Origem da Vida: Teoria Moderna da Origem da Vida
Leia este artigo para aprender sobre a Teoria Moderna, também conhecida como Teoria da Origem da Vida de Oparin-Haldane!
Teoria Moderna ou Teoria Oparin-Haldane da Origem da Vida:
De acordo com essa teoria, a vida se originou no início da Terra através de processos físico-químicos de átomos que se combinavam para formar moléculas, moléculas por sua vez reagindo para produzir compostos inorgânicos e orgânicos. Compostos orgânicos interagiram para produzir todos os tipos de macromoléculas que se organizaram para formar o primeiro sistema vivo ou células.
Imagem Cortesia: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6f/Blacksmoker_in_Atlantic_Ocean.jpg
Assim, de acordo com essa teoria, a "vida" originou-se espontaneamente de nossa terra a partir de matéria não-viva. Primeiros compostos inorgânicos e depois compostos orgânicos foram formados de acordo com condições ambientais em constante mudança. Isso é chamado de evolução química que não pode ocorrer sob as condições ambientais presentes na Terra. Condições adequadas para a origem da vida só existiam na terra primitiva.
A teoria de Oparin-Haldane é também chamada de teoria química ou teoria naturalista. AI Oparin (1894-1980) foi um cientista russo. Ele publicou seu livro “The origin of Life” em 1936 e uma edição em inglês em 1938. JBS Haldane (1892-1964) nasceu na Inglaterra, mas migrou para a Índia em julho de 1957 e se estabeleceu em Bhubaneswar, Orissa. Ele era biólogo, bioquímico e geneticista. Tanto Oparin (1938) quanto Haldane (1929) deram visões semelhantes sobre a origem da vida.
Modem views sobre a origem da vida incluem evolução química e evolução biológica:
A. Evolução Química (Quimiogenia):
1. A Fase Atômica:
A terra primitiva tinha inúmeros átomos de todos esses elementos (por exemplo, hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio, enxofre, fósforo, etc.) que são essenciais para a formação de protoplasma. Os átomos foram segregados em três massas concêntricas de acordo com seus pesos, (a) Os átomos mais pesados de ferro, níquel, cobre, etc. foram encontrados no centro da Terra, (b) Átomos de peso médio de sódio, potássio, silício, magnésio alumínio, fósforo, cloro, flúor, enxofre, etc. foram coletados no núcleo da terra, (c) os átomos mais leves de nitrogênio, hidrogênio, oxigênio, carbono, etc. formaram a atmosfera primitiva.
2. Formação de Moléculas Inorgânicas:
Átomos livres combinados para formar moléculas inorgânicas, tais como H 2 (Hidrogênio), N 2 (Nitrogênio), H 2 0 (vapor de água), CH 4 (metano), NH 3 (amônia), C0 2 (dióxido de carbono). Os átomos de hidrogênio foram mais numerosos e mais reativos na atmosfera primitiva.
Primeiros átomos de hidrogênio combinados com todos os átomos de oxigênio para formar água e não deixar oxigênio livre. Assim, a atmosfera primitiva estava reduzindo a atmosfera (sem oxigênio livre), ao contrário da atmosfera oxidante atual (com oxigênio livre).
Átomos de hidrogênio também combinados com nitrogênio, formando amônia (NH 3 ). Então, a água e a amônia foram provavelmente as primeiras moléculas da terra primitiva.
3. Formação de Moléculas Orgânicas Simples (Monômeros):
As primeiras moléculas inorgânicas interagiram e produziram moléculas orgânicas simples, como açúcares simples (por exemplo, ribose, desoxirribose, glicose, etc.), bases nitrogenadas (por exemplo, purinas, pirimidinas), aminoácidos, glicerol, ácidos graxos, etc.
Chuvas torrenciais devem ter caído. Quando a água desceu, ela deve ter se dissolvido e carregado com sais e minerais, e acabou se acumulando na forma de oceanos. Assim, a água oceânica antiga continha grandes quantidades de NH3, CH4, HCN, nitretos, carbonetos, vários gases e elementos dissolvidos.
CH 4 + C0 2 + H 2 0 -> Açúcar + Glicerol + Ácidos Graxos
CH 4 + HCN + NH 3 + H 2 0 -> Purinas + Pirimidinas
CH 4 + NH 3 + C0 2 + H 2 0 -> Aminoácidos
Algumas fontes externas devem estar agindo sobre a mistura para reações. Estas fontes externas podem ser (i) radiações solares tais como luz ultravioleta, raios X, etc., (ii) energia de descargas elétricas como raios, (iii) radiações de alta energia são outras fontes de energia (provavelmente isótopos instáveis em a terra primitiva). Não havia camada de ozônio na atmosfera.
Um caldo de sopa de compostos químicos formado nos oceanos da terra primitiva, do qual acredita-se que as células vivas surgiram, foi denominado por JB Haldane (1920) como "sopa pré-biótica" (também chamada "sopa quente e diluída"). Assim, o palco foi montado para a combinação de vários elementos químicos. Uma vez formadas, as moléculas orgânicas se acumularam na água porque sua degradação era extremamente lenta na ausência de qualquer vida ou catalisadores enzimáticos.
Evidência Experimental para a Evolução Molecular Abiogênica da Vida:
Stanley Miller em 1953, que era então um estudante de pós-graduação de Harold Urey (1893-1981) na Universidade de Chicago, demonstrou claramente que a radiação ultravioleta ou descargas elétricas ou calor ou uma combinação destes pode produzir compostos orgânicos complexos de um mistura de metano, amônia, água (corrente de água) e hidrogênio. A proporção de metano, amônia e hidrogênio no experimento de Miller foi de 2: 1: 2.
Miller circulou quatro gases - metano, amônia, hidrogênio e vapor de água em um aparelho hermético e passou por descargas elétricas de eletrodos a 800 ° C. Ele passou a mistura através de um condensador.
Ele circulou os gases continuamente dessa maneira por uma semana e depois analisou a composição química do líquido dentro do aparelho. Ele encontrou um grande número de compostos orgânicos simples, incluindo alguns aminoácidos, como alanina, glicina e ácido aspártico. Miller conduziu o experimento para testar a ideia de que moléculas orgânicas poderiam ser sintetizadas em um ambiente redutor.
Outras substâncias, como ureia, cianeto de hidrogênio, ácido láctico e ácido acético também estavam presentes. Em outro experimento, Miller circulou a mistura dos gases da mesma forma, mas ele não passou a descarga elétrica. Ele não conseguiu obter o rendimento significativo dos compostos orgânicos.
Mais tarde, muitos pesquisadores sintetizaram uma grande variedade de compostos orgânicos, incluindo purinas, pirimidinas e açúcares simples, etc. Considera-se que os "blocos de construção" essenciais, como nucleotídeos, aminoácidos, etc., de organismos vivos poderiam Terra primitiva.
4. Formação de Moléculas Orgânicas Complexas (Macromoléculas):
Uma variedade de aminoácidos, ácidos graxos, hidrocarbonetos, purinas e bases de pirimidina, açúcares simples e outros compostos orgânicos acumulados nos mares antigos. Na atmosfera primitiva, descargas elétricas, raios, energia solar, ATP e polifosfatos podem ter provido a fonte de energia para reações de polimerização de síntese orgânica.
SW Fox, da Universidade de Miami, demonstrou que, se uma mistura quase seca de aminoácidos é aquecida, moléculas polipeptídicas são sintetizadas. Similarmente, os açúcares simples poderiam formar polissacarídeos e os ácidos graxos poderiam se combinar para produzir gorduras. Os aminoácidos podem formar proteínas, quando outros fatores estão envolvidos.
Assim, as pequenas moléculas orgânicas simples combinadas formam grandes moléculas orgânicas complexas, por exemplo, unidades de aminoácidos unidas para formar polipeptídeos e proteínas, unidades simples de açúcar combinadas para formar polissacarídeos, ácidos graxos e glicerol unidos para formar gorduras, açúcares, bases nitrogenadas e fosfatos. combinados em nucleotídeos que polimerizaram em ácidos nucléicos nos antigos oceanos.
Açúcar + Açúcar ———-> Polissacarídeos
Ácidos Gordos + Glicerol ———-> Gorduras
Aminoácidos- + Aminoácidos ———–> Proteínas
Bases Nitrogenadas + Açúcares Pentoses + Fosfatos ———> Nucleotídeos
Nucleotides + Nucleotides ———–> Ácidos Nucleicos
Qual veio primeiro RNA ou proteína?
A primeira hipótese do RNA:
No início dos anos 80, três cientistas (Leslia orgel, Francis Crick e Carl Woese) propuseram, de forma independente, o RNA World como o primeiro estágio na evolução da vida em que o RNA catalisou todas as moléculas necessárias para a sobrevivência e a replicação. Thomas Ceck e Sidney Altman dividiram o Prêmio Nobel de Química em 1989 porque descobriram que o RNA pode ser um substrato e uma enzima.
Se as primeiras células usaram o RNA como molécula hereditária, o DNA evoluiu a partir de um modelo de RNA. O DNA provavelmente não evoluiu como uma molécula hereditária, uma vez que a vida baseada no RNA tornou-se enclausurada na membrana. Uma vez que as células evoluíram, o DNA provavelmente substituiu o RNA como o código genético da maioria dos organismos.
A primeira hipótese da proteína:
Diversos autores (por exemplo, Sidney Fox, 1978) afirmaram que um sistema catalítico de proteína deve ter se desenvolvido antes de um sistema replicativo de ácido nucléico. Sidney Fox havia mostrado que os aminoácidos polimerizavam abioticamente quando expostos ao calor seco para formar proteinóides.
Hipótese de Cairns-Smith:
Foi proposto por Graham Caims-Smith, segundo o qual ambas as proteínas e o RNA se originaram ao mesmo tempo.
Formação de Nucleoproteínas:
As gigantescas moléculas de nucleoproteínas foram formadas pela união de ácido nucléico e moléculas de proteína. Essas partículas de nucleoproteínas foram descritas como genes de vida livre. As nucleoproteínas deram provavelmente o primeiro sinal de vida.
B. Evolução Biológica (Biogenia):
Condições para a origem da vida:
Para a origem da vida, pelo menos três condições são necessárias.
(a) Deve ter havido um suprimento de replicadores, ou seja, moléculas auto-produtoras.
(b) A cópia desses replicadores deve ter sido sujeita a erro por meio de mutação.
(c) O sistema de replicadores deve ter exigido um fornecimento contínuo de energia livre e isolamento parcial do ambiente geral.
A alta temperatura na terra primitiva teria cumprido o requisito de mutação.
1. Protobiontes ou Protocells:
Estes são, pelo menos, dois tipos de estruturas produzidas em laboratório bastante simples - os coacervados de Oparin e as microesferas de Fox, que possuem alguns dos pré-requisitos básicos das células protocromáticas.
Embora essas estruturas tenham sido criadas artificialmente, elas apontam para a probabilidade de que invólucros de membranas não biológicas (células proto) poderiam ter sustentado sistemas reativos por pelo menos um curto período de tempo e levado a pesquisas sobre a produção experimental de vesículas ligadas à membrana contendo moléculas, ie, células proto.
(i) Coacervatos:
A primeira hipótese foi proposta por Oparin (1920). De acordo com essa hipótese, a proto-célula inicial poderia ter sido um coacervado. Oparin deu o termo coacervatos. Estas eram estruturas não vivas que levaram à formação das primeiras células vivas das quais as células mais complexas evoluíram hoje.
Oparin especulou que uma célula proto consistia em carboidratos, proteínas, lipídios e ácidos nucléicos que se acumulavam para formar um coacervado. Tal estrutura poderia consistir em uma coleção de macromoléculas orgânicas cercadas por um filme de moléculas de água.
Este arranjo de moléculas de água, embora não seja uma membrana, poderia ter funcionado como uma barreira física entre as moléculas orgânicas e seus arredores. Eles poderiam seletivamente absorver materiais de seus arredores e incorporá-los em sua estrutura.
Os coacervados foram sintetizados no laboratório. Eles podem seletivamente absorver produtos químicos da água circundante e incorporá-los em sua estrutura. Alguns coacervados contêm enzimas que direcionam um tipo específico de reação química.
Porque eles não têm uma membrana definida, ninguém afirma que os coacervados estão vivos, mas eles exibem alguns personagens semelhantes à vida. Eles têm uma organização simples, mas persistente. Eles podem permanecer em solução por longos períodos. Eles têm a capacidade de aumentar de tamanho.
ii) microsferas:
Uma outra hipótese é que a proto-célula inicial poderia ter sido uma microesfera. Uma microesfera é uma coleção não viva de macromoléculas orgânicas com limite externo de dupla camada. O termo microesfera foi dado por Sydney Fox (1958-1964).
Sidney Fox demonstrou a capacidade de construir microesferas a partir de proteinoides. Os proteinóides são estruturas semelhantes a proteínas que consistem em cadeias ramificadas de aminoácidos. Os proteinóides são formados pela síntese de desidratação de aminoácidos a uma temperatura de 180 ° C. Fox, da Universidade de Miami, mostrou que é possível combinar aminoácidos isolados em polímeros de proteinóides. Ele também demonstrou a capacidade de construir microesferas a partir desses proteinóides.
Fox observou pequenas unidades semelhantes a células esféricas que surgiram de agregações de proteinóides. Esses agregados moleculares foram chamados microesferas proteinóides. As primeiras formas de vida não celulares poderiam ter se originado há 3 bilhões de anos. Eles teriam sido moléculas gigantes (RNA, proteínas, polissacarídeos etc.).
As microesferas podem ser formadas quando os proteinóides são colocados em água fervente e lentamente deixados a arrefecer. Parte do material proteinóide produz uma estrutura de limite duplo que envolve a microesfera. Embora essas paredes não contenham lipídios, elas exibem algumas características semelhantes à membrana e sugerem a estrutura de uma membrana celular.
As microesferas incham ou encolhem dependendo do potencial osmótico na solução circundante. Eles também exibem um tipo de movimento interno (streaming) semelhante ao exibido pelas células e contêm alguns proteinóides que funcionam como enzimas. Usando o ATP como fonte de energia, as microesferas podem direcionar a formação de polipeptídeos e ácidos nucléicos. Eles podem absorver o material do meio circundante.
Eles têm a capacidade de motilidade, crescimento, fissão binária em duas partículas e uma capacidade de reprodução por brotamento e fragmentação. Superficialmente, a brotação deles se assemelha aos das bactérias e fungos.
Segundo alguns investigadores, as microesferas podem ser consideradas as primeiras células vivas.
2. Origem dos procariontes:
Os procariontes foram originados de células protocômicas há cerca de 3, 5 bilhões de anos no mar. A atmosfera era anaeróbica porque o oxigênio livre estava ausente na atmosfera. Os procariontes não possuem membrana nuclear, citoesqueleto ou organelas complexas. Eles se dividem por fissão binária. Algumas das mais antigas células fósseis conhecidas aparecem como partes de estromatólitos. Estromatólitos são formados hoje a partir de sedimentos e procariontes fotossintéticos (principalmente cianobactérias filamentosas - algas verdes azuis).
3. Evolução dos Modos de Nutrição:
(i) heterotróficos:
Os primeiros procariontes presumivelmente obtiveram energia pela fermentação de moléculas orgânicas do caldo do mar em atmosfera livre de oxigênio (atmosfera redutora). Eles precisavam de material orgânico pronto como alimento e, portanto, eram heterotróficos.
ii) Autótrofos:
Devido ao rápido aumento no número de heterotróficos, o nutriente da água do mar começou a desaparecer e gradualmente se esgotou. Isso levou à evolução dos autótrofos. Estes organismos foram capazes de produzir suas próprias moléculas orgânicas por quimiossíntese ou fotossíntese.
(a) quimioautotróficos:
A queda na temperatura parou a síntese de moléculas orgânicas na água do mar. Alguns dos procariontes iniciais foram convertidos em quimioautotrofos que preparavam alimentos orgânicos usando energia liberada durante certas reações químicas inorgânicas. Estes quimioautotróficos anaeróbicos eram como bactérias anaeróbias presentes. Eles liberaram CO 2 na atmosfera.
(b) Photoautotrophs:
A evolução da molécula de clorofila permitiu que certas protocélulas utilizassem energia luminosa e sintetizassem carboidratos. Estes eram fotoautotróficos anaeróbicos. Eles não usaram água como fonte de hidrogênio. Eles eram semelhantes às atuais bactérias sulfurosas, nas quais o sulfeto de hidrogênio se dividia em hidrogênio e enxofre. O hidrogênio foi usado na fabricação de alimentos e o enxofre foi liberado como um resíduo.
Os fotoautotróficos aeróbicos usaram a água como fonte de hidrogênio e dióxido de carbono como fonte de carbono para sintetizar carboidratos na presença de energia solar. Os primeiros fotoautotróficos aeróbios foram cianobactérias (algas verdes azuis), como as formas que tinham clorofila. Eles liberaram oxigênio na atmosfera como subproduto da fotossíntese. A principal fonte de variação genética foi a mutação.
Revolução de Oxigênio:
À medida que o número de fotoautotróficos aumentou, o oxigênio foi liberado no mar e na atmosfera. Oxigênio livre do que reagiu com metano e amônia presentes na atmosfera primitiva e transformou metano e amônia em dióxido de carbono e nitrogênio livre.
CH 4 + 20 2 ————-> CO 2 + 2H 2 O
4NH 3 + 3O 2 ———–> 2N 2 + 6H 2 O
O mais antigo fóssil pertencente a algas verdes azuis, chamado Archaeospheroides barbertonensis, que tem 3, 2 bilhões de anos. Os procariontes liberadores de oxigênio surgiram pela primeira vez há pelo menos 2, 5 bilhões de anos.
4. Formação da camada de ozono:
Como o oxigênio se acumulou na atmosfera, a luz ultravioleta transformou um pouco de oxigênio em ozônio.
2O 2 + O 2 ———-> 2O 3
O ozônio formou uma camada na atmosfera, bloqueando a luz ultravioleta e deixando a luz visível como a principal fonte de energia.
5. Origem dos Eucariotos:
Os eucariotos se desenvolveram a partir de células procarióticas primitivas há cerca de 1, 5 bilhão de anos. Existem duas visões sobre a origem dos eucariotos.
i) Origem simbiótica:
De acordo com Margulis (1970-1981) da Universidade de Boston, algumas células hospedeiras predadoras anaeróbias englobaram bactérias aeróbias primitivas, mas não as digeriram. Essas bactérias aeróbicas se estabeleceram dentro das células hospedeiras como simbiontes. Essas células hospedeiras predadoras tornaram-se as primeiras células eucarióticas.
As células hospedeiras predadoras que engolfaram as bactérias aeróbicas evoluíram para células animais, enquanto aquelas que capturaram tanto as bactérias aeróbicas como as algas azuis-verdes tornaram-se células vegetais eucarióticas. As bactérias aeróbicas se estabeleceram como mitocôndrias e algas verdes azuis como cloroplastos.
ii) Origem por Invaginação:
De acordo com esta visão, organelas celulares de células eucarióticas podem ter se originado pela invaginação da membrana superficial de células procarióticas primitivas.
