O fenômeno da vida
Talvez, uma das perguntas mais enigmática para a ciência é: o que é vida? Quando uma pessoa faz esta pergunta para um biólogo imediatamente o biólogo lhe responde de forma retórica, lhe perguntando se um vírus é vivo ou não. Imediatamente a pessoa repensa sua pergunta. Pois os vírus são parasitas intracelular obrigatório, caso contrário as reações químicas inerentes a sua composição não se desencadeariam. Do ponto de vista de um físico, a vida pode ser definida com base nas leis da termodinâmica. Sendo um sistema termodinâmico aberto, que faz uso das diferenças ambientais do seu entorno para se reproduzir. Note que este conceito considera a interação de uma unidade com o ambiente, passando a entender a unidade como "viva". O livro "O que é vida?", escrito por Erwin Schrödinger, é uma excelente leitura para ajudar a entender as relações físicas de um ser vivo, propriamente dito. Se fizermos esta mesma pergunta a um psicólogo, sua resposta levará em consideração as emoções do individuo, este fator é desconsiderado pelos biólogos e pelos físicos. Em fim, discussões sobre este assunto sempre desencadeiam conversas exaustivamente longas e interessantíssimas.
Como começou a vida?
O que é vida?
Todos seres vivos são iguais?
Quantas espécies existem?
Como as espécies aparecem no planeta?
Como um embrião é gerado?
De que é feito um ser vivo?
Como a minhoca consegue viver em baixo da terra?
De que são feitos os seres vivos?
Toda matéria é feita de átomos. Seguindo a representação de um átomo proposta por Rutherford, podemos ilustrar um átomo sendo uma esfera com cerce de 1 Å (Å = 10-10 m ). No núcleo de um átomo há partículas com carga elétrica positiva, os prótons, e partículas sem carga elétrica, os nêutrons. Ao redor dessa região central, estão os elétrons, com carga elétrica negativa. Veja a ilustração abaixo, o primeiro desenho esta representando o núcleo do átomo em vermelho e um elétron, em laranja, orbitando o núcleo. O segundo desenho esta ilustrando o núcleo composto por sete neutrons, em vermelho, e sete prótons, em azul, orbitando este núcleo esta seis elétrons.
Como o número de prótons é igual ao de elétrons, o átomo é eletricamente neutro. A principal diferença entre dois átomos está na quantidade de prótons que cada átomo contém. Assim, todos os átomos de hidrogênio têm um próton em seu núcleo, todos os átomos de carbono têm seis prótons em seu núcleo; e assim por diante. Para entender melhor as diferenças entre os elementos químicos veja este texto sobre a tabela periódica.
Os átomos podem se ligar uns aos outros, formando moléculas. Por exemplo, os átomos de hidrogênio se ligam aos átomos de oxigênio e formam uma molécula de água. Em uma grama de água há 30 sextilhões (3 x 10²²) de moléculas de água, sendo 6 x 10²² átomos de hidrogênio e 3 x 10²² átomos de oxigênio. Cada molécula de água é cosporta por dois átomos de hidrogênio e um átomo de óxigênio, dando origem a formula química da água H2O.
Moléculas orgânicas
Medindo entorno de milésimos de milímetro, uma bactéria é um ser vivo muito pequeno, não sendo possível vê-la a olho nu. Para ter uma ideia, um grão de areia mede aproximadamente 1 mm, o que é possível ver a olho nu. O tamanho de uma bactéria é 1 mm / 1000, se tornando impossível ver uma bactéria sem a ajuda de um microscópio. Mas, apesar de seu tamanho reduzido, uma bactéria é muito mais complexa que um grão de areia.
Um grão de areia branca, a areia encontrada na maior parte do litoral brasileiro, é composto por quartzo. O quartzo é o segundo mineral mais abundante do planeta terra, ele faz parte da cadeia de montanhas que delimitam a serra e o litoral brasileiro. Os átomos que compõem quartzo são a sílica e o oxigênio (SiO2), o átomo de sílica se liga aos dois átomos de oxigênio, uma grande quantidade de SiO2 dá origem ao quartzo, que podemos encontrar em forma de um grão de areia branca, que encontramos à beira do mar. O quartzo tem muitas propriedades, tem aparência cristalina, é um prisma com seis lados, apresenta muitas cores, é um material bastante duro, tem estabilidade térmica, e muitas outras. Da mesma forma que o quartzo, existem muitos outros átomos que quando unidos formam minerais, gases, cristais, rochas, sais, terra e a própria água. Todos estes são denominados de matéria simples, pois poucos átomos já dão origem a tais características, e inorgânica, por não conterem átomos de carbono (C) em suas moléculas.
As bactérias, ainda que sejam mil vezes menores do que um grão de areia, são consideradas seres complexos, orgânicos e vivos! Todos os seres vivos são constituídos de átomos, assim como o quartzo, no entanto a estrutura molecular que compõem os tecidos de um ser vivo são mais complexas quando comparada a um mineral. A presença de átomos de carbono dentre as moléculas que constituem tecidos é uma diferença importante entre seres vivos dos não vivos (ainda que exista muitos elementos na natureza, que não são vivos, com carbono em sua composição química), pois o carbono possui propriedades que possibilitam a grande quantidade de ligação entre os mais diversos tipos moléculas, estas ligações podem ser simples, duplas ou tripas, o que torna a quebras desta ligações fáceis ou difíceis, respectivamente. Essa propriedade da uma certa facilidade para a construção e desconstrução de moléculas, uma vez que um ser vivo respondem aos estímulos recebidos as moléculas orgânicas se modificam conforme a necessidade.
As bactérias são constituídas por parede celular, membrana celular, citoplasma, organelas celulares e DNA. A parede celular das bactéria gram-positivas contém grande quantidade de pepitidioglicano. O pepitidioglicano é uma molécula formado por dois tipos de açucares, o C11H19NO8 e o C8H15NO6, note que ambos contém carbono em sua composição, a presença do pepitidioglcano na parede celular tornas as bactérias mais resistentes ao meio externo, impedindo que substâncias passem para o interior da célula. Apenas as substâncias que tem afinidade com a parede celular e com a membrana celular irão entrar na célula. As bactérias gram-negativas tem menor quantidade de pepitidioglicano em sua parede celular, assim a permeabilidade das substâncias que estão no ambiente que circunda as bactéria gran-negativas entram em contato, mais facilmente, com a membrana celular. A membrana celular, por sua vez, é constituída por fosfolípidio. O fosfolípidio é constituído por fosfatos e ácidos graxos, que também contém carbono em sua composição, a entrada e saída de substância do interior da células está diretamente relacionada com as ligações duplas ou simples dos carbonos e a quantidade de ligações feitas pelos carbonos dos ácidos graxos.
Por fim, o carbono esta presente em todos os tecidos de um ser vivo, suas propriedades permitem uma grande quantidade e diversidade de interações com o meio em que o indivíduo se encontra, que não são observados nos elementos inorgânicos presentes na natureza, mesmo naqueles que contém carbono em sua composição.
Vejas nas ilustrações abaixo as diferenças na composição de moléculas de elementos inorgânicos e orgânicos. Para formar uma molécula de gás oxigênio é nescessário dois átomos de oxigênio (O2) unidos por duas pontes de hidorgênio. Já a insulina, uma molécula orgânica, é composta por 460 átomos (C254 H377 N65 O75 S6 ), o carbono, representado na cor cinza; o hidrogênio, em branco; o oxigênio, em vermelho; o nitrogênio, em azul; o enxofre, em amarelo; e suas respctivas ligações.
A organização da vida
A complexidade da matéria orgânica deu origem a ao primeiro ser vivo do planeta terra, uma célula. A palavra "célula" faz alusão a uma "cela", um compartimento que aprisiona. A membrana plasmática é uma molécula orgânica (o fosfolipídio) que da origem ao compartimento que mantém concentrado em seu interior toda a matéria inorgânica, orgânica e organelas que interagem entre si, ainda, controla a entrada e saída de matéria do interior da célula. Tanto na membrana plasmática como no interior da célula a interação das moléculas ocorrem de forma organizada e de acordo com o estímulo que a célula recebe do ambiente. Por exemplo, para que sais minerais passem para o interior da célula através da membrana plasmática, a concentração de sais dentro da célula deve estar menor do que a concentração de sais no exterior da célula. Desta forma, a membrana plasmática "percebe", através da diferença da concentração de sais entre o interior e o exterior, e estimula a entrada de sais para o interior da célula. Este é apenas um exemplo de milhares de ações e reações ao ambiente que uma única célula faz. Estas reações podem ser ainda mais complexas quando tratamos de seres vivos que são constituídos por mais de uma célula, e ainda mais complexos quando estes organismos vivem em simbiose e interagem com outros organismos. Mesmo com o aumento da complexidade, a organização das respostas aos estímulos se matem acontecendo de forma organizada, dentro da célula e entre as células.
Na maioria dos organismos constituídos por muitas células, a organização entre as células formam os tecidos, como os tecidos musculares. É devido a resposta organizada das milhares de células que forma os tecidos musculares que temos a capacidade de nos movimentar. Do mesmo modo, uma única célula não seria capaz de proteger ou revestir toda a superfície do seu corpo, por ser extremamente pequena, para isso são necessárias muitas células, dando origem ao tecido epitelial (a pele).
Os tecidos podem se reunir formando órgãos, por exemplo a pele é um órgão do corpo humano, os tecidos musculares juntamente com outros tecidos são origem ao coração, os tecidos da derme dão origem ao encéfalo. De mesmo modo, os órgao trabalhando juntos para executar uma mesma função dão origem aos sistemas, por exemplo os órgao encéfalo, medula espinhal e nervos formam o sistema nervoso, responsável pela coordenação entre diferentes partes do corpo e pela integração do organismo com o ambiente. O conjunto de sistemas forma um organismo. O corpo humano, por exemplo, é formado, entre outros, pelos sistemas nervoso, digestório, respiratório, cardiovascular, urinário, genital, muscular e esquelético .
A organização dos seres vivos não termina com a formação de um organismo. Se considerarmos todo o sistema de vida no planeta, poderemos perceber graus ainda mais complexos de organização. Sabemos que os seres vivos interagem com outros seres e com o ambiente. Organismos da mesma espécie agrupam-se em determinada região, formando uma população. Uma população mantém relações com populações de outras espécies que habitam o mesmo local, formando uma comunidade. Uma comunidade pode ser representada pelo conjunto de todas as espécies que habitam determinado ambiente, como uma floresta ou uma lagoa. A comunidade influi nos fatores físicos e químicos do ambiente, como a chuva e a temperatura, e esses fatores também influem na comunidade. Desse modo, forma-se um conjunto, constituído por seres vivos e fatores físicos e químicos, chamado ecossistema. Esse nível de organização pode ser exemplificado por uma floresta inteira, incluindo os seres vivos, o tipo de solo, de clima, a quantidade de água. A reunião de todos os ecossistemas do planeta forma a biosfera, conjunto de todas as regiões da Terra habitadas por seres vivos.
Transformações da matéria e energia
Quando uma substância se transforma em outra, dizemos que ocorre uma reação química. Em todas reação químicas haverá o consumo de energia para que seja quebrada as ligações dos átomos da matéria bruta. No momento da quebra das ligações será liberado alguma forma de energia e, como resultado final, a matéria bruta será transformada em algum produto diferente da matéria bruta inicial. Por exemplo, quando uma vela queima, a chama que esta no pavio torna a parafina sólida em liquida, liberando os hidrocarbonetos que compõem a parafina, estes, em forma de vapor, se ligam ao oxigênio que esta no entorno da chama. Os hidrocarbonetos e o oxigênio juntos são um comburente, o que serve como combustível para manter a chama da vela. O resultado da queima dos hidrocarbonetos mais oxigênio é a liberação de gás carbônico e vapor de água para o ambiente. As energias produzidas neste processo são energia luminosa e o calor.
Por meio de reações químicas, os seres vivos transformam as substâncias retiradas do ambiente em outras substâncias, que são utilizadas em seu próprio corpo. A nutrição é uma gigantesca cadeia de reações químicas, que garante ao ser vivo energia para ser utilizadas na manutenção das funções de seu corpo. Por exemplo a multiplicação de células no interior do corpo durante o período de crescimento e a reconstrução das partes desgastadas. Portanto a disponibilidade de energia e as moléculas obtidas através das reações químicas contribuem para que as células mantenham o corpo funcionando em um equilíbrio estável.
As moléculas orgânicas de um alimento pode ser utilizada como fonte de energia; a principal substância para esse fim é a glicose, um tipo açúcar. A maioria dos seres vivos conseguem energia por meio da respiração celular que cataboliza a glicose (C6H12O6 ) e o gás oxigênio (O2 ), formando gás carbônico (CO2 ) e água (H2O). Nessa reação química a molécula de glicose é decomposta, liberando energia. Veja a ilustração a baixo.
Podemos dizer que, a todo momento, dois processos ocorrem no organismo:
construção de moléculas formadoras de partes das células a partir de substâncias mais simples, com o consumo de energia, esse processo é chamado anabolismo e engloba as transformações de síntese ou construção
degradação de substâncias mais complexas em outras mais simples, com liberação de energia, processo denominado catabolismo, que engloba as transformações de análise ou decomposição.
Nutrição autotrófica e heterotrófica
Na natureza, podemos encontrar duas formas básicas de nutrição: a autotrófica e a heterotrófica
Na nutrição autotrófica, realizada apenas pelas plantas, algas e por algumas bactérias, o organismo é capaz de produzir a glicose a partir de substâncias inorgânicas que retira do ambiente. Note que os organismos autotróficos produzem substâncias orgânicas a partir de substâncias inorgânicas, sem ingerir substâncias orgânicas prontas, como é o caso dos seres humanos, como explicado anteriormente.
A fotossíntese é um processo de produção de energia autotrófica utilizado por organismos que contém cloroplastos no interior de sua célula. Através da energia luminosa do Sol capturada pelas folhas, que é absorvida pelo cloroplasto, que vive em simbiose com as células da planta, e dos sais minerais capturados pelas raízes da planta produz a glicose. Essa glicose é distribuída nas células da planta que fazem o catabolismo dessa molécula liberando energia e formando oxigênio que é liberado na atmosfera. Veja a illustração abaixo.
A quimiossíntese é um outro processo de obtenção de energia autotrófico, realizado por bactérias unicelulares, estas bactérias também utilizam compostos inorgânicos, sem necessidade da luz solar, para produzir açucares e gerar energia a partir deste.
Na nutrição heterotrófica os animais, os protozoários, os fungos e a maioria das bactérias obtém as moléculas orgânicas do ambiente para conseguirem produzir energia. Esses seres precisam ingerir moléculas orgânicas prontas. Por exemplo, a onça pintada precisa caçar para obter alimento, de onde irá conseguir as moléculas orgânicas prontas para utilizar no processo de formação de energia (aliás, os seres vivos são orgânicos); as bactérias heterotróficas fagocitam moléculas orgânicas que estão disponíveis no ambiente e utilizam-nas para produzir energia.
Reação e equilíbrio
Todos os seres vivos são capazes de reagir a estímulos, isto é, reagir a modificações do ambiente.
No caso dos vegetais, essas reações costumam ser mais lentas que nos animais, manifestando-se, por exemplo, pelo crescimento do caule em direção à luz ou pelo crescimento das raízes em direção ao solo. Em algumas plantas, como a dormideira, a reação pode ser mais rápida: qualquer coisa que faça as folhas da dormideira balançarem provoca o fechamento de seus folíolos em poucos segundos.
No caso dos animais é possível perceber as reações quase que instantaneamente. Por exemplo, quando um gato vê uma ave o gato imediatamente muda seu comportamento, começa a caminhar devagar e abaixado em direção a ave. Enquanto que, no mento em que a ave vê o gato se aproximando, a ave voa para fora do alcance do gato. Nesta simples descrição de uma cadeia de acontecimentos pode-se perceber a as reações causadas nestes animais no momento em que eles percebem a mudança do ambiente em que estão.
Ainda que os seres vivos sempre reajam aos estímulos do ambiente, o corpo sempre tende a voltar para um esta do de equilíbrio, tanto comportamentalmente quanto fisiologicamente. Essa propriedade do ser vivo de se manter relativamente constante é chamada homeostase.
Um exemplo de homeostase ocorre quando bebemos muito líquido: nossos rins reabsorvem uma proporção menor de água em relação aos sais, e passamos a urinar mais. O contrário acontece quando bebemos pouca água. Essa reabsorção de água é controlada por um hormônio. Quando, por exemplo, suamos muito e não repomos logo a quantidade de água perdida, esse hormônio entra em ação, facilitando a reabsorção de água. A homeostase é importante para a manutenção da vida. Se o nosso ambiente interno mudar muito, ficando, por exemplo, excessivamente quente ou muito frio ou, então, demasiadamente ácido, as reações químicas podem parar e corremos o risco de morrer. Uma observação importânte é que a homeostase apenas irá acontecer se as condições do ambiente estejam adequadas, ou seja, não condições extremas impossibilitam que a homeostase.
Reprodução e hereditariedade
Em nossa espécie, Homo sapiens, estamos acostumados a perceber que filhos costumam ter algumas características físicas do pai e outras da mãe. As características de um indivíduo, como cor dos olhos ou dos cabelos, forma do nariz e até mesmo o desenvolvimento de algumas doenças, são determinadas por informações contidas nos genes em interação com outras partes da célula e com o ambiente.
Os genes são formados por segmentos de uma molécula orgânica, o ácido desoxirribonucleico (sigla em inglês DNA, deoxyribonucleic acid). Essas moléculas formam filamentos que ficam localizados no interior do núcleo das células. Quando a célula se divide, esses filamentos se condensam, sendo possível serem vistos ao microscópio como bastões: são os cromossomos.
Os genes atuam em conjunto com moléculas de proteínas simples entre outras moléculas, orientando a produção de proteínas complexas, as quais promovem determinadas transformações químicas no organismo. O processo de produção de proteínas é influenciado pelo ambiente externo ao organismo e por seu “ambiente interno”.
As características de um organismo não dependem apenas do DNA. Elas são o resultado de uma ação conjunta do gene e do ambiente. Por exemplo, duas pessoas que tenham os mesmos tipos de genes para altura poderão ter alturas diferentes por causa das diferenças na alimentação durante o período de crescimento. Portanto, em vez de dizer que os genes determinam nossas características, o mais adequado é falar que os genes, em interação com o ambiente, influenciam nossas características.
Com o auxílio de diversas moléculas e estruturas, as células podem promover a replicação dos genes. Assim, pelo processo de reprodução, que pode ser assexuada ou sexuada, as informações que eles contêm são transmitidas para as gerações seguintes.
Reprodução assexuada e sexuada
Nos organismos unicelulares, como a ameba, a reprodução assexuada é a principal forma de reprodução e equivale a uma simples divisão celular: os descendentes recebem cópias iguais do DNA do indivíduo original e, por consequência, são geneticamente idênticos.
No entanto, mesmo na maioria dos seres simples, encontramos também outra forma de reprodução, a reprodução sexuada. A reprodução sexuada é realizada pela união de células especializadas, denominadas gametas. Na maioria dos casos, a produção de gametas está ligada a uma diferença de sexo nos indivíduos adultos:
o sexo feminino produz o gameta feminino, chamado óvulo.
o sexo masculino produz o gameta masculino, chamado espermatozoide
nos vegetais, os nomes são diferentes: o gameta feminino é chamado oosfera, e o masculino de anterozoide
Quando ocorre a fecundação, ou seja, a união do espermatozoide com o óvulo, ou do anterozoide com a oosfera, forma-se o zigoto. O zigoto, que é uma célula com material genético de sua "mãe" e de seu "pai". O zigoto divide-se em muitas outras célula, originando assim um novo indivíduo, que possuirá genes (DNA) provenientes de seus progenitores. Suas características, portanto, resultarão de uma combinação de genes paternos e maternos, além das influências ambientais.
Cada vez que um óvulo ou um espermatozoide é produzido, há embaralhamento de cromossomos e genes, de modo que cada espermatozoide ou cada óvulo tem um conjunto diferente de genes. Por isso, os filhos não são geneticamente iguais aos pais, aos irmãos ou a qualquer outro indivíduo da família (exceto em caso de gêmeos univitelinos). Dizemos, então, que a reprodução sexuada origina seres geneticamente diferentes e, portanto, maior variedade de indivíduos.
A ilustração abaixo esta representando a estrutura interna do núcleo de uma célula. O primeiro desenho é uma célula, com a membrana plasmatica e o citoplasma representados em azul. O segundo desenho é o núcleo dessa célula, demonstrando as estruturas que estão dentro do núcleo. Dentro do núcleo podemos observar o nucleoplasma, representado em azul, as cromatinas, representadas pelas linhas em azul escuro, e o nucleolo, representado em laranja entre as cromatinas. As cromatinas nada mais são as fitas de DNA enroladas sob uma molécula de proteína, quando desenrolamos o DNA que esta sob a cromatina podemos ver a dupla hélice, que é o DNA propriamente dito, representado no terceiro desenho. No momento da divisão celular o material genético que se encontra dentro do núcleo, se junta, dando origem aos cromossos, ilustrado no quarto desenho.
Herança de características modificadas
Os dinossauros viveram sob o planeta terra à mais de 65 milhões de anos atrás, eles eram tal qual vemos nos filmes, em pinturas, lemos em livros e jogamos nos video games. Atualmente, 65 milhões de anos após a extinção dos dinossauros, as aves são os animais que contém as características mais parecidas com as características dos dinossauros, a diferença deve-se as modificação que são herdadas pela geração seguinte.
Esse processo pelo qual as populações de seres vivos se transformam ao longo do tempo é chamado de descendência de caracteres com modificação. Dois fenômenos que ajudam a explicar a descendência de caracteres com modificação são a mutação e a seleção natural.
Mutação
O mecanismo da hereditariedade garante que os filhos sejam semelhantes aos pais. Se esse mecanismo fosse infalível, as espécies não se modificariam ao longo do tempo; seriam sempre iguais, geração após geração. Entretanto, não é isso que acontece na natureza. As espécies existentes hoje resultaram de transformações nas espécies que existiram no passado. Parte dos acontecimentos que ajudam a explicar as diferenças entre filhos e progenitores é o erro que acontece durante a duplicação do DNA, e a exposição do DNA à radioatividade ou produtos químicos que modificam a seguem dos pares de bases que formam o DNA. Essa modificação na sequencia de pares de base do DNA chama-se mutação.
Surge, assim, uma molécula diferente da original, e isso pode significar uma nova característica. Mutações que ocorrem nas chamadas células germinativas (células que originam gametas) podem ser passadas às gerações seguintes.
Seleção natural
Quando é vantajosa para o ser vivo, isto é, quando aumenta sua chance de sobrevivência ou sua probabilidade de gerar maior quantidade de filhotes, a mutação tende a se espalhar lentamente pela população. Caso seja prejudicial, ela tende a desaparecer. O processo pelo qual são preservadas as mutações que favorecem a sobrevivência ou reprodução de organismos de uma população e eliminadas as mutações prejudiciais é chamado seleção natural.
Um exemplo de seleção natural é a resistência de insetos a inseticidas. Em uma população de insetos, a alta taxa de reprodução por via sexuada fornece populações extremamente variadas, nas quais a quantidade de genes mutantes diferentes é alta. Quando essa população é submetida a determinado inseticida por um período prolongado, os indivíduos sensíveis morrem e os mutantes resistentes sobrevivem. Gradativamente, geração após geração, diminui a quantidade de insetos sensíveis e aumenta a de resistentes.