A origem e a evolução da vida

Descreve como era a atmosfera primitiva da Terra de acordo com a hipótese clássica (sem oxigénio, com $\text{CO}_2$, vapor de água, metano e amoníaco) e explica que diferença fundamental a separa da atmosfera atual.

Resume a hipótese heterotrófica de Oparin e Haldane sobre a origem da vida e explica em que consistiu a experiência de Miller e Urey, o que obtiveram e o que demonstraram.

Distingue um organismo autótrofo de um heterótrofo e justifica por que razão é mais plausível que os primeiros seres vivos tenham sido heterótrofos (aproveitando as moléculas orgânicas do meio) em vez de fotossintéticos.

A experiência de Miller e Urey assumiu uma atmosfera fortemente redutora, o que hoje é considerado pouco provável. a) Explica o que assumiram e o que obtiveram ainda assim. b) Justifica por que razão a experiência continua a ser considerada um marco histórico, mesmo que a atmosfera real fosse diferente: que princípio demonstrou? c) Indica que outros cenários (fontes hidrotermais, espaço) poderiam ter fornecido as moléculas orgânicas.

Explica o que são coacervados ou protobiontes e que propriedades «quase vivas» apresentam (membrana, trocas com o meio, crescimento por incorporação), indicando o que lhes falta para serem considerados células.

O que é a hipótese do «mundo de ARN»? Explica por que razão o ARN é melhor candidato do que o ADN para ter sido a primeira molécula da vida, recorrendo à sua dupla função: armazenar informação e catalisar reações.

Ordena estas etapas rumo à primeira célula e justifica a ordem escolhida: aparecimento de uma molécula autorreplicativa, formação de membranas lipídicas, síntese de monómeros orgânicos, polimerização e integração de metabolismo, hereditariedade e invólucro.

O que são estromatólitos e que organismos os formam? Explica por que razão são considerados uma das evidências de vida mais antigas na Terra.

Ordena cronologicamente estes marcos da história da vida e justifica a ordem escolhida: aparecimento da fotossíntese oxigénica, primeiras células procarióticas, explosão câmbrica, primeiras células eucarióticas, conquista do meio terrestre pelas plantas.

Há cerca de $2\,400$ milhões de anos, o oxigénio começou a acumular-se na atmosfera (a Grande Oxidação). Explica que organismos o produziram e descreve duas consequências dessa alteração para a vida e para a superfície do planeta.

O que é o LUCA, o último antepassado comum universal? Explica que características lhe são atribuídas (célula procariótica, código genético, metabolismo) e que evidência molecular — o código genético praticamente idêntico em todos os seres vivos — sustenta que todos descendemos dele.

Apresenta três diferenças entre uma célula procariótica e uma eucariótica, e refere que características das mitocôndrias (tamanho, dupla membrana, ADN próprio, ribossomas) denunciam a sua origem bacteriana.

O esquema representa a teoria endossimbiótica da origem da célula eucariótica proposta por Lynn Margulis. Explica o que ocorre entre as células 1 e 2 para originar a célula 3, e refere três evidências que apoiam essa teoria relacionadas com as mitocôndrias e os cloroplastos.

Compara uma mitocôndria e um cloroplasto: tamanho, número de membranas, tipo de ADN e de ribossomas. Justifica, com base nesses dados, por que razão se pensa que a mitocôndria foi incorporada antes do cloroplasto na célula eucariótica (que eucariotas possuem mitocôndrias mas não cloroplastos?).

Numa sondagem geológica do Pré-Câmbrico analisam-se estratos compreendidos entre os 2700 e os 2100 Ma. Nos níveis inferiores (2700-2400 Ma) registam-se abundantes depósitos de formações ferríferas bandadas (BIF) com uraninite e pirite detrítica (minerais instáveis na presença de O2), juntamente com bioassinaturas de cianobactérias. Por volta dos 2200 Ma, os BIF quase desaparecem e surgem as primeiras camadas vermelhas continentais (ricas em óxidos de Fe³⁺), ao mesmo tempo que o registo fóssil mostra uma queda drástica na diversidade de microfósseis anaeróbios.

1. a) Justifica por que razão existiu um desfasamento de centenas de milhões de anos entre o aparecimento dos primeiros organismos fotossintéticos oxigénicos e a oxigenação efetiva da atmosfera livre.
2. b) Um estudante afirma: «O oxigénio foi um resíduo tóxico que quase acabou com a biosfera, mas sem ele os organismos eucariontes complexos nunca teriam sido energeticamente viáveis». Avalia criticamente esta afirmação comparando o balanço energético (rendimento em ATP) e as adaptações bioquímicas necessárias face ao stress oxidativo.

Compara a hipótese da «sopa primordial» com a hipótese da panspermia: em que coincidem, em que diferem e que problema a segunda deixa por resolver.

Os meteoritos carbonáceos (condritos) contêm aminoácidos e outras moléculas orgânicas. Explica o que este achado acrescenta ao estudo da origem da vida, em que difere da hipótese da panspermia e por que razão demonstra que a química orgânica é comum no universo.

Concebeu-se em laboratório um simulador hidrotermal que recria o fundo oceânico do Hádico: fluidos alcalinos ricos em H2 dissolvido (pH entre 9,0 e 11,0) emergem através de microcavidades minerais de sulfureto de ferro (FeS) em contacto com um oceano primitivo ácido (pH entre 5,5 e 6,0) saturado de CO2 e Fe²⁺ dissolvido.

1. a) Justifica como a estrutura microporosa inorgânica e a diferença de pH entre fluidos reproduzem abioticamente um mecanismo análogo à força protão-motriz e à fosforilação oxidativa celular, antes da existência de enzimas e membranas lipídicas complexas.
2. b) Compara a viabilidade energética deste cenário com a hipótese da «sopa primordial» em águas superficiais, considerando a continuidade do fluxo de energia e a proteção contra a intensa radiação ultravioleta e o bombardeamento meteorítico tardio.
3. c) Prevê o que aconteceria ao potencial redox e à capacidade de síntese orgânica deste sistema hidrotermal se o oceano exterior perdesse a sua acidez e atingisse o mesmo pH alcalino que os fluidos emergentes.

Para testar as duas hipóteses principais sobre a origem da polimerização prebiótica (charcos de maré superficiais com ciclos seco-húmido versus fontes hidrotermais submarinas profundas), uma equipa concebe dois simuladores em laboratório:

• Reator A (Superficial): Solução de nucleótidos submetida a ciclos periódicos de hidratação e dessecação a 60,0 °C sob luz ultravioleta (comprimento de onda curto, representativa da atmosfera anóxica primitiva).

• Reator B (Profundo): Gradiente contínuo de temperatura (de 80,0 °C a 20,0 °C) e pH no interior de canais microcapilares de pirite e greigite, em completa escuridão e submerso em solução aquosa permanente.

1. a) A formação da ligação fosfodiéster entre nucleótidos é uma reação de condensação termodinamicamente desfavorável em solução aquosa diluída ($\Delta G > 0$). Justifica como cada um dos dois reatores tenta resolver ou contornar este problema químico (o chamado «paradoxo da água»).
2. b) Prevê qual reator apresentará uma maior degradação de monómeros por fotólise se não for adicionado nenhum composto protetor e argumenta que papel seletivo ou destrutivo pôde desempenhar a radiação UV na origem do código genético.
3. c) Se no Reator B for alcançada a síntese de pequenos oligómeros de ARN com atividade de ribozima, mas estes forem incapazes de escapar dos microcapilares minerais, fundamenta se este confinamento é uma vantagem ou um obstáculo para a transição rumo às primeiras protocélulas independentes.