Exercícios: A origem e a evolução da vida

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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?).

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.

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.

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.

Analisa a seguinte informação evolutiva sobre os mamíferos e os dinossauros:

• Durante o Mesozoico (cerca de 140 Ma), os mamíferos conviveram com os dinossauros mantendo um tamanho corporal reduzido (menos de 5,0 kg), hábitos maioritariamente noturnos e uma morfologia dentária pouco variada, apesar de já possuírem endotermia e pelo.

• No limite K-Pg (há 66 Ma) extinguiram-se os dinossauros não avianos. Nos 15 Ma seguintes (Paleoceno e Eoceno), o registo fóssil mostra uma explosão morfológica nos mamíferos, com o aparecimento repentino de formas voadoras (quirópteros), marinhas (primeiros cetáceos) e grandes herbívoros de mais de 1000 kg.

1. a) Explica este contraste temporal utilizando os conceitos de «nicho ecológico vago» e «radiação adaptativa». Por que razão as adaptações vantajosas dos mamíferos não foram suficientes por si sós para provocar a sua diversificação antes do limite K-Pg?
2. b) Um colega afirma: «As catástrofes e extinções em massa são o motor primário que cria novas espécies e acelera a taxa de mutação». Rebate de forma fundamentada esta afirmação, esclarecendo qual é o verdadeiro papel biológico das extinções em massa na macroevolução.
3. c) Prevê de forma fundamentada que grupo animal atual (por exemplo, aves não voadoras, roedores ou artrópodes) teria uma maior probabilidade de experimentar uma radiação adaptativa equivalente se desaparecessem todos os grandes mamíferos terrestres na atualidade, e que pressões seletivas guiariam a sua divergência.

Uma equipa de investigação geológica analisa rochas sedimentares de 3800 Ma procedentes da cintura supracrustal de Isua (Gronelândia). Após o estudo, obtêm os seguintes dados:

1. Inclusões microscópicas de grafite com um enriquecimento anómalo do isótopo leve do carbono ($\delta^{13}\text{C} = -30,5\,\text{‰}$), semelhante ao produzido pelas enzimas que fixam carbono inorgânico face ao valor padrão abiótico (próximo de $0,0\,\text{‰}$).

2. Formações minerais bandadas e laminadas com morfologia cónica que lembram externamente estromatólitos, mas sem restos celulares fossilizados percetíveis.

1. a) Justifica por que razão o fracionamento isotópico do carbono é considerado uma bioassinatura indireta de metabolismo vivo e que limitações apresenta face à descoberta de um fóssil celular direto.
2. b) Uma notícia na imprensa tem como título: «Demonstrada de forma conclusiva a origem da vida há 3800 Ma graças a fósseis de Isua». Rebate este título explicando que processos geoquímicos puramente abióticos podem gerar estruturas laminadas ou enriquecimento isotópico e como se comprova a sua falsificabilidade.
3. c) Desenha uma proposta de dois critérios complementares (mineralógicos ou moleculares) que a equipa deveria exigir a estas amostras antes de aceitar que refletem a presença inequívoca de seres vivos primitivos.

Durante o Criogénico (há entre 720 e 635 Ma), a Terra sofreu duas fases de glaciação quase global («Terra bola de neve»). Imediatamente após o degelo final, depositam-se sobre os tilitos glaciares espessas camadas de «carbonatos de cobertura» e, no período Ediacarano subsequente, surgem os primeiros macro-organismos pluricelulares complexos de corpo mole (fauna de Ediacara).

1. a) Explica o ciclo de retroalimentação climática: justifica como o gelo pôde chegar até ao equador devido ao albedo e deduz que processo geoquímico interno permitiu que a Terra saísse do congelamento global se o ciclo hidrológico estava quase parado.
2. b) Durante as glaciações, as populações biológicas ficaram confinadas a refúgios isolados e fragmentados (oásis hidrotermais, fissuras com água líquida). Justifica como esta fragmentação populacional acelerou os mecanismos evolutivos (deriva genética, seleção diferencial) em comparação com uma biosfera em condições globais homogéneas e estáveis.
3. c) Prevê que relação biogeoquímica existe entre a meteorização continental acelerada após o degelo, o auge dos produtores primários e a súbita disponibilidade de oxigénio dissolvido que tornou possível o desenvolvimento de organismos pluricelulares de grande porte.

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.

Um espetrógrafo espacial de alta resolução analisa a composição atmosférica de dois exoplanetas rochosos localizados na zona de habitabilidade das suas estrelas:

• Exoplaneta Áuriga-1: A sua atmosfera contém 80,0 % de N2, 18,0 % de CO2, 1,8 % de vapor de água e vestígios persistentes de metano (CH4, 0,2 %), com níveis de O2 inferiores ao limite de deteção (0,001 %).

• Exoplaneta Áuriga-2: A sua atmosfera contém 90,0 % de CO2, 6,0 % de O2 livre e 4,0 % de vapor de água. A análise complementar revela níveis elevados de monóxido de carbono (CO) e ausência total de metano.

1. a) Aplica os princípios da química prebiótica e a história da atmosfera terrestre para justificar por que razão Áuriga-1 constitui um candidato sólido a albergar vida análoga à do Arqueano terrestre, apesar de carecer completamente de oxigénio livre.
2. b) Um título afirma: «Descoberto O2 em Áuriga-2: confirmada vida fotossintética extraterrestre». Rebate este título identificando um processo fotoquímico abiótico que explique a acumulação de O2 e justifica por que razão a presença simultânea de CO reforça a hipótese abiótica.
3. c) Desenha uma previsão: que par de gases em desequilíbrio termodinâmico simultâneo (que reajam rapidamente entre si se não houver renovação biológica contínua) procurarias na atmosfera de um exoplaneta para considerá-lo uma bioassinatura quase inequívoca de metabolismo ativo?

Num laboratório de química prebiótica sintetiza-se serina mediante descargas elétricas sobre uma mistura gasosa redutora. A análise polarimétrica do produto resulta num desvio da luz polarizada de $0,0^\circ$, confirmando uma mistura racémica ($50,0\,\%$ L-serina e $50,0\,\%$ D-serina). Em contrapartida, ao analisar amostras do meteorito Murchison, deteta-se um excesso enantiomérico de $5,5\,\%$ a favor da forma L em vários alfa-aminoácidos.

1. a) Justifica por que razão as proteínas celulares requerem homoquiralidade estrita para formar estruturas secundárias regulares e prevê que consequência estrutural e funcional teria para uma enzima a incorporação aleatória de D-aminoácidos na sua cadeia polipeptídica.
2. b) Um estudante deduz que «a vida adotou L-aminoácidos porque esta forma é quimicamente mais reativa e termodinamicamente mais estável do que a forma D». Rebate esta afirmação apoiando-te nas propriedades físicas e químicas dos enantiómeros em solução aquiral.
3. c) Formula uma hipótese plausível que estabeleça uma ligação entre o excesso enantiomérico medido nos meteoritos e a ação da radiação eletromagnética (luz polarizada circularmente) no meio interestelar antes da origem da Terra, e explica como este viés inicial se pôde amplificar até à homoquiralidade completa observada no LUCA.