Por que o carbono e denominado elemento da vida?

Biologia: O estudo da vida

Apesar de ser amplamente divulgada como “o estudo da vida”, uma vez que “Bio” significa “vida”, e “logos” significa “estudo”, essa definição de biologia torna-se um pouco vaga, pois se a biologia estuda a vida, então o que de fato seria considerado “vida”?

O conceito de “Vida” ou “Seres vivos” é um conceito bem abstrato, mas sabemos intuitivamente reconhecer se algo é “vivo” ou “não vivo”. Por mais que não estudemos biologia, sabemos prontamente dizer que os nossos animais de estimação são seres vivos, ao passo que os nossos eletrodomésticos não são. Para que essa classificação seja possível, normalmente recorremos ao conhecimento popular, utilizando critérios como movimentação, respiração, reprodução, evolução e demais critérios, que de fato são bastante úteis para diferenciarmos os seres vivos dos seres não vivos. Contudo, um dos critérios mais assertivos utilizados atualmente, consiste na avaliação da composição química, cuja análise revelou a presença de certos elementos químicos que se apresentam em grandes proporções em todos os seres vivos. Tais elementos podem ser resumidos pela expressão CHONPS, uma sigla para Carbono, Hidrogênio, Oxigênio, Nitrogênio, Fósforo e Enxofre. É importante ressaltar que outros elementos químicos também estão presentes na composição dos seres vivos, mas os elementos do CHONPS destacam-se pelas grandes proporções em que se apresentam.

Carbono

Hidrogênio

Oxigênio

Nitrogênio

(P) Fósforo

(S) Enxofre

Tais elementos químicos estando presentes na composição química de todos os seres vivos são então capazes de se combinar entre si, em diferentes combinações, formas e tamanhos, para gerar quatro grupos de substâncias, conhecidas como substâncias orgânicas, que nada mais são que Proteínas, Carboidratos, Lipídeos e Ácidos nucleicos. Assim, em última análise, todos os seres vivos seriam, portanto, constituídos desses quatros grupo de substâncias.

A Origem da Vida

Teoria da Biogênese X Teoria da Abiogênese

Apesar de todos os seres vivos possuírem as quatro substâncias orgânicas formadas pela combinação do CHONPS, resta ainda a pergunta: “Como surgiram os seres vivos?”

Muitos pesquisadores da antiguidade se deparam com essa questão e resolveram tentar explicar como a vida se originaria. Dispondo de pouco recursos, uma das primeiras ideias que tentava explica a origem da vida

Apesar disso, pesquisadores da época sabiam que nem toda matéria bruta poderia originar vida. Um pedaço de ferro ou de pedra não poderia gerar vida, mas uma poça d’água ou de lama era capaz de fazê-lo. Assim, defendeu-se na época que era necessário um princípio ativo nessa matéria bruta, a partir do qual se originaria a vida. O princípio ativo não era algo concreto, mas uma capacidade ou potencialidade de gerar vida.

No século XVII, contudo, um pesquisador denominado Francesco Redi resolveu realizar uma experiência questionando a veracidade da teoria da geração espontânea. Em seu experimento, Redi colocou pedaços de carne em dois frascos, um dos frascos permanecendo aberto e exposto, enquanto o segundo frasco foi coberto com um pedaço de gaze. Após alguns dias, Redi observou que no frasco que havia ficado exposto, houve o surgimento de larvas de moscas, ao passo que no segundo frasco, coberto com a gaze, tal fato não ocorreu. Assim, sendo a exposição ao ambiento o único ponto de diferença entre

Apesar da repercussão de seu experimento, Redi não conseguiu provar como os microrganismos seriam capazes de se originar a partir de outro se vivo, sendo os microrganismos seres tão pequeninos.

Frente a esse questionamento, um cientista francês chamado Louis Pasteur, por volta de 1860, elaborou um experimento para derrubar de vez a ideia da geração espontânea. Baseado em alguns experimentos de cientistas anteriores, o experimento de Pasteur consistia em levar à ebulição dois caldos nutritivos, cada um em seu próprio frasco, e deixa-los resfriar expostos ao ar para se observar o crescimento de microrganismos. Em um dos frascos, contudo, Pasteur havia alongado o pescoço do mesmo, formando uma curva que ficou conhecida como pescoço de cisne.

Ao final do experimento, Pasteur observou que no primeiro tubo, cujo pescoço do frasco não havia sido alongado, microrganismos haviam se formado poucos dias depois do aquecimento, enquanto o segundo frasco ainda permanecia estéril. A explicação para a esterilidade do segundo frasco, mesmo exposto ao ar, é que as partículas de poeira ao penetrarem no pescoço de cisne, encontra a superfície ainda úmida e acabam por se depositarem nas curvas do pescoço, impedindo assim que a poeira alcance o caldo nutritivo. A presença de bactérias oriundas do ar era a principal explicação para essa diferença, e para comprovar tal fato, o pescoço de cisne do segundo frasco foi quebrado algum tempo depois e a solução foi deixada novamente em exposição, havendo a formação de microrganismos tal como ocorreu no primeiro frasco.  Com esse experimento, Pasteur conseguiu de fato derrubar a teoria da geração espontânea.

A ideia da Panspermia

Após a derrubada da teoria da geração espontânea e sabendo que a vida sempre se origina de algum lugar, pesquisadores começaram a se questionar então da onde ela teria surgido. As ideias apontavam para o espaço, sugerindo que a vida na Terra teria se originado através de meteoritos que atingiam a Terra na época de sua formação. Apesar de substâncias orgânicas de fato terem sido encontradas em meteoritos, cientistas acreditam que o aquecimento de qualquer corpo que entrasse na atmosfera terrestre seria de tal ordem que destruiria qualquer forma de vida semelhante às que conhecemos hoje. Além disso, admitindo que essa hipótese fosse verdadeira, isso ainda não explicaria como a vida teria se originado fora da Terra. De qualquer forma, a essa ideia de que a vida na Terra veio do espaço, damos o nome de Panspermia.

A ideia de Oparin

A ideia mais aceita atualmente consiste na ideia de que a vida surgiu espontaneamente através da evolução química de substância não vivas. O bioquímico russo Aleksandr I. Oparin organizou e apresentou tais ideias, conforme:

1. A idade aproximada da Terra é 4,5 bilhões de anos, tendo a crosta se solidificado há uns 2,5 bilhões de ano;
2. A composição da atmosfera primitiva foi provavelmente diferente da atual; não havia O2, existia apenas amônia (NH3), metano (CH4), vapor d’água (H2O) e hidrogênio (H2). Estudos recentes, contudo, demonstraram que a atmosfera primitiva era composta por gás carbônico (CO2), Nitrogênio (N2), amônia (NH3), hidrogênio (H2), amônio (NH4) e vapor d’água (H2O);
3. O vapor de água se condensou à medida que a temperatura da crosta diminuiu. Caíram chuvas sobre as rochas quentes, o que provocou nova evaporação, nova condensação e assim por diante. Portanto, um ativo ciclo de chuvas;
4. Radiações ultravioletas e descargas elétricas das tempestades agiram sobre as moléculas da atmosfera primitiva: algumas ligações químicas foram desfeitas, outras surgiram; aparecendo assim novos compostos na atmosfera, alguns dos quais orgânicos, como os aminoácidos, por exemplo;
5. Aminoácidos e outros compostos foram arrastados pela água até a crosta ainda quente, propiciando que compostos orgânicos se combinassem entre si;
6. Quando a temperatura das rochas tornou-se inferior a 100ºC, já foi possível a existência de água líquida na superfície do globo: os mares estavam se formando. As moléculas orgânicas foram arrastadas para os mares. Na água, as probabilidades de encontro e choques entre moléculas aumentaram muito; formaram-se agregados moleculares maiores, os coacervados;
7. Os coacervados ainda não são seres vivos; no entanto eles continuam se chocando e reagindo durante um tempo extremamente longo; algum coacervado pôde casualmente atingir a complexidade necessário (lembre-se de que a diferença entre vida e não vida é sobretudo questão de organização). Daí em diante, se tal coacervado teve a propriedade de duplicar-se, pode-se admitir que surgiu a vida, mesmo que sob uma forma extremamente simples.
   

O bioquímico Miller, um tempo depois, resolveu testar essa hipótese e realizou um experimento em que simulava as condições da Terra primitiva propostas por Oparin.  Miller construiu um sistema fechado onde fez circular durante 7 dias uma mistura de gases: metano, hidrogênio, amônia e vapor de água. Um reservatório de água aquecido à temperatura de ebulição permitia a formação de mais vapor de água, eu circulava arrastando os outros gases.

Num certo lugar do aparelho, a mistura era submetida a descargas elétricas constantes, simulando os “raios” das tempestades que se acredita terem existido na época. Um pouco adiante, a mistura era resfriada e, ocorrendo condensação, tornava-se novamente líquida. Ao fim da semana, a água do reservatório, analisada pelo método de cromatografia, mostrou a presença de muitas moléculas orgânicas, entre as quais alguns aminoácidos.

Os primeiros seres vivos

Uma vez comprovado que a vida poderia ter se originado a partir das condições ambientais existentes na Terra Primitiva, restava-se saber quais seriam as características dos primeiros organismos que teriam se originado naquelas condições. Hoje, sabe-se que todos os organismos presentes na Terra dependem de algum tipo de alimentação para sua sobrevivência. Assim, há aqueles que são capazes de produzir seu próprio alimento, os chamados autótrofos; e aqueles que não são capazes de tal feito, necessitando obter alimentos de outra forma, sendo chamados de heterótrofos. Ainda não há consenso entre os pesquisadores para se determinar se os primeiros seres vivos eram autótrofos ou heterótrofos.

A hipótese autotrófica

A fotossíntese, apesar de hoje ser 4considerado o principal processo pelo qual as plantas produzem seu próprio alimento, não era uma opção viável naquele momento. As condições ambientais da Terra primitiva não permitiam que os primeiros seres vivos formados já possuíssem um nível de complexidade suficiente para sustentar o processo da fotossíntese, era necessário outro recurso, mais simples.

De acordo com alguns cientistas, os primeiros seres vivos autótrofos não se utilizavam da fotossíntese, já que não possuíam complexidade para tal, mas utilizavam o processo de quimiossíntese. Neste processo, a energia liberada das constantes reações químicas que ocorriam entre compostos inorgânicos, era aproveitada por estes seres vivos para a produção de alimento. Da reação entre Sulfeto de Ferro (FeS) e Sulfeto de hidrogênio (H2S), por exemplo, era liberada certa quantidade de energia que poderia ser aproveitado para a produção de alimento.

Com o passar dos anos, após inúmeras divisões celulares e processos de adaptação, surgiu em algum momento algum organismo que apresentava complexidade suficiente para finalmente realizar a fotossíntese.

Principalmente através desse novo processo, um novo gás passou a ser liberado na atmosfera da Terra primitiva: o gás oxigênio (O2). Este novo gás, resultante do processo fotossintético, até então não era utilizado para nenhum processo, e passou a se acumular ao longo de milhões de anos. Como resultado, houve a formação da Camada de Ozônio (O3), que passou a filtrar os raios solares UV.

Além disso, a abundância do gás oxigênio (O2) possibilitou que certos organismos se desenvolvessem e passassem e utilizar este novo gás que havia surgido. Tornaram-se capazes então utilizar este novo gás para o processo que foi chamado de respiração. Este processo de respiração permitia extrair dos alimentos maior quantidade de energia, tornando os indivíduos que realizavam este processo, mais aptos a colonizar os novos ambientes, agora protegidos pela camada de ozônio.

Assim, com um ambiente agora protegido das radiações UV devido à formação da camada de ozônio, aliado a um processo energeticamente rentável, a colonização na Terra passou a ser favorável.

A hipótese heterotrófica

A hipótese heterotrófica defende que os primeiros seres vivos não possuíam a capacidade de aproveitar a energia liberada das reações entre os compostos químicos (quimiossíntese), e que seria necessário então que se alimentassem de algo. Mas, nesse caso, o que ele comeria?

Segundo as ideias de Oparin, os primeiros seres vivos teriam surgido em um mar repleto de coacervados orgânicos, que ainda não eram seres vivos. Esses coacervados representam então, uma fonte abundante de alimento para nosso primeiro organismo, que passaria a se alimentar não somente do material orgânico disponível no meio, mas também de seus “irmãozinhos”.

Para se obter energia através do alimento, era necessário o processo de respiração. Contudo, por este exigir a presença de gás oxigênio (O2), inexistente na época, o processo utilizado era então a fermentação alcoólica. Neste processo, o alimento era convertido em energia conforme reação abaixo, mas seu rendimento não era tão elevado.

Apesar da abundância inicial de alimento, que favorecia este processo, era de se esperar que a velocidade de produção de alimento fosse menor que a velocidade de consumo. Assim, se não houvesse nenhuma mudança, logo a quantidade de alimento disponível se esgotaria.

Em algum momento, portanto, surgiram os primeiros organismos capazes de realizar a fotossíntese, possivelmente utilizando como matéria-prima o CO2 residual dos processos de fermentação. Como demonstrado anteriormente, o processo de fotossíntese possibilitava a produção do próprio alimento, de forma que tal capacidade fechava o ciclo produtor/consumidor e permitia o prosseguimento da vida.

A partir do surgimento da fotossíntese, houve então surgimento de gás O2, formação da camada de ozônio e surgimento do processo de respiração, conforme discutido anteriormente.  

EXERCÍCIOS

1. (ENEM) Em certos locais, larvas de moscas, criadas em arroz cozido, são utilizadas homo iscas para pesca. Alguns criadores, no entanto, acreditam que essas larvas surgem espontaneamente do arroz cozido, tal como preconizado pela teoria da geração espontânea. Essa teoria começou a ser refutada pelos cientistas ainda no século XVII, a partir dos estudos de Redi e Pasteur, que mostraram experimentalmente que:

a) Seres vivos podem ser criados em laboratório.

b) A vida se originou no planeta a partir de microrganismos.

c) O ser vivo é oriundo da reprodução de outro ser vivo preexistente.

d) Seres vermiformes e microrganismos são evolutivamente aparentados.

e) Vermes e microrganismos são gerados pela matéria existente nos cadáveres e nos caldos nutritivos, respectivamente.

2. (Unicamp) Considerando-se a composição da atmosfera primitiva, pode-se afirmar que:

a) O CO2 presente na atmosfera primitiva pode ter se originado da degradação aeróbica da glicose.

b) matéria precursora da vida só poderia ter se formado se houvesse enzimas para catalisar as reações entre os gases presentes na atmosfera primitiva.

c) As substâncias orgânicas formadas a partir dos gases presentes na atmosfera primitiva deram origem a proteínas e ácidos nucleicos.

d) Os aminoácidos formados na Terra primitiva surgiram do aumento da interação de moléculas de ácido nucleico com proteínas.

3) (ENEM/2000) O gráfico abaixo representa a evolução da quantidade de oxigênio na atmosfera no curso dos tempos geológicos. O número 100 sugere a quantidade atual de oxigênio na atmosfera, e os demais valores indicam diferentes porcentagens dessa quantidade.

De acordo com o gráfico, é correto afirmar que:

a) As primeiras formas de vida surgiram na ausência de O2.

b) A atmosfera primitiva apresentava 1% de teor de oxigênio.

c) Após o início da fotossíntese, o teor de oxigênio na atmosfera mantém-se estável.

d) Desde o Pré-cambriano, a atmosfera mantém os mesmos níveis de teor de oxigênio.

e) Na escala evolutiva da vida, quando surgiram os anfíbios, o teor de oxigênio atmosférico já se havia estabilizado.

4. (VUNESP) Uma vez que não temos evidência por observação direta de eventos relacionados à origem da vida, o estudo científico desses fenômenos difere do estudo e muitos outros eventos biológicos. Em relação a estudos sobre a origem da vida, apresentam-se as afirmações seguintes:

I – Uma vez que esses processos ocorreram há bilhões de anos, não há possiblidade de realização de experimentos, mesmo em situações simuladas, que possam contribuir para o entendimento desses processos.

II – Os trabalhos desenvolvidos por Oparin e Stanley Miller ofereceram pistas para os cientistas na construção de hipóteses plausíveis quanto à origem da vida.

III – As observações de Oparin sobre coacervados ofereceram indícios sobre um processo que constitui-se, provavelmente, em um dos primeiros passos para origem da vida, qual seja, o isolamento de macromoléculas do meio circundante.

Em relação a estas afirmações, podemos indicar como corretas:

a) I, apenas.

b) II, apenas.

c) I e II, apenas.

d) II e III, apenas.

e) I, II e III.

5. (UEL) Teorias a respeito da evolução celular indicam que as primeiras células surgiram em um ambiente inóspito, pobre em oxigênio, conhecido como sopa pré-biótica, onde ocorria síntese espontânea de biomoléculas complexas. Considerando a baixa complexidade das primeiras células, é correto afirmar que elas caracterizavam-se como:

a) Procariontes autotróficos, por serem capazes de produzir o seu próprio alimento.

b) Eucariontes heterotróficos, por se alimentaram de compostos orgânicos do meio.

c) Eucariontes autotróficos, por conseguirem energia do sol por meio da fotossíntese.

d) Procariontes heterotróficos, por se alimentarem de compostos orgânicos do meio.

e) Procariontes heterotróficos, por se alimentarem de outros organismos.

RESPOSTAS

1. C
2. C
3. A
4. D
5. D (não há consenso, mas a hipótese heterotrófica é a mais aceita).

Por que o carbono e denominado elemento da vida?

Qual a importância do carbono para o ser humano?

Qual o elemento mais importante para a vida?

Porque o carbono e importante para o Universo?