Em formação

Spring_2021_Bis2A_Singer_Lecture_11 - Biologia

Spring_2021_Bis2A_Singer_Lecture_11 - Biologia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Estrutura celular de bactérias e arquéias

Nesta seção, discutiremos as características estruturais básicas das bactérias e arqueas. Tanto as bactérias quanto as arqueas não têm um núcleo ligado à membrana e organelas ligadas à membrana, que são marcas registradas dos eucariotos.

Enquanto bactérias earchaeasão domínios separados, morfologicamente eles compartilhamum número decaracterísticas estruturais. Como resultado, eles enfrentam problemas semelhantes, como o transporte de nutrientes para a célula, a remoção de resíduos da célula e a necessidade de responder às rápidas mudanças ambientais locais. Nesta seção, vamos nos concentrar em como sua estrutura celular comum permite que eles prosperem em vários ambientes e, ao mesmo tempo, os restringe.Uma das maiores restrições está relacionadapara o tamanho da célula.

Embora as bactérias e arqueas tenham uma variedade de formas, as três formas mais comuns sãodo seguinte modo: cocos (esféricos), bacilos (em forma de bastonete) espirilli(em forma de espiral) (figura abaixo). Ambas as bactérias e arqueas sãogeralmentepequeno em comparação com eucariotos típicos. Por exemplo, a maioria das bactériastende a serna ordem de 0,2 a 1,0µm(micrômetros) de diâmetro e 1-10µmem comprimento. No entanto, existem exceções. Epulopisciumfishelsoni é uma bactéria em forma de bacilo que tem normalmente 80µmde diâmetro e 200-600µmgrande. Thiomargaritanamibiensis é uma bactéria esférica entre 100 e 750µmde diâmetro e é visível a olho nu. Para comparação, um neutrófilo humano típico tem aproximadamente 50µmem diâmetro.

Figura 1. Esta figura mostra as três formas mais comuns de bactérias e arquéias: (a) cocos (esféricos), (b) bacilos (em forma de bastonete) e (c)spirilli(em forma de espiral).


Possível NB Discussão Ponto: Por que as bactérias e as arqueas são tão pequenas?

Por que bactérias e arqueas são tão pequenas? Quais são as restrições que os estão mantendo em tamanho microscópico (ou seja, o que os impede de ficarem maiores?)? Como, então, exatamente o relativamente gigante Thiomargarita namibiensis (que tem um volume celular três milhões de vezes o volume de uma bactéria média e é visível a olho nu) e outras bactérias maiores superam essas restrições? Imaginepossívelexplicações ou hipóteses que possam responder a essas questões. Exploraremos e desenvolveremos uma compreensão dessas questões com mais detalhes abaixo e em sala de aula.


A célula bacteriana e arqueada: estruturas comuns

Introdução à estrutura celular básica

Bactérias e arquéias são organismos unicelulares, que não possuem estruturas internas ligadas à membrana que estão desconectadas da membrana plasmática, uma membrana fosfolipídica que define a fronteira entre o interior e o exterior da célula. Em bactérias e arqueas, a membrana citoplasmática também contém todas as reações ligadas à membrana, incluindo aquelas relacionadas à cadeia de transporte de elétrons, ATP sintase e fotossíntese. Por definição, essas células não têm núcleo. Em vez disso, seu material genético está localizado em uma área autodefinida da célula chamada nucleóide. O cromossomo bacteriano e arqueado é frequentemente uma única molécula de DNA de fita dupla circular covalentemente fechada. No entanto, algumas bactérias têm cromossomos lineares, e algumas bactérias e arqueas têm mais de um cromossomo ou pequenos elementos de DNA replicantes circulares não essenciais chamados plasmídeos. Além do nucleóide, a próxima característica comum é o citoplasma (ou citosol), a região gelatinosa "aquosa" que abrange a porção interna da célula. O citoplasma é onde ocorrem as reações solúveis (não associadas à membrana) e contém os ribossomos, o complexo proteína-RNA onde as proteínas são sintetizadas. Finalmente, muitas bactérias e arquéias também têm paredes celulares, a característica estrutural rígida que envolve a membrana plasmática que ajuda a fornecer proteção e restringir o formato da célula. Você deve aprender a criar um esboço simples de uma bactéria geral ou célula arquea de memória.

Figura 2. As características de uma célula procariótica típica são mostradas.

Restrições na célula bacteriana e archaeal

Uma característica comum, quase universal, das bactérias e arqueas é que elas são pequenas, microscópicas para ser exato. Mesmo os dois exemplos dados como exceções, Epulopiscium fishelsoni e Thiomargarita namibiensis, ainda enfrentam as restrições básicas que todas as bactérias e arqueas enfrentam; eles simplesmente encontraram estratégias únicas em torno do problema. Então, qual é a maior limitação quando se trata de lidar com o tamanho das bactérias e arqueas? Pense no que a célula deve fazer para sobreviver.

Alguns requisitos básicos

Então, o que as células precisam fazer para sobreviver? Eles precisam transformar a energia em uma forma utilizável. Isso envolve a produção de ATP, a manutenção de uma membrana energizada e a manutenção de NAD produtivo+/ NADH2 índices. As células também precisam ser capazes de sintetizar as macromoléculas apropriadas (proteínas, lipídios, polissacarídeos, etc.) e outros componentes estruturais celulares. Para fazer isso, eles precisam ser capazes de fazer o núcleo, precursores-chave para moléculas mais complexas, ou obtê-los do ambiente.

Difusão e sua importância para bactérias e arquéias

O movimento por difusão é passivo e prossegue no gradiente de concentração. Para que os compostos se movam de fora para dentro da célula, eles devem ser capazes de atravessar a bicamada fosfolipídica. Se a concentração de uma substância é mais baixa dentro da célula do que fora e tem propriedades químicas que permitem que ela se mova através da membrana celular, esse composto tenderá energeticamente a se mover para dentro da célula. Embora a história "real" seja um pouco mais complexa e seja discutida com mais detalhes posteriormente, a difusão é um dos mecanismos que as bactérias e as arquéias usam para auxiliar no transporte de metabólitos.

A difusão também pode ser usada para eliminar alguns resíduos. À medida que os resíduos se acumulam dentro da célula, sua concentração aumenta em comparação com a do ambiente externo, e os resíduos podem deixar a célula. O movimento dentro da célula funciona da mesma maneira: os compostos irão descer seu gradiente de concentração, longe de onde são sintetizados para lugares onde sua concentração é baixa e, portanto, podem ser necessários. A difusão é um processo aleatório - a capacidade de dois compostos ou reagentes diferentes interagirem com as reações químicas torna-se um encontro do acaso. Portanto, em espaços pequenos e confinados, interações aleatórias ou colisões podem ocorrer com mais freqüência do que em grandes espaços.

A capacidade de difusão de um composto depende da viscosidade do solvente. Por exemplo, é muito mais fácil para você se mover no ar do que na água (pense em se mover embaixo da água em uma piscina). Da mesma forma, é mais fácil para você nadar em uma piscina de água do que em uma piscina cheia de pasta de amendoim. Se você colocar uma gota de corante alimentar em um copo de água, ela se difunde rapidamente até que todo o copo mude de cor. Agora, o que você acha que aconteceria se você colocasse a mesma gota de corante alimentar em um copo de xarope de milho (muito viscoso e pegajoso)? Vai demorar muito mais para o copo de xarope de milho mudar de cor.

A relevância desses exemplos é notar que o citoplasma tende a ser muito viscoso. Ele contém muitas proteínas, metabólitos, pequenas moléculas, etc. e tem uma viscosidade mais parecida com o xarope de milho do que com a água. Portanto, a difusão nas células é mais lenta e limitada do que você poderia ter esperado originalmente. Portanto, se as células dependem apenas da difusão para mover os compostos, o que você acha que acontece com a eficiência desses processos à medida que as células aumentam de tamanho e seus volumes internos ficam maiores? Existe um problema potencial para crescer relacionado ao processo de difusão?

Então, como as células ficam maiores?

Como você provavelmente concluiu da discussão acima, com células que dependem da difusão para mover coisas ao redor da célula - como bactérias e arqueas - o tamanho importa. Então, como você acha Epulopiscium fishelsoni e Thiomargarita namibiensis ficou tão grande? Dê uma olhada nesses links e veja como essas bactérias se parecem morfológica e estruturalmente: Epulopiscium fishelsoni e Thiomargarita namibiensis.

Com base no que acabamos de discutir, para que as células cresçam, ou seja, para que seu volume aumente, o transporte intracelular deve de alguma forma tornar-se independente da difusão. Um dos grandes saltos evolutivos foi a capacidade das células (células eucarióticas) de transportar compostos e materiais intracelularmente, independentemente da difusão. A compartimentação também forneceu uma maneira de localizar processos em organelas menores, o que superou outro problema causado pelo grande tamanho. A compartimentação e os complexos sistemas de transporte intracelular permitiram que as células eucarióticas se tornassem muito grandes em comparação com as células bacterianas e arqueadas com difusão limitada. Discutiremos soluções específicas para esses desafios nas seções a seguir.

Introdução à diversidade bacteriana e arqueológica

Talvez as bactérias possam, provisoriamente,ser consideradocomo experimentos bioquímicos; devido ao seu tamanho relativamente pequeno e crescimento rápido, as variações devem surgir com muito mais frequência do que em formas de vida mais diferenciadas e, além disso, podem se dar ao luxo de ocupar posições mais precárias emnaturaleconomia do que organismos maiores com requisitos mais exigentes. - Marjory Stephenson, em Bacterial Metabolism, (1930)

Procariontes são organismos unicelulares sem um núcleo ligado à membrana, nem outras organelas ligadas à membrana lipídica.Eles são compostosde dois grupos de organismos filogeneticamente distintos: Bacteria e Archaea. Nos últimos anos, o termo procarioto caiu em desuso para muitos microbiologistas. A razão é que, embora as bactérias e arqueas compartilhem muitas características morfológicas, elasno entanto,representam domínios evolutivamente distintos da vida. A figura abaixo mostra uma árvore filogenética simples com os três domínios principais da vida: Bactérias, Archaea eEukarya. Isso significa que não devemos usar o termo procarionte com a intenção de agrupar as bactérias e arquéias com base na história evolutiva compartilhada. É, no entanto, conveniente usar o termo "procarionte" ao descrever os grupos de organismos que compartilham as características morfológicas comuns (ou seja, nenhum núcleo) e alguns de seus instrutores provavelmente o farão. Quando você ouvir ou usar o termo "procarionte", portanto, certifique-senaquelanão está sendo usado ou implicando que as bactérias e arqueas sejam parte do mesmo grupo filogenético. Em vez disso, façacerteza de que o uso do termo "procarioto" é limitadopara descrever as características físicas comuns desses dois grupos microbianos.

Figura 1. Embora as bactérias e arqueas sejam ambas descritas como procariontes,eles foram colocadosem domínios separados da vida.Um ancestral do modernoarchaeaacredita-seter dado origem aEukarya, o terceiro domínio da vida.Archaeale os filos bacterianos são mostrados; a relação evolutiva exata entre esses filos ainda está aberta ao debate.

Embora as bactérias e as arquéias compartilhem muitos atributos morfológicos, estruturais e metabólicos, existem muitas diferenças entre os organismos nesses dois clados. As diferenças mais notáveis ​​estão na estrutura química e nas composições dos lipídios da membrana, na composição química da parede celular e na composição da maquinaria de processamento de informações (por exemplo, replicação, reparo de DNA e transcrição).

Diversidade bacteriana e arqueológica

Bactérias e arquéias já existiam na Terra muito antes do surgimento da vida multicelular. Eles são onipresentes e têm atividades metabólicas altamente diversas. Essa diversidade permite que diferentes espécies dentro dos clados habitem todas as superfícies imagináveis ​​onde há umidade suficiente. Por exemplo, algumas estimativas sugerem que, no corpo humano típico, as células bacterianas superam as células do corpo humano em cerca de dez para um. Bactérias e arquéias constituem a maioria dos seres vivos em todos os ecossistemas. Certas espécies de bactérias e archaeal podem prosperar em ambientes inóspitos para a maioria das outras formas de vida. Bactérias e arquéias, juntamente com eucariotos microbianos, também são essenciais para a reciclagem do nutrientes essencial para a criação de novas biomoléculas. Eles também impulsionam a evolução de novos ecossistemas (naturais ou artificiais).

Os primeiros habitantes da Terra

A Terra e sua lua são pensadaster cerca de 4,54 bilhões de anos.Esta estimativa é baseadaem evidências de datação radiométrica de material de meteorito, juntamente com outro material de substrato da Terra e da lua. A Terra primitiva tinha uma atmosfera muito diferente (continha menos oxigênio molecular) do que hoje efoi submetidoa forte radiação; Assim, os primeiros organismos teriam florescido em áreas onde estavam mais protegidos, como nas profundezas do oceano ou abaixo da superfície da Terra. Durante esse período, forte atividade vulcânica era comum na Terra, então é provável que a evolução adaptou esses primeiros organismos a temperaturas muito altas.A Terra primitiva também foi bombardeadacom radiação mutagênica do sol. Os primeiros organismos, portanto, precisaram resistir a todas essas condições adversas.

Então, quando e onde a vida começou? Quais eram as condições na Terra quando a vida começou? O que LUCA (o último ancestral comum universal), o antecessor das bactérias e arqueas parece? Embora não saibamos exatamente quando e como a vida surgiu e como era quando surgiu, nósFaztenhoum número dehipóteses baseadas em vários dados biológicos e geológicos que descrevemos brevemente a seguir.

A atmosfera antiga

Provasindicaque durante os primeiros dois bilhões de anos de existência da Terra, a atmosfera foi anóxico, o que significa que não havia oxigênio molecular. Portanto, apenas os organismos que podem crescer sem oxigênio -anaeróbico organismos - poderiam viver. Organismos autotróficos que convertem energia solar em energia químicasão chamadosfototróficos, e elesapareceudentro de um bilhão de anos após a formação da Terra. Então, cianobactéria, também conhecidas como algas verde-azuladas, evoluíram a partir desses fototróficos simples um bilhão de anos depois. As cianobactérias começaram a oxigenar a atmosfera. O aumento do oxigênio atmosférico permitiu o desenvolvimento de O mais eficiente2-utilizandovias catabólicas. Também abriu o terreno para o aumento da colonização, porquealgum O2é convertidoem O3 (ozônio) e o ozônio absorve a luz ultravioleta que, de outra forma, causaria mutações letais no DNA. Em última análise, o aumento de O2 as concentrações permitiram a evolução de outras formas de vida.

Nota: A evolução de bactérias e arquéias

Como os cientistas respondem às perguntas sobre a evolução das bactérias e arqueas? diferentecomanimais, artefatos no registro fóssil de bactérias e arqueas oferecem muito pouca informação. Fósseis de bactérias e arquéias ancestrais parecem pequenas bolhas na rocha. Alguns cientistas recorrem à genética comparativa que, como o próprio nome sugere, é um domínio da biologia que faz comparações quantitativas da informação genética entre duas ou mais espécies. Uma suposição básica emo campo dea genética comparativa é que quanto mais recentemente duas espécies divergiram, mais semelhantes serão suas informações genéticas. Por outro lado, as espécies que divergiram há muito tempo terão mais genes diferentes. Portanto, a comparação de sequências genéticas entre organismos pode lançar luz sobre suas relações evolutivas e permitir que os cientistas criem modelos de como poderia ter sido a composição genética dos ancestrais dos organismos comparados.

Cientistas do Instituto de Astrobiologia da NASA e do Laboratório Europeu de Biologia Molecular colaboraram para analisar a evolução molecular de 32 proteínas específicas comuns a 72 espécies de bactérias. O modelo que eles derivaram de seus dadosindicaque três grupos importantes de bactérias - Actinobactérias, Deinococcus, e cianobactérias (que os autores chamam Terrabacteria) - foram provavelmente os primeiros a colonizar terras. Organismos do gênero Deinococcus são bactérias quetende a seraltamente resistente à radiação ionizante. Cianobactérias sãofotossintetizadores, enquanto as Actinobactérias são um grupo de bactérias muito comuns que incluem espécies importantes na decomposição de resíduos orgânicos.

As linhas do tempo da divergência entre as espécies sugerem que as bactérias (membros do domínio Bacteria) divergiram das espécies ancestrais comuns entre 2,5 e 3,2 bilhões de anos atrás, enquanto as arquéias divergiram antes: entre 3,1 e 4,1 bilhões de anos atrás.Eukaryadivergiu da linha arqueana mais tarde. Havia bactérias capazes de crescer no ambiente anóxico que existia antes deo advento decianobactérias (cerca de 2,6 bilhões de anos atrás). Essas bactérias precisavam ser resistentes à secagem e possuir compostos que protegessem o organismo da radiação.Foi propostoque o surgimento de cianobactérias com sua capacidade de conduzir a fotossíntese e produzir oxigênio foi um evento chave na evolução da vida na Terra.

Esteiras microbianas

Esteiras microbianas (grandesbiofilmes) poderiaser representante dea mais antiga estrutura visível formada pela vida na Terra; há evidências fósseis de sua presença a partir de cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. UMA tapete microbiano é uma folha multicamadas de micróbios composta principalmente debactériasmas isso também pode incluir archaea. Os tapetes microbianos têm alguns centímetros de espessura e normalmente crescem na interface entre dois materiais, principalmente em superfícies úmidas. Organismos em um tapete microbianosão mantidosjuntos por uma substância pegajosa semelhante a cola que secretam, formando uma matriz extracelular. As espécies dentro da esteira realizam diferentes atividades metabólicas, dependendo de seu ambiente. Como resultado,tapetes microbianos foram identificadosque possuem diferentes texturas e cores que refletem a composição da manta e as atividades metabólicas conduzidas pelos microrganismos que a compõem.

As primeiras esteiras microbianas provavelmente coletaram energia por meio de reações redox (discutidas em outro lugar) de produtos químicos encontrados perto de fontes hidrotermais. UMA respiradouro hidrotermal é uma quebra ou fissura na superfície da Terra que liberageotermicamenteágua aquecida.Com a evolução da fotossíntese há cerca de 3 bilhões de anos, alguns organismos em tapetes microbianos passaram a usar uma fonte de energia mais amplamente disponível - a luz solar - enquanto outros dependiam de produtos químicos de fontes hidrotermais para obter energia e alimentos.

Figura 2. (a) Este tapete microbiano, com cerca de um metro de diâmetro, cresce sobre uma fonte hidrotérmica no Oceano Pacífico em uma região conhecida como "Círculo de Fogo do Pacífico". As chaminés, como a mostrada pela seta, permitem que os gases escapem. (b) Nesta micrografia, bactérias dentro de uma esteirasão visualizadosusando microscopia de fluorescência. (crédito a: modificação do trabalho do Dr. Bob Embley, NOAA PMEL, Cientista Chefe; créditob: modificação da obra de Ricardo Murga, Rodney Donlan, CDC; dados de barra de escala de Matt Russell)

Estromatólitos

UMA estromatólito é uma estrutura sedimentar formada quando os minerais precipitam fora da águadevido aa atividade metabólica dos organismos em uma esteira microbiana. Os estromatólitos formam rochas em camadas feitas de carbonato ou silicato. Embora a maioria dos estromatólitos sejam artefatos do passado, há lugares na Terra onde os estromatólitos ainda estão se formando. Por exemplo,crescenteestromatólitosfoi encontradono Parque Estadual do Deserto de Anza-Borrego, no Condado de San Diego, Califórnia.

Figura 3. (uma)Estes vivosestromatólitosestão localizadosem Shark Bay, Austrália. (b) Esses estromatólitos fossilizados, encontrados no Parque Nacional Glacier, Montana, têm quase 1,5 bilhão de anos. (crédito a: Robert Young; créditob: P. Carrara, NPS).

Bactérias e arquéias são adaptáveis: vida em ambientes moderados e extremos

Alguns organismos desenvolveram estratégias que lhes permitem sobreviver em condições adversas. Bactérias e arquéias prosperam em uma vasta gama de ambientes: algumas crescem em condições que pareceriam muito normais para nós, enquanto outrassão capazes deprosperar e crescer em condições que matariam uma planta ou um animal. Quase todas as bactérias e arqueas têmalguma forma deuma parede celular, uma estrutura protetora que lhes permite sobreviver em condições hiper e hipoosmóticas. Algumas bactérias do solosão capazes deformam endosporos que resistem ao calor e à seca,deste modopermitindo que o organismo sobreviva até que condições mais favoráveis ​​ocorram. Essas adaptações, junto com outras, permitem que as bactérias sejam as formas de vida mais abundantes em todos os ecossistemas terrestres e aquáticos.

Algumas bactérias e arquéiassão adaptadoscrescer sob condições extremas esão chamadosextremófilos, que significa "amantes de extremos".Extremófilosfoi encontradoem todos os tipos de ambientes, como nas profundezas dos oceanos e da terra; em fontes termais, oÁrtico, e a Antártica; nomuito secolocais; em ambientes químicos agressivos; e em ambientes de alta radiação, apenas para citar alguns. Esses organismos ajudam a nos dar uma melhor compreensão da diversidade da vida e abrem a possibilidade de encontrar espécies microbianas que podem levar à descoberta de novos fármacos terapêuticos ou ter aplicações industriais. Por terem adaptações especializadas que lhes permitem viver em condições extremas, muitos extremófilos não podem sobreviver em ambientes moderados. Existemdiferentesgrupos deextremófilos.Eles são categorizadoscom base nas condições em que crescem melhor e vários habitats são extremos de várias maneiras. Por exemplo, um lago de soda é salgado e alcalino, então os organismos que vivem em um lago de soda devem ser ambos alcalifilose halófilos. Outros extremófilos, como radiorresistente organismos, não preferem um ambiente extremo (neste caso, um com altos níveis de radiação), mas se adaptaram para sobreviver nele.


Possível NB Discussão Ponto: Como os extremófilos fazem isso?

Você acabou de ler que as bactérias do solo são capazes de sobreviver ao calor e às secas, formando endosporos dormentes resistentes ao calor e à seca. No entanto, nem todos os extremófilos formam endosporos como meio de sobreviver às suas próprias condições ambientais adversas. Você consegue pensar em outras estratégias que outros extremófilos possam ter desenvolvido? Escolha uma linha na Tabela 1 (abaixo) e tente pensar em alguns mecanismos criativos de sobrevivência específicos para esse tipo de extremófilo!


tabela 1. Esta tabela lista alguns extremófilos e suas condições preferidas.
Tipo ExtremófiloCondições para crescimento ideal
AcidófilospH 3 ou abaixo
AlcalifilospH 9 ou acima
TermófilosTemperatura de 60-80 ° C (140-176 ° F)
HipertermófilosTemperatura de 80–122 ° C (176–250 ° F)
PsicrófilosTemperatura de-15° C (5 ° F) ou inferior
HalófilosConcentração de sal de pelo menos 0,2 M
OsmófilosAlta concentração de açúcar

Figura4.Deinococcusradioduranos, visualizada nesta micrografia eletrônica de transmissão em cores falsas, é uma bactéria que pode tolerar doses muito altas de radiação ionizante. Ela desenvolveu mecanismos de reparo de DNA que permitem reconstruir seu cromossomo, mesmo quefoi quebradoem centenas de pedaços por radiação ou calor. (crédito: modificação do trabalho de Michael Daly; dados da barra de escala de Matt Russell)

Notas de rodapé

1. Battistuzzi, FU, Feijao, A, e Hedges, SB. Uma escala de tempo genômica da evolução dos procariotos: percepções sobre a origem da metanogênese,fototrofia, e a colonização da terra. BioMed Central: Evolutionary Biology 4 (2004): 44, doi: 10.1186 / 1471-2148-4-44.

Eucariotos

Os seres vivos se dividem em três grandes grupos:Archaea, Bacteria e Eukarya. Os primeiros dois grupos incluem células não nucleadas e o terceiro contém todos os eucariotos. Um registro fóssil relativamente esparso está disponível para nos ajudar a discernir como eram os primeiros membros de cada uma dessas linhagens, então é possível que todos os eventos que levaram ao último ancestral comum dos eucariotos existentes permaneçam desconhecidos. No entanto, a biologia comparativa de organismos existentes e o registro fóssil limitado fornecem alguns insights sobre a história de Eukarya.

Os primeiros fósseis encontrados parecem ser bactérias, provavelmente cianobactérias. Eles têm cerca de 3,5 bilhões de anos e são reconhecíveis por causa de sua estrutura relativamente complexa e, para bactérias, células relativamente grandes. A maioria das outras bactérias e arquéias possuem células pequenas, 1 ou 2µmem tamanho e seria difícil identificá-los como fósseis. A maioria dos eucariotos vivos tem células medindo 10µmou melhor. Estruturas desse tamanho, que podem ser fósseis, aparecem no registro geológico cerca de 2,1 bilhões de anos atrás.

Características de eucariotos

Os dados desses fósseis levaram os biólogos à conclusão de que os eucariotos vivos são todos descendentes de um único ancestral comum. O mapeamento das características encontradas em todos os principais grupos de eucariotos revela que as seguintes características devem estar presentes no último ancestral comum, porque essas características estão presentes em pelo menosalguns dosmembros de cada linhagem principal.

  1. Células com núcleos circundados por um envelope nuclear com poros nucleares. Esta é a única característica necessária e suficiente para definir um organismo comoumaeucarioto. Todos os eucariotos existentes têm células com núcleos.
  2. Mitocôndria. Alguns eucariotos existentes têm remanescentes muito reduzidos de mitocôndrias em suas células, enquanto outros membros de suas linhagens têm mitocôndrias “típicas”.
  3. Um citoesqueleto contendo os componentes estruturais e de motilidade chamadosactinamicrofilamentos e microtúbulos. Todos os eucariotos existentes têm esses elementos do citoesqueleto.
  4. Flagelos e cílios, organelas associadas à motilidade celular. Alguns eucariotos existentes não têm flagelos e / ou cílios, maseles são descendentesdos ancestrais que os possuíam.
  5. Cromossomos, cadaconsiste emuma molécula de DNA linear enrolada em torno de proteínas básicas (alcalinas) chamadas histonas. Os poucos eucariotos com cromossomos sem histonasclaramenteevoluiu de ancestrais que os possuíam.
  6. Mitose, um processo de divisão nuclear em que cromossomos replicadosestão divididase separados usando elementos do citoesqueleto. A mitose está universalmente presente em eucariotos.
  7. Sexo, um processo de recombinação genética exclusivo para eucariotos em que núcleos diplóides em um estágio do ciclo de vida sofrem meiose para produzir núcleos haploides e subsequente cariogamia, um estágio onde dois núcleos haplóides se fundemjuntospara criar um núcleo zigoto diplóide.
  8. Membros de todas as linhagens principais têm paredes celulares, e pode ser razoável concluir que o último ancestral comum poderia fazer paredes celulares durante algum estágio de seu ciclo de vida. No entanto, não o suficienteé conhecidosobre as paredes celulares dos eucariotos e seu desenvolvimento para saber quanta homologia existe entre eles. Se o último ancestral comum pudesse fazer paredes celulares,é claro queesta habilidade deve ter sido perdidaem muitos grupos.

Endossimbiose e a evolução dos eucariotos

Em ordem decompreender organismos eucarióticos completamente, é necessário compreender que todos os eucariotos existentes são descendentes de um organismo quimérico que era um composto de uma célula hospedeira e a célula(s) de um alfa-proteobacteriumque “fixou residência” dentro dela.Este grande tema na origem doeucariotosé conhecidoComo endossimbiose, uma célula engolfando outra de modo que a célula engolfada sobreviva e ambas as células se beneficiam. Ao longo de muitas gerações, uma relação simbiótica poderesulta emdois organismos que dependem um do outro tão completamente que nenhum deles sobreviveria por conta própria.Endossimbióticoeventos provavelmente contribuíram para a origem do último ancestral comum dos eucariotos de hoje e para a diversificação posterior em certas linhagens de eucariotos. Antes de explicar melhor, é necessário considerar o metabolismo de bactérias e arquéias.

Metabolismo bacteriano e arqueado

Muitos processos metabólicos importantes surgiram em bactérias e arqueas, e alguns deles, como a fixação de nitrogênio,nunca são encontradosem eucariotos. O processo de respiração aeróbicaseja encontradoem todas as principais linhagens de eucariotos, eé localizadona mitocôndria.A respiração aeróbica também é encontradaem muitas linhagens de bactérias e arquéias, mas não está presente em todas elas, e muitas formas de evidência sugerem que esses micróbios anaeróbicos nunca realizaram respiração aeróbica nem seus ancestrais.

Embora a atmosfera de hoje seja de cerca de um quinto do oxigênio molecular (O2), a evidência geológica mostra que originalmente faltava O2. Sem oxigênio, a respiração aeróbica nãoseja esperado, e os seres vivos teriam dependido da fermentação em vez disso. Cerca de 3,5 bilhões de anos atrás, algumas bactérias e arquéias começaram a usar a energia da luz solar para alimentar processos anabólicos que reduzem o dióxido de carbono para formar compostos orgânicos. Eles desenvolveram a capacidade de fotossintetizar. Hidrogênio, derivado de várias fontes,foi capturadousando reações movidas a luz para reduzir o dióxido de carbono fixo no ciclo de Calvin. O grupo de bactérias Gram-negativas que deu origem às cianobactérias utilizou água como fonte de hidrogênio e liberou O2 como um produto residual.

Eventualmente, a quantidade de oxigênio fotossintético acumulada em alguns ambientes a níveis que representam um risco para os organismos vivos, uma vez que pode danificar muitos compostos orgânicos. Vários processos metabólicos evoluíram para proteger os organismos do oxigênio; um dos quais, a respiração aeróbica, também gerava altos níveis de ATP. Tornou-se amplamente presente entre os micróbios, incluindo em um grupo que agora chamamos de alfa-proteobactérias. Os organismos que não ganharam respiração aeróbica tiveram que permanecer em ambientes sem oxigênio. Originalmente, ambientes ricos em oxigênio provavelmente estavam localizados em torno de lugares onde as cianobactérias eram ativas, mas por volta de 2 bilhões de anos atrás, evidências geológicas mostram que o oxigênio estava se acumulando em concentrações mais altas na atmosfera. Os níveis de oxigênio semelhantes aos de hoje só aumentaram nos últimos 700 milhões de anos.

Lembre-se de que os primeiros fósseis que acreditamos serem eucariotos têm cerca de 2 bilhões de anos, então eles apareceram conforme os níveis de oxigênio aumentavam. Além disso, lembre-se de que todos os eucariotos existentes descendem de um ancestral com mitocôndria. Essas organelas foram observadas pela primeira vez por microscopistas de luz no final de 1800, onde pareciam ser estruturas em forma de verme que pareciam se mover na célula. Alguns primeiros observadores sugeriram que poderiam ser bactérias vivendo dentro das células hospedeiras, mas essas hipóteses permaneceram desconhecidas ou rejeitadas na maioria das comunidades científicas.

Endossimbióticoteoria

À medida que a biologia celular se desenvolveu no século XX,ficou claro quemitocôndrias eram as organelas responsáveis ​​pela produção de ATP por meio da respiração aeróbia. Na década de 1960, a bióloga americana Lynn Margulis desenvolveu endossimbióticoteoria, que afirma que os eucariotos podem ter sido um produto de uma célula envolvendo outra (uma vivendo dentro da outra) e evoluindo até que as células separadas não fossem mais reconhecíveisComo tal. Em 1967, Margulis apresentou um novo trabalho sobre a teoria e fundamentou suas descobertas por meio de evidências microbiológicas. Embora o trabalho de Margulis inicialmentefoi conhecidocom resistência, esta hipótese revolucionária é agora amplamente (mas não completamente) aceita, com o trabalho progredindo na descoberta das etapas envolvidas neste processo evolutivo e os principais participantes envolvidos. Muito resta paraseja descobertosobre as origens das células que agora constituem as células de todos os eucariotos vivos.

Em termos gerais, tornou-se claro que muitos de nossos genes nucleares e a maquinaria molecular responsável pela replicação e expressão parecem intimamente relacionados àqueles emArchaea.Por outro lado, oorganelas metabólicas e genes responsáveis ​​pormuita energia-processos de colheita tiveram suas origens em bactérias. Muito resta paraser esclarecidosobre como ocorreu essa relação; este continua a ser um campo excitante de descobertas na biologia. Por exemplo,Não é conhecidose o evento endossimbiótico que levou à mitocôndria ocorreu antes ou depois de a célula hospedeira ter um núcleo. Esses organismos estariam entre os precursores extintos do último ancestral comum dos eucariotos.

Mitocôndria

Uma das principais características que distinguem as bactérias e arqueas dos eucariotos são as mitocôndrias. As células eucarióticas podem conter de um a vários milhares de mitocôndrias, dependendo do nível de consumo de energia da célula. Cada mitocôndria mede 1 a 10 ou mais micrômetrosem comprimentoe existe na célula como uma organela que pode ser ovóide, em forma de verme ou ramificada intrincadamente. As mitocôndrias surgem da divisão das mitocôndrias existentes; eles podem se fundir; eeles podem ser movidosao redor dentro da célula por interações com o citoesqueleto. No entanto, as mitocôndrias não podem sobreviver fora da célula. Como a atmosferafoi oxigenadopela fotossíntese, e conforme os micróbios aeróbicos bem-sucedidos evoluíram, as evidências sugerem que uma célula ancestral com alguma compartimentação da membrana engolfou uma bactéria aeróbia de vida livre, especificamente um alfa-proteobacterium,deste mododando à célula hospedeira a capacidade de usar o oxigênio para liberar a energia armazenada nos nutrientes. Alfa-proteobactériassão um grande grupo de bactérias que inclui espécies simbióticas com plantas, organismos causadores de doenças que podem infectar humanos por meio de carrapatos e muitas espécies de vida livre que usam luz para obter energia. Várias linhas de evidência apóiam que as mitocôndriassão derivadosdeste evento endossimbiótico. A maioria das mitocôndriassão moldadoscomo alfa-proteobactériaseestão cercadospor duas membranas, o que resultaria quando um organismo ligado à membranaestá engolfadoem um vacúolo por outro organismo ligado à membrana. A membrana mitocondrial interna é extensa e envolve substancialinfoldingschamadas cristas que se assemelham à superfície exterior texturizada de alfa-proteobactérias. A matriz e a membrana interna são ricas em enzimas necessárias para a respiração aeróbica.

Evolução e Seleção Natural

Breve visão geral

Evolução e seleção natural são conceitos centrais em biologia que são tipicamente invocados para ajudar a explicar a diversidade e as relações entre a vida na Terra, tanto existente quanto extinta. Felizmente, no BIS2A, você precisa entender e usar apenas algumas ideias básicas relacionadas à evolução e à seleção natural. Descrevemos isso abaixo. Você expandirá sua compreensão e adicionará detalhes a esses conceitos básicos em BIS2B e BIS2C.

A primeira ideia que você precisa entender é que a evolução pode ser simplesmente definida como o desenvolvimento / mudança de algo ao longo do tempo. Na indústria automotiva, pode-se dizer que as formas e características dos carros evoluem (mudam com o tempo). Na moda, pode-se dizer que o estilo evolui. Em biologia, vida e, em particular, reproduzindo populações de organismos com traços diferentes evoluir.

A segunda coisa a entender é que a seleção natural é um processo pelo qual a natureza filtra os organismos em uma população. Qual é o filtro? Aqui fica um pouco mais complicado (mas só um pouco). A explicação mais simples é que o filtro seletivo é apenas uma combinação de todos os fatores vivos e não vivos em um ambiente, que influenciam o sucesso de reprodução de um organismo. Os fatores que influenciam a capacidade de reprodução de um organismo são conhecidos como pressões seletivas. Uma complicação pequena, mas importante, é que esses fatores não são os mesmos em todos os lugares; eles mudam com o tempo e com a localização. Assim, as pressões seletivas que criam o filtro estão em constante mudança (às vezes rapidamente, às vezes lentamente), e os organismos nas mesmas reproduzindo população poderia sofrer pressões diferentes em momentos diferentes e em locais diferentes.

A teoria da evolução por seleção natural coloca essas duas idéias juntas; estipula que a mudança na biologia acontece ao longo do tempo e que a variação em uma população está constantemente sujeita à seleção com base em como as diferenças nas características influenciam a reprodução. Mas quais são essas características ou características? Quais características / recursos / funções podem estar sujeitos à seleção? A resposta curta é: praticamente tudo o que está associado a um organismo para o qual existe variação em uma população e para o qual essa variação leva a uma probabilidade diferencial de gerar descendentes provavelmente estará sujeito à filtragem pela seleção natural. Também chamamos essas características de hereditárias fenótipos. Organismos em uma população que têm fenótipos, que os permitem passar pelo filtro seletivo com mais eficiência do que outros, são considerados como tendo um vantagem seletiva e / ou maior preparo físico.

É importante reiterar que, embora os fenótipos transportados por organismos individuais possam estar sujeitos à seleção, o processo de evolução por seleção natural requer e atua sobre variação fenotípica dentro de populações. Se nem variação nem populações nas quais essa variação pode residir, não há oportunidade ou necessidade de seleção.Tudo é e continua igual.

Equívocos comuns e uma nota específica do curso

Finalmente, chamamos sua atenção para um ponto crítico e equívoco comum entre os alunos iniciantes em biologia. Esse equívoco pode surgir quando, para fins de discussão, decidimos antropomorfizar a natureza, dando-lhe um intelecto. Por exemplo, podemos tentar construir um exemplo para a evolução por seleção natural, propondo que um excedente de um alimento específico existe em um ambiente e há um organismo próximo que está morrendo de fome. Seria correto raciocinar que se o organismo pudesse comer aquele alimento, isso poderia lhe dar uma vantagem seletiva sobre outros organismos que não podem. Se mais tarde encontrarmos um exemplo de organismos que têm a capacidade de comer aquele alimento excedente, pode ser tentador dizer que a natureza evoluiu para resolver o problema do alimento excedente. O processo de evolução por seleção natural, entretanto, acontece aleatoriamente e sem direção. Ou seja, a natureza NÃO identifica “problemas” que estão limitando a aptidão. A natureza NÃO identifica características que tornariam um organismo mais bem-sucedido e então começa a criar diversas soluções que atendam a essa necessidade. A geração de variação não é guiada. A variação acontece e a seleção natural filtra o que funciona melhor. A observação de que existe um organismo que pode comer o alimento excedente não é um reflexo da natureza ativamente resolvendo um problema, mas sim um reflexo de quaisquer processos que levaram à variação fenotípica em uma população ancestral que criou - entre muitas outras variantes - um fenótipo que aumentou a aptidão (possivelmente porque os organismos ancestrais foram capazes de comer o alimento excedente).

Este ponto do parágrafo anterior é particularmente importante para entender no contexto do BIS2A por causa da maneira como iremos utilizar o Desafio de Design para entender a biologia (mais sobre isso mais adiante na leitura). Embora o Desafio de Design tenha como objetivo ajudar a concentrar nossa atenção nas funções sob seleção e em sua relação com a determinação da aptidão, pode ser fácil - se não estivermos atentos - cair em uma linguagem que sugira que a natureza projeta soluções propositadamente para resolver problemas específicos . Lembre-se sempre de que estamos olhando retrospectivamente para o que a natureza selecionou e que estamos tentando entender por que um fenótipo específico pode ter sido selecionado entre muitas outras possibilidades. Ao fazer isso, estaremos inferindo ou hipotetizando da melhor maneira possível (o que às vezes é errado) uma razão sensata para explicar por que um fenótipo pode ter fornecido uma vantagem seletiva. NÃO estamos dizendo que o fenótipo evoluiu PARA fornecer uma vantagem seletiva específica. A distinção entre essas duas idéias pode ser sutil, mas é crítica!


Possível Ponto de Discussão NB

Examine a seguinte declaração: "A seleção natural atua para o bem da espécie. "Discuta o que você pensa sobre esta declaração - talvez invocando parte da leitura acima.