PROFESSOR

PAULO CESAR

PORTAL DE ESTUDOS EM QUÍMICA
 

DICAS PARA O SUCESSO NO VESTIBULAR: AULA ASSISTIDA É AULA ESTUDADA - MANTER O EQUILÍBRIO EMOCIONAL E O CONDICIONAMENTO FÍSICO - FIXAR O APRENDIZADO TEÓRICO ATRAVÉS DA RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS.

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A proliferação da vida no planeta Terra tem sido detalhadamente estudada há anos, e muitos de seus princípios fundamentais já foram revelados. Este artigo fala sobre as diversas definições para a vida, o funcionamento básico dos seres vivos, a origem da vida segundo a ciência moderna, e discute a possibilidade de vida extraterrena.


 
Como a VIDA é DEFINIDA?

O que é VIDA?
Não existe uma definição definitiva sobre o que seja a vida. Para a ciência, um ser vivo é algo que atenda o conjunto das definições abaixo:

A definição Fisiológica

Foi popular por vários anos. Um ser vivo é definido como sendo um ser capaz de realizar algumas funções básicas, como comer, metabolizar, excretar, respirar, mover, crescer, reproduzir e reagir a estímulos externos. Várias máquinas realizam todas estas funções e, entretanto, não são seres vivos. Um automóvel, por exemplo, come e metaboliza a gasolina, e joga seus excrementos pelo escape. Respira oxigênio e expira gás carbônico. Por outro lado, algumas bactérias vivem na ausência completa de oxigênio, isto é, não respiram, e, sem dúvida, são seres vivos. A definição, portanto, tem falhas.

A definição Metabólica
É ainda popular entre muitos biólogos. Descreve um ser vivo como um objeto finito, que troca matéria continuamente com as vizinhanças, mas sem alterar suas propriedades gerais. A definição parece correta mas, novamente, existem exceções: certas sementes e esporos são capazes de permanecer imutáveis, dormentes, durante anos ou séculos e, depois, nascerem aos serem semeados. A chama de uma vela, por outro lado, também tem uma forma definida, e troca matéria continuamente com as vizinhanças.
A definição Bioquímica (ou bio-molecular)
Seres vivos são seres que contém informação hereditária reproduzível codificada em moléculas de ácidos nucléicos e que controlam a velocidade de reações de metabolização pelo uso de catálise com proteínas especiais chamadas de enzimas. Esta é uma definição de vida muito mais sofisticada que a metabólica ou fisiológica. Existem, também neste caso, alguns contra-exemplos: existe um tipo de vírus que não contém ácido nucléico e é capaz de se reproduzir sem a utilização do ácido nucléico do hospedeiro.
A definição Genética

Um sistema vivo é um sistema capaz de evolução por seleção natural. Em 1859 Charles Darwin publicou o livro que o tornou famoso: "A Origem das Espécies". Um parafraseamento moderno de sua teoria poderia ser algo como: informação hereditária é transportada por grandes moléculas conhecidas como genes. Genes diferentes são responsáveis por características diferentes do organismo. Na reprodução, este código genético é repassado para o organismo gerado. Ocasionalmente, pequenas "falhas" ocorrem na replicação do código, e surgem indivíduos com pequenas variações - ou mutações. Algumas mutações podem conferir características especiais que tornam o organismo mais apto à sobrevivência. Como um resultado, estes genes "mutantes" vão se reproduzir com mais facilidade do que os normais, e esta será a espécie dominante.

A definição Termodinâmica
O segundo princípio da termodinâmica diz que, em um sistema fechado, nenhum processo que leve a um aumento da ordem interna do sistema pode ocorrer. O universo, como um todo, está constantemente indo para uma situação de maior desordem - a entropia do universo aumenta com o passar do tempo. Em um organismo vivo a ordem parece aumentar: uma planta pega moléculas ordinárias de água e gás carbônico e as transforma em clorofila, açúcares e outros carboidrato, moléculas bem mais elaboradas e ordenadas. Isto ocorre porque um ser vivo é um sistema aberto, que troca massa e energia com as vizinhanças. Alguns cientistas concordam que, na maioria dos sistemas abertos, a ordem aumenta quando se fornece energia para o sistema, e que isto acaba formando ciclos. O mais comum dos ciclos biológicos na Terra é o ciclo biológico do Carbono. Na oxidação dos carboidrato, o dióxido de carbono é devolvido a atmosfera, completando o ciclo. Vários ciclos termodinâmicos existem mesmo na ausência de vida, como é observado em vários processos químicos. De acordo com este ponto de vista, ciclos biológicos são meramente explorações de ciclos termodinâmicos por organismos vivos.

 

Os MECANISMOS BIOQUÍMICOS da VIDA


Nós, seres humanos, somos uma coleção ambulante de algo perto de 1014 células. As células humanas se assemelham, em muitos aspectos, a todas as células que constituem os animais e vegetais da Terra. Cada célula consiste, em geral, de um núcleo central, esférico, imerso em uma grande solução: o citoplasma. Este conjunto é chamado de protoplasma, e é envolto por uma membrana fosfolipídica. Dentro de cada célula, milhões de moléculas são sintetizadas a cada minuto. Uma única enzima é capaz de catalisar a síntese de mais de 100 moléculas por segundo! A informação contida em uma única célula foi estimada como sendo em torno de 1012 bits, o equivalente a mais de 100 milhões de páginas de uma enciclopédia.
A magnitude destes números não impediu com que centenas de pesquisadores no mundo inteiro dedicassem suas carreiras na tentativa de elucidar o mecanismo da vida. E alguns dos aspectos fundamentais já foram esclarecidos:

 

>Ácidos Nucléicos
No interior dos núcleos celulares de todas as células eucariontes existe um complicado trançado de proteínas e ácidos nucléicos, que dá origem aos cromossomos. Os ácidos nucléicos é que carregam as informações genéticas e hereditárias, através de uma codificação química chamada de código genético.
O DNA foi descoberto em 1869, mas suas funções na genética só foram demonstradas em 1943. Em 1953, James Watson e Francis Crick desvendaram a estrutura em dupla-hélice do DNA. O ácido deoxirribonu-cléico, o DNA, é uma dupla hélice: dois "cordões" moleculares enrolados um no outro, ligados covalentemente por ligações entre as bases adjacentes. Pode ser visto como sendo uma escada torcida, onde que os lados da escada são formados por uma sequência alternada de açúcar e fosfatos. Ligado a cada açúcar esta uma base: adenina (A), guanina(G), citosina(C) ou timina(T). Existe apenas uma maneira de se conectar as bases, sendo que se sabendo a sequência de bases em uma das hélices, sabe-se também a sequência das bases na molécula adjacente.

 

Cada célula originada no organismo leva uma cópia do DNA consigo. A duplicação do DNA ocorre pela separação das duas hélices, cada qual servindo de "planta" para a construção de outra molécula de DNA, idêntica ao seu par adjacente.
 

 

O ácido ribonucléico, RNA, difere do DNA por possuir um açúcar diferente (ribose) e por uma base (uracil) diferente. O RNA parece não existir numa forma de dupla hélice, tal como o DNA. Um conjunto fosfato-açúcar-base é chamado de nucleotídeo. Hoje, sabe-se que o DNA, o RNA e as enzimas possuem uma inter-relação curiosa e elaborada, que parece ser exatamente a mesma em todos os organismos vivos da Terra.
> O Código Genético
A primeira interpretação lógica do código genético só foi feita em 1960. Foi descoberto que um conjunto de 3 nucleotídeos consecutivos são o código para um aminoácido de uma proteína, e.g., uma enzima.


Através do controle da síntese de enzimas, os ácidos nucléicos controlam o funcionamento e crescimento da célula. Como só existem 4 bases diferentes, só existem (43) 64 combinações

possíveis. O significado de cada uma destas combinações já é conhecido - a maioria representa um determinado amino ácido; alguns representam sinais de pontuação, como onde começar ou terminar uma síntese.

Você sabia?
Os menores organismos vivos em nosso planeta são os pleuropneumonias, PPLO, que tem somente cerca de 1 Å de diâmetro. Os maiores são as sequoias, árvores que podem atingir 100 metros de altura.

Este tipo de relação entre ácidos nucléicos e proteínas é não somente o mesmo em todos os seres vivos, como o mesmo "dicionário" pode ser utilizado para decifrar o código de qualquer organismo vivo na face da terra. Um problema fundamental, portanto, para a origem da vida é a origem do código genético.
O renomado cientista H.J. Muller estimou que no cromossomo humano existem cerca de 4 x 109 pares de bases. Como existem 4 bases diferentes, o número de combinações possíveis no cromossomo humano é algo como 4 elevado na 4 x 109, um número muitíssimo grande. Portanto, o ser humano é um ser extraordinariamente improvável: a grande maioria de todas estas possibilidades levaria para uma completa disfunção biológica! Pode-se dizer que, nestes 3 trilhões de anos de vida, houve, também, uma seleção natural nas sequências possíveis de nucleotídeos.

ATP
Existem, ainda, outros fatos em comum para todos os organismos vivos na Terra. Por exemplo: só existe uma classe de moléculas que armazenam energia para processos biológicos nas células de todos os seres vivos, os fosfatos nucleotídicos. Um represen-tante desta classe é a ATP (trifosfato de adenosina). Uma outra curiosidade: embora existam vários bilhões de compostos orgânicos possíveis, menos do que 1500 são utilizados pela vida atual no planeta; e estes são construidos a partir de menos de 50 blocos moleculares simples.

flagelosUma outra coincidência que intriga os cientistas: os espermatozóides possuem cílios e flagelos para sua locomoção em ambientes líquidos. Estas fibras sempre estão organizadas em grupos de 9 periféricas e 1 interna. Certas bactérias, como a paramecio, também tem cílios e a forma de organização, 9:1, é idêntica! A porfirina é a base molecular para a hemoglobina, nos animais, e para a clorofila, nas plantas. A relevância estereoquímica de determinados estereoisômeros é a mesma em todos os organismos vivos. Muitos biólogos dizem que todas estas coincidências são um forte apoio para a teoria de que todos os seres vivos são descendentes de uma única célula.


 

A ORIGEM da VIDA

A maioria das explicações giram em torno de 4 hipóteses:

I) A origem da vida é o resultado de um evento sobrenatural, isto é, além dos poderes descritivos da química e da física.
II)A vida surge espontaneamente a partir da matéria não viva em curtos períodos de tempo, hoje e no passado.
III)A vida é coexistente com a matéria e não tem começo. Chegou à Terra no mesmo tempo da origem do planeta, ou imediatamente depois.
IV)A vida se iniciou na Terra primitiva por uma série de reações químicas progressivas.

 

Para as várias correntes religiosas e para os teólogos, a hipótese I é a verdadeira: a vida foi criada por um fenômeno sobrenatural. A descrição da criação do mundo na Bíblia judaico-cristã, em Gênesis, não está de acordo com várias observações experimentais, e não é aceita pela ciência. O Gênesis, além de apresentar uma visão geocêntrica do universo, fala que quando o sol foi criado, já havia não somente o planeta Terra, mas vida abundante por toda sua superfície. A grande maioria dos organimos vivos que habitam ou habitaram a Terra requerem a luz do sol para sua sobrevivência. A formação dos primeiros compostos orgânicos, como demonstrado em laboratório, só foi possível graças à radiação UV provinda do sol.

Deve estar claro, para o leitor, que a hipótese atualmente aceita pela ciência é a hipótese IV. Mas até há pouco tempo atrás, a hipótese II, a da geração espontânea de vida, era plenamente aceita nos meios acadêmicos. No século XVII, os experimentos levavam a acreditar na geração espontânea da vida: de uma banana podre surgiam, inexplicavelmente, larvas de moscas e mosquitos. O mesmo acontecia com qualquer pedaço de matéria orgânica em decomposição. De uma mulher bonita, de repente, brotavam filhos e mais filhos...Foi somente no final do século que o biólogo italiano Francesco Redi demontrou que estas larvas provinham de ovos deixados por moscas ou mosquitos adultos. Um padre italiano, Lazzaro Spallanzi, mostrou que os espermatozóides eram necessários para a reprodução dos mamíferos. Louis PasteurMas, mesmo assim, a idéia da geração espontânea sobrevivia: como explicar a fermentação do suco de uva? De onde vinham as "criaturas minúsculas" que promoviam a transfomação do açúcar em álcool?
Somente em 1850, Louis Pasteur demonstrou que quem promovia a fermentação do suco de uva eram germes microscópicos, que flutuavam no ar. Mostrou que uma filtração adequada era capaz de remover os germes e evitar a fermentação.

Hoje, acredita-se que a hipótese IV seja a verdadeira: de que a vida se originou, após a formação do planeta, numa série de reações químicas aleatórias. Como estes eventos aconteceram e quais foram as reações químicas?

 

seres estranhos
Alguns organismos são capazes de viver em condições realmente adversas:
>a alga Cyanidium caldarium pode crescer em soluções quentes de ácido sulfúrico concentrado!
> Nas piscinas térmicas naturais do Yellowstone National Park, nos EUA, algumas bactérias procariontes vivem em temperaturas próximas a da ebulição da água!
>Muitos organismos unicelulares podem ser congelados por muito tempo, e voltam a exercer atividade biológica assim que descongelados.
>Algumas bactérias foram encontradas na extratosfera, há mais de 100.000 pés de altitude!
>Em oposição, peixes, algas e microorganismos foram encontrados nas regiões mais profundas do oceano, onde a pressão é centenas de vezes maior que no nível do mar.

A Atmosfera Primitiva

Embora o átomo de hidrogênio seja o elemento de maior abundância cosmológica (cerca de 87% de todo o universo), a quantidade total de hidrogênio na Terra é muito menor. Uma das teorias para explicar esta discrepância é de que alguns gases escaparam da atração gravitacional da Terra e foram expelidos para o cosmos. O hidrogênio, por ser o gás de menor peso molecular, foi o mais perdido pela atmosfera da Terra na evolução geológica. Entretanto, na atmosfera primitiva, a composição era muito próxima da cosmológica: havia hidrogênio em abundância e pouco oxigênio. Então, os gases de carbono e nitrogênio, eram os hidretos, e não os óxidos: metano (CH4) e amônia (NH3), no lugar de CO2 e NO2
.
 

A primeira simulação experimental destas condições primitivas foi conduzida em 1953 por um estudante de química americano, S.L. Miller, sob a supervisão do químico H.C. Urey. Uma mistura de metano, amônia, vapor de água e hidrogênio foram continuamente borbulhadas em uma solução de água líqdida. Discargas elétricas eram aplicadas sobre a solução, simulando os raios. Após algum tempo, a solução aquosa se tornou marrorm. Análises demosntraram a presença de vários amino ácidos, os blocos elementares para a construção da vida. Outros experimentos foram realizados, com radiação ultravioleta no lugar de descargas elétricas, e os resultados foram parecidos. O famoso astrofísico Carl Sagan ( da série Cosmos) foi um dos que utilizaram, com sucesso, a radiação ultravioleta sobre a atmosfera primitiva para a produção de moléculas orgânicas.
Em condições alcalinas, e na presença de catalisadores inorgânicos, o formaldeído espontaneamente reage para formar uma variedade de açúcares, incluindo os de 5 carbonos, fundamentais para a formação dos ácidos nucléicos, e os de 6 carbonos, como frutose e glucose, que são extremamente comuns nos organismos vivos atuais, tanto como metabólitos ou como blocos estruturais. Além disso, simulações da atmosfera primitiva já levaram à formação de bases nucleotídicas e porfirinas. Muitos dos componente essenciais da vida podém, então, ser preparados em simulações da atmosfera primitiva.


O problema: polimerização!

A formação de macromoléculas, a partir destes blocos fundamentais, entretanto, é um problema experimental mais difícil. Existe alguma evidência de açúcares e bases nucleotídicas podem se combinar na presença de fosfatos ou cianetos sobre radiação ultravioleta. Longos polímeros de aminoácidos podem se produzidos com ácido cianídrico e amônia líquida anidra.

A Origem do Código

Imagine um oceano primitivo, cheio de nucleotídeos e seus fostatos, e bastante superfície mineral para atuar como catalisador. De repente, surge um polinucleotídeo. Como já vimos, este poderia servir, tal como na duplicação do DNA, como um padrão para "fabricar" o segundo. Alguns erros, entretanto, poderiam ocorrer na duplicação. Isto corresponde a uma molécula capaz de se reproduzir e sofrer mutações. Alternativamente, pode-se supor que o surgimento de tais moléculas ocorreu diversas vezes, em vários pontos do oceano primitivo. Esta população de polinucleotídeos que se duplicam não pode, ainda, ser considerada viva, por nenhuma das definições de vida vistas acima: ela não influencia seu ambiente significativamente. A formação de vários polímeros de amino ácidos, as proteínas, também pode ter ocorrido, espontaneamente, no mar primitivo. Hoje, sabe-se que as proteínas não tem poder reprodutivo, e os polinucleotídeos não tem atividade catalítica. É a parceria entre estas duas moléculas que faz a vida contemporânea possível.

Sendo assim, a vida teve origem no exato instante em que ocorreu alguma associação funcional entre as proteínas e os polinucleotídeos, ou seja, com a origem do primeiro código genético. Os mecanismos auxiliares à reprodução do código, as enzimas, os mensageiros, ribossomos, etc., são o produto de uma longa história evolutiva, e são produzidos de acordo com instruções contidas no código genético. No momento da origem, o código para tais mecanismos estava, obviamente, ausente. Várias linhas de evolução de códigos genéticos distintos pode ter iniciado em vários pontos do planeta, porém, na competição, somente um modelo de código sobreviveu: todos os organismos vivos da Terra são descendentes do mesmo código.

A QUÍMICA da vida EXTRATERRESTRE

A vida na Terra é estruturalmente baseada no carbono, e utiliza a água como meio de interação. O hidrogênio e o nitrogênio ajudam a definir formas estruturais; fósforo é importante para o armazenamento e transporte de energia; o enxofre, para as configurações tridimensionais das proteínas. A vida, na Terra, é limitada por uma estreita faixa de temperatura, que corresponde aos pontos de fusão e ebulição da água. A pergunta é: a vida, necessariamente, precisa de tais átomos e tais condições físico-químicas? Pode a vida, em um outro planeta, se desenvolver em condições totalmente diferentes?

A MORTE...

É a parada total dos processos vitais que eventualmente ocorrem em todos os organismos vivos. Para os médicos e biólogos a definição exata do que realmente seja a morte ainda é conflitante. Um sujeito pode ter morte cerebral, e todas as funções vitais básicas serem mantidas artificialmente. Neste caso, suas células estão vivas, mas o organismo não. O conceito de morte não é puramente biológico, mas sim cultural, ético e legal. Como consenso, define-se que a morte seja a "perda irreversível das funções vitais".


Uma resposta aproximada a esta pergunta deve levar em conta algumas considerações. O meio para interações moleculares precisa ser líquido, pois a difusão é muito lenta nos sólidos e as interações são muito fracas no estado gasoso. O líquido deve possuir uma grande faixa de temperatura entre a fusão e a ebulição, e deve ser um excelente solvente. O planeta deve, também, possuir alguns gases, mediados por ciclos biológicos, assim como o gás carbônico na Terra. A temperatura do planeta não pode ser muito alta - as forças das ligações químicas são fracas em altas temperaturas.
E quanto ao carbono? Existe algum outro elemento que possa substituí-lo?
The truth is out there!Na forma como conhecemos e definimos vida, é difícil se pensar em outra organização estrutural que não utilize o carbono. Poucos átomos tem a capacidade de formar polímeros como o carbono. Uma outra opção seria o silício, mas estes tendem a produzir silicatos, que são cristais de uma mesma unidade repetida periodicamente, sem cadeias laterais aperiódicas com conteúdo potencial de informação. Poucos átomos são candidatos tão fortes quanto o Hidrogênio para conferir um meio de interação intermolecular necessário para a vida. Por todas as razões, a água é certamente o melhor meio para o desenvolvimento da vida, mas, em temperaturas baixas, amônia líquida ou ácido cianídrico líquido também podem ser um meio líquido adequado.
Não existe, ainda, nenhuma evidência de vida extraterrestre. Podemos, somente, afirmar que, para a existência de vida, um planeta deve possuir um meio reacional líquido, superfícies inorgânicas catalíticas, uma atmosfera, e uma proteção contra os raios ultravioletas, tal como temos a camada de ozônio.

Saiba mais:
>Aprenda a extrair o DNA de cebolas, na sua cozinha!
>O Instituto SETI (Search of Extraterrestrial Inteligence) do governo americano
>Vários artigos sobre a Origem da Vida, na revista Scientific American

 

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Este site foi atualizado em 27/01/11