Fotossíntese eEvolução da Vida

Teoria de Oparin• Em 1936, Alexander Oparin propõe uma nova explicação para o origem da

vida. Sua hipótese se resume nos seguintes fatos:– Atmosfera primitiva do nosso planeta: metano, amônia, hidrogênio e vapor

de água. – Sob altas temperaturas, em presença de centelhas elétricas e raios

ultravioleta, tais gases teriam se combinado, originando aminoácidos, que ficavam flutuando na atmosfera.

– Com a saturação de umidade da atmosfera, começaram a ocorrer as chuvas. Os aminoácidos eram arrastados para o solo.

– Submetidos a aquecimento prolongado, os aminoácidos combinavam-se uns com os outros, formando proteínas.

– As chuvas lavavam as rochas e conduziam as proteínas para os mares. Surgia uma "sopa de proteínas" nas águas mornas dos mares primitivos.

– As proteínas dissolvidas em água formavam colóides. Os colóides se interpenetravam e originavam os coacervados.

– Os coacervados englobavam moléculas de nucleoproteínas. Depois, organizavam-se em gotículas delimitadas por membrana lipoprotéica. Surgiam as primeiras células.

Teoria de Oparin• Essas células pioneiras eram muito simples e ainda não dispunham de um

equipamento enzimático capaz de realizar a fotossíntese. Eram, portanto, heterótrofas. Só mais tarde, surgiram as células autótrofas, mais evoluídas. E isso permitiu o aparecimento dos seres de respiração aeróbia.

• Atualmente, se discute a composição química da atmosfera primitiva do nosso planeta, preferindo alguns admitir que, em vez de metano, amônia, hidrogênio e vapor de água, existissem monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio molecular e vapor de água.

• Oparin não teve condições de provar sua hipótese. Mas, em 1953, Stanley Miller, na Universidade de Chigago, realizou em laboratório uma experiência. Colocou num balão de vidro: metano, amônia, hidrogênio e vapor de água. Submeteu-os a aquecimento prolongado. Uma centelha elétrica de alta tensão cortava continuamente o ambiente onde estavam contidos os gases. Ao fim de certo tempo, Miller comprovou o aparecimento de moléculas de aminoácido no interior do balão, que se acumulavam no tubo em U.

Experimento de Stanley Miller

• Atmosfera e oceano primitivos + mistura + descargas elétricas

• Formação de moléculas orgânicas reduzidas simples após vários dias produção abiótica de matéria orgânica

• Experiência foi repetida em diferentes condições:• Energia: luz ultravioleta (provavelmente em grande

quantidade na Terra primitiva – sem a camada de O3). Outra fonte: impacto de meteoros e cometas.

• Os experimentos só foram sucesso na ausência de O2livre (com O2 – rápida oxidação das moléculas orgânicas).

Experimento de Stanley Miller

Outras evidências de síntese abiótica de MO

• Partículas interestrelares com diferentes moléculas orgânicas simples

• Aminoácidos encontrados em condritoscarbonáceos

• Parte da matéria orgânica encontrada no início da história pode ter vindo destas fontes. Embora estas fontes sejam pequenas, podem ter agido como catalisadores.

• Moléculas iniciais: açúcares simples ou moléculas mais complexas como aminoácidos e nucleotídeos

• Como é inevitável o problema de contaminação nos estudos dos meteoritos, muitos dos resultados obtidos são encarados com cepticismo e as conclusões postas em dúvida.

Condrito carbonáceo de Orgueil que apresenta um teor de 6% de matéria orgânica.

• O exame dos aminoácidos revelou que os existentes no meteorito apresentavam ambas as formas esquerda e direita, - levógira e dextrógira – o que não podia ser atribuído a uma contaminação terrestre. Se assim fosse, a contaminação biológica levaria necessariamente ao predomínio das moléculas levógiras invariavelmente presentes nos organismos vivos.

• a proporção isotópica era muito diferente da normalmente existente na matéria orgânica da Terra

• Mais de de uma centena de moléculas orgânicas foram identificadas naqueles meteoritos. Hidrocarbonetos, hexoses, aminoácidos, purinas, pirimidinas (bases dos ácidos nucleios), compostos fosfatados e outros componentes essenciais à química dos seres vivos existem em muitos meteoritos primitivos

Outras evidências de síntese abiótica de MO

Sopa primitiva

Moléculas orgânicas simples

Catalisadores como argilas

Polímeros

coacervados (conjunto de moléculas orgânicasisolado do meio externo por uma membrana simples)

Coacervado• O coacervado é uma gotícula coloidal (formada por partículas muito

pequenas mas maiores que as moléculas com polaridade) rica em polímeros em suspensão num meio aquoso. A membrana do coacervado é formada por moléculas de água dispostas em redor dos polímeros.

• O coacervado pode interagir com o meio, incorporando moléculas na sua estrutura, crescer e dividir-se. À medida que novas moléculas se agregam, se a nova combinação molecular não for estável, o coacervado irá se destruir. Se for estável o coacervado aumenta de tamanho, até que se divide em dois.

• No interior do coacervado, algumas moléculas catalisam novas combinações, enquanto outras, autoreplicáveis, começam a controlar as reações metabólicas. Deste modo, este conjunto de moléculas funcionaria como uma pré-célula, constituindo uma primeira manifestação de Vida.

• Nos milhões de anos seguintes, a seleção natural terá conduzido esta evolução química, favorecendo conjuntos moleculares bem adaptados e eliminando outros, devido à rarefação dos nutrientes nos oceanos.

• Assim, para sobreviverem, estas células poderão ter evoluído para uma situação de autotrofia, necessitando de grande quantidade de elétrons, como por exemplo o hidrogênio, dióxido de carbono ou moléculas sulfurosas. Não parece coincidência que a grande maioria de bactérias autotróficas atuais pertencerem ao grupo das bactérias sulfurosas.

Biliões de anos atrás 4,5 3,5 2,5 1,5 0,5

Fontes energéticas

bombardeamento por U.V. elevado,

calor da Terra elevado,

relâmpagos intensos

bombardeamento por U.V. elevado,

calor da Terra menor,

relâmpagos médios

bombardeamento por U.V. elevado,

calor da Terra baixo, relâmpagos

fracos

bombardeamento por U.V. fraco, calor da Terra

baixo, relâmpagos fracos

bombardeamento por U.V. fraco, calor da Terra

baixo, relâmpagos fracos

Gases na atmosfera

hidrogénio, metano,

amoníaco, água, dióxido de carbono

hidrogénio, metano,

amoníaco, água, dióxido de carbono

hidrogénio, amoníaco, água

hidrogénio, amoníaco, água, ozono, oxigénio,

dióxido de carbono

água, oxigénio, ozono, azoto,

dióxido de carbono

Moléculas no oceano

moléculas orgânicas simples

sintetizadas abioticamente,

metano e hidrocarbonetos, amónia, ácidos e

álcoois

moléculas orgânicas complexas

sintetizadas abioticamente,

nucleótidos, aminoácidos,

açúcares

moléculas orgânicas

complexas usadas pelos

protobiontes, início da síntese

biótica de proteínas, gorduras e

açúcares em células

moléculas orgânicas

complexas obtidas apenas por síntese

biótica

moléculas orgânicas

complexas obtidas apenas por síntese

biótica

Tipo de formas de Vida

era de evolução química,

protobiontesprocariontes procariontes surgimento dos

eucariontesorganismos

multicelulares

Evolução das Vias Metabólicas

• Registro mais antigo de vida na Terra: 3,8 bilhões de anos – forma semelhante às Archeabacteria.

1ª Via: Metanogênese via degradação de compostos orgânicos

CH3COOH CO2 + CH4

• Aproveitamento da matéria orgânica originada de forma abiótica. Os organismos, portanto, eram heterotróficos obrigatórios (quimioheterotróficos)

• Análogo atual: metanobactérias

Evolução das Vias Metabólicas

• Com o aparecimento de CO2:

2ª Via: Metanogênese via redução do CO2 CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O

• Processo mais sofisticado que o anterior –catálise enzimática mais complexa

• Ambos os processos ocorrem atualmente nas bactérias fermentadoras que habitam as áreas úmidas e sedimentos costeiros marinhos.

Evolução das Vias Metabólicas

3ª Via: Redução de Sulfato2 CH2O + 2 H+ + SO4

2- H2S+ 2 CO2 + 2 H2O

• Também encontrada na Archeobacteria• Apareceu a cerca de 2,4 bilhões de anos• Encontrada em Archeobaterias termofílicas de vents

hidrotermais no Mar Mediterrâneo.• Microambiente anaeróbico e ácido condições

similares às da Terra Primitiva.• N deve ter sido limitante para a síntese protéica – sem

fixação de N2 (processo muito sofisticado).

Evolução das Vias Metabólicas• As oportunidade para o metabolismo heterotrófico na Terra Primitiva eram limitadas – somente síntese abiótica de matéria orgânica

4ª Via: Fotossíntese com H2S

CO2 + 2 H2S CH2O + 2 S + 2 H2O

• Pelas bactérias sulfurosas – principalmente concentradas em locais de emissões vulcânicas rasas

• Grande fracionamento isotópico da matéria orgânica produzida (empobrecimento em 13C) – só o processo fotossintético

• Foi observada a presença de matéria orgânica com esta depleção de 13C em rochas datadas de 3,8 bilhões de anos.

Luz

Evolução das Vias Metabólicas

• O estoque de H2S era limitado – evolução para a quebra fotoquímica da água (grande barreira de energia)

5ª Via: Fotossíntese a partir da H2O

CO2 + H2O CH2O + O2

• Há cerca de 3,5 bilhões de anos• Formação de depósitos de Fe2O3. Sem O2 – Fe2+ solúvel

na água do mar. Formação ocorrem no mundo todo nesta mesma época.

Luz

Remoção das espécies reduzidas

• Cerca de 2 bilhões de anos – aparecimento das camadas vermelhas na Terra – subsequente à formação em camadas de ferro nos oceanos.

• Acúmulo de O2 na atmosfera: produção > consumo. Há cerca de 430 milhões de anos.

• A liberação de O2 na atmosfera é sem dúvida o principal efeito da vida na geoquímica da Terra.

• De todo o O2 produzido pela fotossíntese somente 2 % reside atualmente na atmosfera.

Evolução das Vias Metabólicas

• A partir da presença de O2 livre, as demais vias metabólicas foram “envenenadas” e atualmente só são encontradas em locais específicos, cujas condições ambientais propiciam estes metabolismos.• A colonização efetiva dos continentes pelos eucariontes somente foi possível após a formação da camada de ozônio na estratosfera.

O triunfo do Oxigênio

• As bactérias que consomem O2 geram energia de forma muito mais eficiente:– Fermentação: 2 moléculas de ATP a partir de 1

molécula de açúcar– Respiração aeróbica: 36 moléculas de ATP a partir

de 1 molécula de açúcar

Evolução das Vias Metabólicas

• A presença de O2 também permitiu outras vias bioquímicas importantes nos ciclos biogeoquímicos dos elementos:

2 S + 2 H2O + 3 O2 3 SO4- + 4 H+

3 NH4+ + 3 O2 2 NO2

- + 2 H2O + 4 H+

2 NO2- + O2 2 NO3

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