans (células com núcleo distinto). A Monera incluía procariontes como bactérias e cianobactérias. A Protista deu origem a eucariotos que evoluíram para protozoários, metazoa e metaphyta. Este ancestral comum unicelular de arqueobactérias, eubactérias e eucariotas foi chamado de progenote.

Prova Experimental de Evolução Molecular Abiogênica da Vida:

Em 1953 dC, Stanley L. Miller (um bioquímico) e Harold C. Urey (um astrônomo) comprovaram experimentalmente a formação de compostos orgânicos simples a partir de compostos mais simples sob condições redutoras (Fig. 7.9).

É chamado experimento de simulação. O objetivo foi avaliar a validade da alegação de Oparin e Haldane quanto à origem de moléculas orgânicas na condição primitiva da Terra. Eles submeteram a mistura de metano-amônia-hidrogênio-água (simulando atmosfera primordial) por cerca de uma semana por uma centelha elétrica (de cerca de 75.000 volts que simulou a iluminação da terra primitiva e forneceu uma temperatura de cerca de 800 ° C) entre dois eletrodos de tungstênio. uma câmara de gás (chamada de aparelho de descarga de faísca) colocada em condições redutoras.

Metano, amônia e hidrogênio foram obtidos na proporção de 2: 2: 1. Eles passaram os produtos quentes através de um condensador (para condensação e coleta de produto final aquoso,

Equivalente à sopa de Haldane).

O experimento de controle continha todos os requisitos, exceto a fonte de energia. Após 18 dias, eles analisaram quimicamente os compostos químicos por métodos cromatográficos e colorimétricos. Eles encontraram muitos aminoácidos (glicina, alanina, ácido aspártico, ácido glutâmico, etc.), peptídeos, purinas, pirimidinas e ácidos orgânicos.

Estas purinas e pirimidinas agiram como precursores de ácidos nucleicos. Estes aminoácidos são essenciais para a formação de proteínas. Os produtos intermediários foram encontrados para ser aldeídos e HCN. No experimento controle, notou-se uma quantidade insignificante de moléculas orgânicas.

A análise do conteúdo de meteoritos também revelou compostos similares indicando que processos similares estão ocorrendo em outras partes do espaço.

Prova Experimental de Formação de Compostos Orgânicos Complexos:

Sydney W. Fox (1957 AD) relatou que quando uma mistura de 18-20 aminoácidos é aquecida até o ponto de ebulição (160 a 210 ° C por várias horas) e depois resfriada em água, muitos aminoácidos polimerizam e formam cadeias polipeptídicas, chamados proteinóides.

Fox afirmou que esses proteinóides com água formavam os agregados coloidais chamados coacervatos ou microesferas (Fig. 7.10). Estes tinham cerca de 1-2 µm de diâmetro, semelhantes às bactérias cocóides em forma e tamanho.

Estes podem ser induzidos a se contrair superficialmente, lembrando brotamento em bactérias e fungos (levedura). Ele também relatou a formação de porfirinas, nucleotídeos e ATP a partir de compostos inorgânicos e HCN.

Formação de Agregados Complexos:

Oparin relatou que se uma mistura de uma proteína grande e um polissacarídeo é agitado, coacervatos são formados. O núcleo desses coacervados era formado principalmente de proteína, polissacarídeo e um pouco de água e era parcialmente isolado da solução aquosa circundante com menor quantidade de proteínas e polissacarídeos. Mas estes coacervatos não têm membrana externa de lipídios e foram incapazes de se reproduzir.

C. Cognogenia (natureza da vida primitiva e sua evolução):

A seção natural operou mesmo no momento da origem da vida. A seleção continuada de eobiontes mais bem sucedidos acompanhada do aperfeiçoamento do sistema de membranas provavelmente levou à formação da primeira célula.

As primeiras células foram anaeróbicas (obtiveram energia por fermentação de algumas moléculas orgânicas, pois não havia oxigênio disponível), procarióticas (com nucleóide como nas bactérias) e quimioheterotróficas (alimentos prontos e derivados de moléculas orgânicas existentes).

Estes começaram a derivar compostos orgânicos nutritivos dos mares primitivos como seus blocos de construção e fontes de energia. Então essas células cresceram em tamanho enorme. Para restringir seu tamanho, os quimioheterotróficos iniciaram a mitose celular e aumentaram seu número.

Para lidar com o suprimento de compostos orgânicos, alguns desses quimioheterotróficos evoluíram para quimioautotróficos, anaeróbios e procariontes. Estes começaram a sintetizar os seus próprios alimentos orgânicos a partir de compostos inorgânicos na presença de energia química (também da degradação de compostos inorgânicos) e enzimas, por exemplo, bactérias redutoras de sulfato, bactérias nitrificantes, ferro-bactérias etc. Foi proposta a principal força para este tipo de evolução. ser de mutações.

Diante do problema de aumento da deficiência de compostos inorgânicos, alguns dos quimioautotróficos desenvolveram porfirinas e bacterioclorofila (pigmento fotossintético verde) e iniciaram a fotossíntese (síntese de carboidratos). Isso levou à evolução dos anaeróbios, procarióticos e fotoautotróficos. Estes evoluíram cerca de 3500-3800 milhões de anos atrás.

Os primeiros fotoautotróficos eram anoxigênicos, pois não utilizavam água como matéria-prima na fotossíntese. Mais tarde, eles desenvolveram a verdadeira clorofila e começaram a usar a água como reagente, de modo que o O2 evoluiu no processo de fotossíntese. Os primeiros fotoautotróficos, aeróbicos e aeróbicos, eram cianobactérias, que se acredita que evoluíram entre 3.300 e 3.500 milhões de anos atrás.

Da mesma forma, JW Schopf (1967) relatou a presença de 22 aminoácidos em uma rocha de 3000 milhões de anos, enquanto os microfósseis mais antigos pertencem a algas verdes azuis, a saber, Archaespheroids barbertonensis, cerca de 3, 3 a 3, 5 bilhões de anos atrás.

Por longo período, as formas dominantes e talvez as únicas formas de vida na Terra foram bactérias, fungos e cianobactérias. Gradualmente, as algas verde-azuladas evoluíram para outras formas de algas. Estima-se que os eucariotos tenham se desenvolvido por volta de 1600 milhões de anos atrás.

Os primeiros eucariotos evoluíram através de mutações em procariontes (Raff e Mahler, 1972) ou associação simbiótica de diferentes procariontes (Marguilis, 1970). Mais tarde muitos tipos de algas, fungos, protozoários e outros organismos vivos foram desenvolvidos.