We are searching data for your request:
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 e
Embora as bactérias e arqueas tenham uma variedade de formas, as três formas mais comuns são
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)
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? Imagine
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,
Procariontes são organismos unicelulares sem um núcleo ligado à membrana, nem outras organelas ligadas à membrana lipídica.
Figura 1. Embora as bactérias e arqueas sejam ambas descritas como procariontes,
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
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, nós
A atmosfera antiga
Provas
Nota: A evolução de bactérias e arquéias
Como os cientistas respondem às perguntas sobre a evolução das bactérias e arqueas? diferente
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 dados
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.
Esteiras microbianas
Esteiras microbianas (grandes
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 libera
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 esteira
Estromatólitos
UMA estromatólito é uma estrutura sedimentar formada quando os minerais precipitam fora da água
Figura 3. (uma)
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 outras
Algumas bactérias e arquéias
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!
| Tipo Extremófilo | Condições para crescimento ideal |
|---|---|
| Acidófilos | pH 3 ou abaixo |
| pH 9 ou acima | |
| Termófilos | Temperatura de 60-80 ° C (140-176 ° F) |
| Temperatura de 80–122 ° C (176–250 ° F) | |
| Psicrófilos | Temperatura de |
| Halófilos | Concentração de sal de pelo menos 0,2 M |
| Alta concentração de açúcar |
Figura
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,
Eucariotos
Os seres vivos se dividem em três grandes grupos:
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 2
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 menos
- Células com núcleos circundados por um envelope nuclear com poros nucleares. Esta é a única característica necessária e suficiente para definir um organismo como
uma eucarioto . Todos os eucariotos existentes têm células com núcleos. - Mitocôndria. Alguns eucariotos existentes têm remanescentes muito reduzidos de mitocôndrias em suas células, enquanto outros membros de suas linhagens têm mitocôndrias “típicas”.
- Um citoesqueleto contendo os componentes estruturais e de motilidade chamados
actina microfilamentos e microtúbulos. Todos os eucariotos existentes têm esses elementos do citoesqueleto. - Flagelos e cílios, organelas associadas à motilidade celular. Alguns eucariotos existentes não têm flagelos e / ou cílios, mas
eles são descendentes dos ancestrais que os possuíam. - Cromossomos, cada
consiste em uma molécula de DNA linear enrolada em torno de proteínas básicas (alcalinas) chamadas histonas. Os poucos eucariotos com cromossomos sem histonasclaramente evoluiu de ancestrais que os possuíam. - Mitose, um processo de divisão nuclear em que cromossomos replicados
estão divididas e separados usando elementos do citoesqueleto. A mitose está universalmente presente em eucariotos. - 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 fundem
juntos para criar um núcleo zigoto diplóide. - 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 suficiente
é conhecido sobre 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 que esta habilidade deve ter sido perdida em muitos grupos.
Endossimbiose e a evolução dos eucariotos
Metabolismo bacteriano e arqueado
Muitos processos metabólicos importantes surgiram em bactérias e arqueas, e alguns deles, como a fixação de nitrogênio,
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 não
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-
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,
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 em
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 micrômetros
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.
