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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO FAVENI Biologia Geral GUARULHOS – SP 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 4 2 O QUE É A BIOLOGIA? ............................................................................................ 5 3 TEMAS UNIFICADORES DO ESTUDO DA VIDA ..................................................... 7 4 NÍVEIS DE ORGANIZAÇÃO BIOLÓGICA ............................................................... 12 5 UNIVERSO, SISTEMA SOLAR E PLANETA TERRA ............................................. 15 5.1 Origem do planeta terra ........................................................................................... 17 6 ORIGEM DA VIDA ................................................................................................... 19 6.1 Abiogênese versus biogênese ................................................................................. 24 6.2 Evolução das espécies ............................................................................................ 27 7 SELEÇÃO NATURAL E EVOLUÇÃO ...................................................................... 34 7.1 Tipos de Seleção ................................................................................................... 35 7.2 Adaptação ................................................................................................................ 36 8 ORIGEM E EVOLUÇÃO DAS CÉLULAS ................................................................ 37 9 ECOLOGIA .............................................................................................................. 39 9.1 Histórico da Ecologia Humana ................................................................................. 42 9.2 Abordagens da Ecologia Humana ........................................................................... 44 10 RELAÇÕES ENTRE A BIOLOGIA, SOCIOLOGIA E ECOLOGIA ........................... 46 11 ECOLOGIA APLICADA AO CONTROLE DE PRAGAS ........................................... 48 12 ECOLOGIA APLICADA A CONSERVAÇÃO DAS ESPÉCIES ................................ 49 12.1 Interações ecológicas ............................................................................................ 51 13 NÍVEIS DE ORGANIZAÇÃO BIOLÓGICA ............................................................... 53 14 DIFERENTES ECOSSISTEMAS DENTRO DA BIOSFERA .................................... 57 15 NÍVEIS TRÓFICOS NOS ECOSSISTEMAS ............................................................ 64 3 16 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 66 16.1 Bibliografia Básica ................................................................................................. 66 16.2 Bibliografia Complementar ..................................................................................... 66 4 1 INTRODUÇÃO Prezado aluno! O grupo educacional Faveni, esclarece que o material virtual é semelhante ao da sala de aula presencial. Em uma sala de aula, é raro – quase improvável - um aluno se levantar, interromper a exposição, dirigir-se ao professor e fazer uma pergunta, para que seja esclarecida uma dúvida sobre o tema tratado. O comum é que esse aluno faça a pergunta em voz alta para todos ouvirem e todos ouvirão a resposta. No espaço virtual, é a mesma coisa. Não hesite em perguntar, as perguntas poderão ser direcionadas ao protocolo de atendimento que serão respondidas em tempo hábil. Os cursos à distância exigem do aluno tempo e organização. No caso da nossa disciplina é preciso ter um horário destinado à leitura do texto base e à execução das avaliações propostas. A vantagem é que poderá reservar o dia da semana e a hora que lhe convier para isso. A organização é o quesito indispensável, porque há uma sequência a ser seguida e prazos definidos para as atividades. Bons estudos! 5 2 O QUE É A BIOLOGIA? Para começar a refletir sobre o tema deste capítulo, você deve se questionar o que é a biologia. A palavra biologia deriva de bio, que significa “vida”, e logos, que significa “estudo”; portanto, a biologia é o ramo da ciência que estuda os seres vivos. Os seres vivos são definidos como organismos descendentes de um ancestral comum, que surgiu há cerca de 3,5 milhões de anos devido à sua ancestralidade comum, os organismos vivos compartilham muitas características, apesar de serem incrivelmente variados. Mas, afinal, o que é vida? Essa questão, quando voltada à biologia, é traduzida para “Quais são as características dos seres vivos? Pois os biólogos reconhecem a vida em função das propriedades e dos processos dos organismos vivos. Veja, a seguir, algumas propriedades e processos que estão associados à vida. Célula: são todos os organismos vivos constituídos por uma ou mais células, alguns organismos vivos são unicelulares, constituídos por uma única célula, que realiza todas as funções da vida, ao passo que outros são multicelulares, formados por um conjunto de células especializadas, que realizam funções diferenciadas (SADAVA et al., 2009). Adaptação evolutiva: os organismos vivos são geneticamente relacionados, ou seja, possuem um ancestral comum essa é a Teoria da Evolução, proposta por Charles Darwin, segundo a qual os organismos têm a capacidade de evoluir, ou seja, qualquer população de organismos apresenta variações genéticas, por meio da seleção natural, essas variações aumentam a probabilidade de um organismo se adaptar e sobreviver a determinadas condições ambientais. 6 Regulação: os organismos vivos podem regular o seu ambiente interno, ou seja, milhares de reações bioquímicas ocorrem dentro e entre as células, as quais devem ser precisamente controladas para que essas células realizem de maneira eficiente suas funções. Processamento de energia: os organismos vivos adquirem nutrientes a partir do ambiente para fornecer energia e construir novas estruturas, ou seja, alimentar-se fornece energia e nutrientes ao organismo, o que o mantém organizado e funcionando. Tendo diferentes organismos, obtêm energia de diferentes fontes, e são classificados como produtores e consumidores. Os produtores adquirem energia a partir do ambiente, produzindo seu próprio alimento. Por exemplo, as plantas são exemplos de produtores, uma vez que, a partir da energia solar, realizam a fotossíntese para produzir açúcares, que é a fonte de energia (alimento) da planta. Os consumidores obtêm energia e nutrientes ao alimentarem-se de outros organismos; um exemplo são os gafanhotos, que se alimentam de folhas (SADAVA et al., 2009; EVERS et al., 2011). Resposta ao ambiente: capacidade de reagir de acordo com as condições do meio em que o organismo vivo está inserido os organismos interagem continuamente e de muitas formas diferentes. Há interações com os fatores ambientais (solo, temperatura, umidade, entre outros) e interações entre organismos da mesma espécie (iguais) ou entre organismos de diferentes espécies (SADAVA et al., 2009). Crescimento, desenvolvimento e reprodução: os organismos vivos contêm informações genéticas para se reproduzir e perpetuar a própria espécie, e a informação genética herdada controla o padrão de crescimento de desenvolvimento de cada organismo vivo. Assim, o DNA é considerado a molécula característica da vida, pois é a base do crescimento, da sobrevivência e da reprodução de todos os organismos vivos. A reprodução refere-se aos mecanismos pelos quais os pais transmitem DNA aos 7 descendentes,o qual contém as informações que guiam o crescimento e o desenvolvimento do organismo. Para a biologia, essas são as características comuns a todos os organismos vivos assim, a cada novo organismo descoberto, essas características são avaliadas, a fim de compreender acerca da vida desse organismo. No entanto, algumas formas de vida podem não dispor de todas essas propriedades e processos ao mesmo tempo. Por exemplo, os vírus, embora não possuam células, provavelmente evoluíram de organismos celulares, e muitos biólogos os consideram organismos vivos (SADAVA et al., 2009). Fonte:www.pinterest.com/biologiag.com.br 3 TEMAS UNIFICADORES DO ESTUDO DA VIDA 8 A biologia é um tema extremamente amplo, de modo que, diariamente, novas descobertas biológicas são realizadas, assim, as informações relacionadas ao estudo da vida devem ser ordenadas e concentradas de forma acessível em poucos e importantes tópicos. A partir disso, cinco temas unificadores foram definidos (REECE et al., 2015): Organização; Informação; Energia e matéria; Interações Evolução. O tema organização consiste em uma organização hierárquica em níveis, e em cada nível é possível estudar a vida a partir de uma escala ampla (biosfera, ecossistema, comunidade, população, organismo, órgãos/sistema de órgãos) ou em uma escala micro (tecidos, células, organelas e átomos), observando a relação e a interação entre cada nível (REECE et al., 2015): A informação demonstra que os processos da vida envolvem a expressão e a transmissão de informação genética. A informação genética é codificada nas sequências de nucleotídeos do DNA, o qual transmite a informação hereditária dos pais para a prole. Sequências de DNA, denominadas gene, programam a produção proteica de uma célula, que, então, é traduzida em proteínas específicas, em um processo denominado expressão gênica (Figura 1). 9 Figura 1. O código genético é o protótipo da vida. As instruções para a vida estão contidas na sequência de nucleotídeos nas moléculas de DNA. Sequências de DNA específicas constituem os genes, e a informação em cada gene fornece à célula as informações de que ela necessita para produzir uma proteína específica. Fonte: Sadava et al. (2009, p. 7). Energia e matéria, como tema, demonstram que a vida requer a transferência e a transformação de energia e matéria. Todos os organismos devem desempenhar funções, o que requer energia. Por exemplo, os produtores convertem energia solar em energia química, parte da qual é passada aos consumidores. (REECE et al., 2015): Compostos químicos são ciclados entre os organismos e o ambiente, o que faz a energia fluir pelo ecossistema (Figura 2). 10 Figura 2. O fluxo de energia e a ciclagem química. O fluxo de energia segue uma direção única dentro de um ecossistema — por meio dos produtores e, depois, por meio dos consumidores. Fonte: Reece et al. (2015, p. 7). As interações, como tema unificador, são fundamentais para os sistemas biológicos, pois os organismos interagem continuamente com fatores físicos. Por exemplo, as plantas captam nutrientes do solo e compostos químicos do ar e utilizam a energia solar, ao passo que os organismos interagem uns com os outros, interação esta que pode ser tanto entre membros da mesma espécie como entre membros de espécies distintas (Figura 3) (REECE et al., 2015). 11 Figura 3. Interações de uma árvore de acácia africana com outros organismos e o ambiente físico. Fonte: Reece et al. (2015, p. 8). A evolução é o tema central da biologia, a qual consiste nos processos de mudanças que têm transformado a vida na Terra (REECE et al., 2015). É responsável pela uniformidade e a diversidade da vida, além de explicar as adaptações evolutivas e o ajuste de organismos aos seus ambientes (Figura 4). Figura 4. Evolução: modelo atual da evolução dos tentilhões nas Ilhas Galápagos. Observe os diferentes bicos, adaptados para as distintas fontes de alimento das diferentes ilhas. Fonte: Reece et al. (2015, p. 15). 12 As descobertas biológicas sobre os organismos vivos também podem ser generalizadas, uma vez que toda a vida está relacionada a descendentes provenientes de um ancestral comum, de modo que o conhecimento obtido a partir de investigações de um tipo de organismo, às vezes, pode ser generalizado para outros organismos. Dessa forma, os biólogos podem usar sistemas-modelo de pesquisa, devido à possibilidade de estenderem seus achados a outros organismos (SADAVA et al., 2009). 4 NÍVEIS DE ORGANIZAÇÃO BIOLÓGICA Dentro dos temas unificadores da biologia, a organização surge como o primeiro item. Na Figura 1, foi observada a hierarquia da vida, que ocorre na seguinte ordem (organização): biosfera → ecossistema → comunidade → população → organismo → sistema de órgãos/órgão → tecido → célula → organela → molécula → átomo (Figura 5). Fonte: www.biologianet.com 13 Detalhando um pouco mais os níveis de organização biológica, a biosfera, como o nível mais inclusivo, abrange todas as regiões continentais, oceânicas e a atmosfera, sendo constituída pelos diversos ecossistemas do nosso planeta. O ecossistema é constituído de uma comunidade, que interage com os ambientes físico e químico. Uma comunidade consiste em todas as populações de todas as espécies em uma área específica. Cada população consiste em um grupo de indivíduos do mesmo tipo de organismo ou espécie, que vivem em uma área específica. Um organismo é um indivíduo constituído por uma ou mais células. A célula é a unidade fundamental de estrutura e função da vida e, de acordo com a sua função, pode conter diferentes organelas. As organelas são componentes funcionais que compõem uma célula, e são formadas por diferentes moléculas, as quais são formadas pela união de átomos. Os átomos são estruturas fundamentais de todas as substâncias (vivas e não vivas) (SADAVA et al., 2009; EVERS et al., 2011). A partir dessa organização, os conceitos biológicos podem ser reduzidos em componentes mais simples e mais fáceis de se estudar (reducionismo). No entanto, ao observar a Figura 1, partido do átomo até a biosfera, pode-se verificar novas propriedades que, antes, estavam ausentes no nível anterior. Essas propriedades emergentes resultam das interações entre os componentes dos níveis anteriores. Por exemplo, as moléculas não são vivas se consideradas separadamente, porém, em certa quantidade e organização, as elas formam uma célula viva. Assim, a vida (uma propriedade emergente) aparece no nível da célula, mas não nos níveis inferiores da organização da natureza (REECE et al., 2015). Assim, a fim de aprofundar os conhecimentos acerca das propriedades emergentes, os biólogos complementam o reducionismo com a biologia de sistemas, que consiste na exploração de um sistema biológico a partir da análise das interações entre seus componentes (SADAVA et al., 2009; REECE et al., 2015). Em cada nível da hierarquia, é possível identificar uma correlação entre estrutura e função. O estudo de uma estrutura biológica apresenta evidências sobre o que ela faz e como funciona, assim como o estudo da função de uma estrutura biológica possibilita uma compreensão sobre sua estrutura e organização. Na hierarquia estrutural da vida, 14 a célula constitui a menor unidade de organização que é capaz de desempenhar todas as atividades necessárias para a vida. Todas as células compartilham certas características, por exemplo, todas as células são envoltas por uma membrana plasmática, que regula a passagem de substâncias entre a célula e o ambiente. Contudo, existem dois principais tipos celulares: procarióticos e eucarióticos. As organelas das células eucarióticas são envoltas por membrana, e algumas organelas, como o núcleo, são encontradas em célulasde todos os eucariotos. No entanto, algumas organelas são específicas de grupos celulares distintos (p. ex., o cloroplasto é encontrado apenas em células com capacidade fotossintetizante). As células procarióticas não possuem o núcleo ou outras organelas envoltas por membrana. Outra diferença é com relação ao tamanho das células: células procarióticas são geralmente menores do que as células eucarióticas (Figura 6) (SADAVA et al., 2009; REECE et al., 2015). Fonte: www.disciplinascom.br 15 5 UNIVERSO, SISTEMA SOLAR E PLANETA TERRA A teoria do Big Bang descreve os primeiros momentos do Universo. Presume que o Universo iniciou a partir de um estado extremamente quente e extremamente denso, em que toda a matéria e toda a radiação estavam contidas num espaço infinitamente pequeno. A rápida expansão que então iniciou lembra muito uma explosão, mas na verdade não é uma explosão que ocorre em um ponto do espaço, e sim a geração de espaço em todos os pontos, que se expandem com o tempo e estima-se que tenha ocorrido há aproximadamente 14 bilhões de anos (MENDONÇA 2016). A matéria então existente concentrou-se em grupos, dando origem, ao longo do tempo, a grandes concentrações de corpos celestes, denominadas galáxias. Uma dessas galáxias, formada há cerca de 8 bilhões de anos, é a Via Láctea. Fonte: www.revistagalileu.globo.com Como todas as galáxias, a Via Láctea é formada por numerosas estrelas e por outros corpos celestes. São conhecidas mais de 200 bilhões de estrelas na Via Láctea, sendo uma delas o Sol, que se formou há mais de 5 bilhões de anos. Ao redor do Sol 16 giram oito planetas conhecidos, sendo um deles a Terra. O conjunto formado pelo Sol, planetas, satélites, asteroides e outros corpos celestes que orbitam essa estrela constitui o Sistema Solar. Estima-se que os oito planetas do Sistema Solar, inclusive a Terra, formaram-se há aproximadamente 4,6 bilhões de anos. Além dos planetas, outros corpos celestes orbitam o Sol, como os asteroides, os satélites naturais (como a Lua) e os planetas-anões (MENDONÇA 2016). Seis bilhões de anos entre o Big Bang e a formação da Via Láctea, três bilhões entre a origem da Via Láctea e a do Sol e meio bilhão entre a formação do Sol e a origem da Terra. Assim, o nosso planeta formou-se, aproximadamente, nove bilhões e meio de anos após o Big Bang. O Sol e todos os demais corpos do nosso Sistema Solar devem ter sido formados a partir da poeira cósmica e de gases, que se aglomeraram em um determinado ponto da Via Láctea. Inicialmente, ao longo de milhões de anos, essa poeira e esses gases foram se agregando, formando uma enorme massa, cujo elemento mais abundante era o hidrogênio, que deu origem ao Sol. A temperatura central dessa massa precursora do Sol tornou-se muito alta, desencadeando contínuas reações de fusão nuclear, que continuam até hoje, com formação de hélio a partir de hidrogênio. É em consequência dessas reações que o Sol libera enorme quantidade de energia, sob a forma de calor e de luz (MENDONÇA 2016). As reações de fusão nuclear dependem da alta temperatura que ocorre no interior do Sol, mas são também responsáveis por essa temperatura elevada, estimada em torno de 15 000 000 °C no centro da estrela e em cerca de 6 000 °C na superfície. 17 Representações artísticas da hipótese de formação do Sistema Solar. Fonte:www.observador.com.br 5.1 Origem do planeta Terra Conforme MENDONÇA (2016), na evolução do Sistema Solar, o restante da poeira cósmica e dos gases continuou a girar em torno do Sol, inicialmente como um disco. 18 Aos poucos, esse disco foi-se fragmentando e esses fragmentos foram se fundindo em massas maiores, que deram origem aos planetas e aos asteroides. De maneira simplificada, podemos dizer ter sido assim que a Terra se formou. Inicialmente muito quente, a Terra se resfriou a tal ponto que sua superfície se solidificou. A vida foi-se tornando possível na Terra à medida que o planeta se resfriava, sua superfície se solidificava, formava-se água líquida sobre a superfície e, aos poucos, se constituía a atmosfera terrestre. A atmosfera primitiva era provavelmente composta pelos gases hidrogênio (H2), metano (CH4), amônia (NH3) e vapor de água. Desses componentes, o metano, a amônia e o hidrogênio não estão presentes na parte baixa da atmosfera atual (troposfera), constituída principalmente pelos gases nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) e quantidades menores de gás carbônico (CO2), gases raros e vapores de água (MENDONÇA 2016). No início, a delgada e frágil crosta terrestre era muito quente e através de suas múltiplas rachaduras era expelida água do interior da Terra. A excessiva temperatura da crosta não permitia que a água se acumulasse e toda ela se evaporava, formando numerosas e densas nuvens na atmosfera. Essas nuvens davam origem a chuvas, que caíam sobre a litosfera. Encontrando a superfície quente da litosfera, a água da chuva evaporava, formando novas nuvens, que originavam novas chuvas. Esse ciclo durou muito tempo, até que, à medida que a superfície se resfriava, a água ia se acumulando nas depressões da litosfera, constituindo, aos poucos, mares, oceanos, rios, lagos e demais depósitos de água líquida da Terra. Na água que se depositava na crosta terrestre estavam presentes algumas das substâncias existentes na atmosfera. Acredita-se que essas substâncias, nas condições especiais das águas aquecidas dos oceanos primitivos, tenham fornecido a matéria- prima para que começasse a se formar a vida na Terra. 19 Representações artísticas do ambiente da Terra primitiva, antes (A) e depois da formação dos primeiros mares (B). Fonte:www.observador.com.br 6 ORIGEM DA VIDA O tema origem da vida, apesar de polêmico, é muito interessante e mostra o quanto ainda necessitamos avançar em nossos conhecimentos, pois, até os dias atuais, não encontramos uma resposta definitiva que seja universalmente aceita para o assunto. A polêmica em questão diz respeito à diversidade de apontamentos para a origem da vida e também à influência das crenças sobre a origem da vida. Diante disso, vamos conhecer as principais teorias de origem da vida aceitas atualmente: Teoria da Criação, Teoria da Abiogênese e Biogênese, Teoria da Panspermia Cósmica e Teoria da Evolução Química ou Molecular (BRODY; BRODY, 1999; DAMINELI; DAMINELI, 2007; DORVILLÉ; SELLES, 2016; FERREIRA, 2008). A Teoria da Criação ou criacionismo, aquela apoiada pelos religiosos, foi sustentada por muito tempo até que se iniciasse uma vertente de pesquisas e evidências. No criacionismo, os seres vivos surgiram de um ser superior, e, por esse motivo, pode haver discordâncias entre seus crentes, pois podem existir variações na 20 crença da figura desse ser superior. Dentro da linha do criacionismo, pode-se citar três ramificações: a religiosa, a bíblica e a científica. O criacionismo religioso determina que apenas a fé é suficiente para acreditar nos escritos de determinadas religiões, isto é, não há uma necessidade de testar as afirmações dos escritos religiosos, apenas se acredita neles. Por exemplo, no hinduísmo, o homem foi criado por um ser supremo que também criou todas as criaturas. Já no islamismo toda a história da criação está presente no Alcorão, o livro sagrado dos muçulmanos. O criacionismo religioso também abrange os mitos da criação, por exemplo, na mitologia grega, o início da vida surgiu com o caos primordial, do qual veio Gaia (terra) e Eros (amor). Depois, Érebo (trevas) e Éter. Vieram também o céu, as montanhas e o mar. Nesse ambiente, nasceram os titãs — deuses do início da criação do mundo (HERNANDEZ 2018). Os titãs Epimeteu e Prometeu foram uns dos criadores da raça humana, os quais formaram o homem com água e argila e, posteriormente, ganharam vidae alma por meio da deusa Atena (HERNANDEZ 2018). O criacionismo bíblico defende a Bíblia como a palavra de Deus. Segundo essa vertente, a vida é criada complexa e vai degenerando em consequência dos pecados cometidos e já descritos na Bíblia. Por exemplo, para o cristianismo, Deus foi a figura responsável pela criação da vida e seu habitat de uma só vez. Diante disso, segundo o cristianismo, as espécies se adaptariam e, portanto, não haveria evolução das espécies, pois Deus criou o Universo e as criaturas em semelhança a ele: perfeitos. Para os cristãos e judeus, a origem da vida consta na Bíblia, no livro de Gênesis, no qual o homem foi criado do barro e, para que viesse à vida, Deus soprou o espírito nele. Já o criacionismo científico utiliza métodos da ciência para identificar e analisar evidências de que o universo e a vida foram criados pautados em processos naturais, leis da natureza e modelos matemáticos. Esse ramo do criacionismo se deve principalmente sobre o advento do protestantismo a partir do século XX e já tendia a questionar os princípios pautados nos criacionismos religioso e bíblico (HERNANDEZ 2018). 21 De maneira geral, é importante frisar que o criacionismo tem como figura um criador responsável pela origem da vida complexa, completa e funcional, com seres vivos/espécies aptos para sofrer pouca ou nenhuma diversificação e evolução ao longo do tempo. Essa crença na não evolução das espécies também pode ser chamada de fixismo. Fonte: www.educacao.globo.com/ No entanto, em meados do século XIV, a teoria da geração espontânea ganhava popularidade. Nessa vertente, os seres vivos eram oriundos de cadáveres ou de matéria orgânica. A teoria da geração espontânea também é conhecida como abiogênese. Aristóteles (384 a.C.-322 a.C.), René Descartes (1596-1650) e Isaac Newton (1643- 1727), cientistas e outros pensadores da época se apoiavam nessa teoria, pois, segundo ela, o lodo dos rios originava as cobras e as rãs, e os vermes viriam das frutas e da carne. (HERNANDEZ 2018). Nessa época, e em contraste ao criacionismo, havia uma busca pela prova da existência da vida. Assim surgiram os primeiros experimentos que buscaram explicar a origem da vida por meio da matéria inanimada. Os principais pesquisadores dessa corrente de pensamento são Jan Baptista van Helmont (1580-1644), John T. Needham http://www.educacao.globo.com/ Douglas Marcelino Realce Douglas Marcelino Realce 22 (1713-1781) e Lazzaro Spallanzani (1729-1799), que buscaram provar em seus experimentos que a vida era oriunda da matéria inanimada, com a utilização de grãos de trigo em tecido e caldos preparados. Mas foi somente entre os séculos XVII e XIX que os cientistas começaram a discordar da teoria da abiogênese e foi por meio dos experimentos de Francesco Redi (1626-1697) e Louis Pasteur (1822-1895) que surgiu a teoria da biogênese, na qual a vida não teria mais sua origem na matéria inanimada, e sim a partir de organismos preexistentes. No entanto, ao mesmo tempo em que se acreditava em organismos preexistentes, iniciavam-se outras indagações como: de onde veio a primeira vida ou organismo vivo? Tais indagações deram origem e espaço a outras propostas, entre elas a panspermia que, embora tenha sua origem na antiguidade clássica com o filósofo grego Anaxágoras (510 a.C.), somente no século XIX ganhou força e novo entendimento do conceito que afirmava que os seres vivos teriam surgido a partir de substâncias de outros planetas. São os principais defensores dessa teoria: William Thomson (1824-1907) e Svante August Arrhenius (1859-1927). Para eles, os seres vivos vieram até a Terra por meio de meteoros e poeira cósmica (HERNANDEZ 2018). Tal afirmação continuou a ser revogada por alguns cientistas e, por meio de Hermann von Helmholtz (1821-1894) e outros cientistas, foram designadas outras teorias modernas como a nova panspermia e a panspermia dirigida. Na nova panspermia, acredita-se que a origem da vida veio a partir do núcleo dos cometas e também que os vírus vieram do espaço. Foi criada por Fred Hoyle (1915-2001) e Chandra Wickramasinghe (1939), na década de 1970, os quais se apoiaram na análise de meteoritos. Já a teoria da panspermia dirigida acredita que a vida veio de outras galáxias, ou que seres mais inteligentes trouxeram moléculas orgânicas e outros elementos, tais como o molibdênio, importante para o metabolismo dos seres vivos, mas raramente encontrado no planeta. Entre os principais defensores da panspermia dirigida estão Francis Crick (1916-2004) e Leslie Orgel (1927-2007). Na tentativa de explicar a origem da vida, também surgiram outras correntes teóricas, como a teoria da evolução química ou molecular, segundo a qual a vida se 23 originaria a partir da evolução química e da antimatéria. Nessa teoria, compostos como hidrogênio, carbono, oxigênio, entre outros se combinaram e formaram as moléculas orgânicas simples (aminoácidos, açúcares, etc.) e depois passaram a formar as moléculas mais complexas, como carboidratos, proteínas etc., continuando a se combinar até duplicarem e formarem os primeiros seres vivos (HERNANDEZ 2018). Fonte: www.biologiageral.epizy.com Já a antimatéria (significa inverso da matéria) é formada por antipartículas semelhantes às partículas, ou seja, possuem também massa e rotação, porém têm carga elétrica negativa. As antipartículas podem ser encontradas em raios cósmicos, acelerador de partículas e em decaimento de substâncias radioativas. Paul A.M. Dirac (1902-1984), ao revisar a equação de Einstein (E = mc2 ), constatou que a massa também poderia ser negativa. Ele criou a fórmula E = ± mc2 , e houve maior aceitação da presença das antipartículas no universo. A teoria da antimatéria se fundamenta por meio da explosão/colisão da matéria e da antimatéria resultando na origem dos corpos celestes Os experimentos de Aleksander I. Oparin (1894-1980) e John Burdon S. Haldane (1892-1964) buscam fundamentar a origem da vida pautados na evolução química ou molecular, para as quais os primeiros seres vivos surgiram a partir de moléculas 24 orgânicas que teriam se formado na atmosfera primitiva e depois nos oceanos, a partir de substâncias inorgânicas (HERNANDEZ 2018). Esses conhecimentos ganharam notoriedade após os experimentos de Stanley L. Miller (1930-2007) e Harold C. Urey (1893-1981), na década de 1950, cujas hipóteses comprovaram os experimentos de Oparin e Haldane. Esses cientistas comprovaram a formação de moléculas orgânicas a partir de nitrogênio, amônia, metano, dióxido de carbono, água e hidrogênio. Por tal comprovação, a teoria da evolução química tem sido amplamente aceita e difundida, embora ainda existam muitas controvérsias e novas teorias sendo elaboradas (HERNANDEZ 2018). Assim, uma das hipóteses mais aceitas é a de que os primeiros seres vivos eram autótrofos, ou seja, organismos que produzem o próprio alimento. Conquanto a origem da vida ainda não tenha sido contemplada de forma universal, é importante salientar que todas as teorias ainda não foram superadas visto que até agora existem adeptos e pesquisadores que as defendem. No entanto, as teorias mais amplamente estudas na atualidade, as consideradas teorias modernas, são a teoria da panspermia cósmica e a teoria da evolução química, as quais não entram em conflito, pois confirmam que houve um processo de evolução molecular, além de condições ambientais favoráveis para o surgimento da vida na Terra. Conquanto a atualidade e a modernidade tragam aporte para discussões mais aprofundadas e tecnológicas a respeito da origem da vida, as teorias da abiogênese e da biogênese continuam sendo enfatizadas diante do constructo histórico em que se colocaram. Ambas quebraram um paradigma por meio de experimentações e formulações de hipóteses, fundamentos da ciência aplicadosaté os dias atuais. Assim, a seguir será realizado um aprofundamento sobre essas teorias e suas importâncias para o avanço do conhecimento e da ciência (HERNANDEZ 2018). 6.1 Abiogênese versus biogênese 25 Diante do tópico anterior, foi possível observar que, basicamente, a abiogênese se caracteriza pela defesa da origem da vida por meio da matéria inanimada, enquanto a biogênese defende que a vida só pode existir a partir de outra vida, ainda que a abiogênese surja num contexto histórico em que se pensava em contestar o criacionismo e, por sua vez, a biogênese em contestar a abiogênese (HERNANDEZ 2018). A seguir, vamos entender como é que os pensadores e cientistas dessas correntes defendem essas ideias (AMABIS; MARTHO, 1990). A abiogênese foi pautada por alguns experimentos, como o de Jan Baptista van Helmont (1580-1644), que tentou provar a origem de camundongos por meio de grãos de trigo e tecidos (em verdade, os camundongos eram atraídos pelo trigo, e não criados por ele), e o experimento de John T. Needham (1713- 1781), em 1745, que verificou a criação de microrganismos vivos em um caldo preparado e posteriormente fervido. No entanto, tempos depois, em 1770, o mesmo experimento de Needham foi repetido por Lazzaro Spallanzani (1729-1799), mas, dessa vez, o caldo preparado foi fervido por mais tempo, o que resultou em um ambiente não propício para a vida; consequentemente, Spallanzani concluiu que Needham não havia fervido o caldo o suficiente para matar os microrganismos presentes nele (o caldo não criou vida, mas já continha microrganismos vivos nele). Esse experimento, contrário ao de Needham, foi um importante marco para a criação de uma nova vertente da origem da criação da vida. Os experimentos de Francesco Redi (1626-1697) e de Louis Pasteur (1822- 1895), em 1860, buscavam quebrar o conceito da abiogênese. Redi colocou pedaços de cadáver animal em dois fracos, sendo um deles fechado e outro aberto. Após algum tempo, a carne que estava no vidro aberto apresentava larvas, enquanto o vidro que estava fechado não. O pesquisador conclui que as larvas não eram provenientes da carne, mas sim das moscas que deixavam ovos na carne. Pasteur tinha convicção de que a vida não era gerada pela matéria inorgânica e, para provar sua hipótese, realizou um experimento com um caldo nutritivo chamado experimento do Pescoço de Cisne. Primeiro ele ferveu o caldo para refutar as hipóteses levantadas por Needham e Spallanzani deixando o ambiente estéril, posteriormente 26 tampou o vidro que continha o caldo com uma tampa em formato de pescoço de cisne, isto é, havia passagem de ar, mas não havia possibilidade da entrada de microrganismos externos pelo formato da tampa (Pasteur já hipotetizava a existência de microrganismos vivos não visíveis ao olho nu no ar) (HERNANDEZ 2018). Os resultados de Pasteur evidenciaram nenhuma “vida” no pote com tampa em formato de pescoço de cisne, provando que não havia vida proveniente da matéria inanimada. Para comprovar sua hipótese de que microrganismos estavam presentes no ar, quebrou a tampa do pote sem vida e, com o passar do tempo, sugiram ali as manifestações da colônia de fungos e bactérias (HERNANDEZ 2018). A Figura 1 apresenta o experimento de Jan Baptista Van Helmont pautado na abiogênese. Já a Figura 2 evidencia os experimentos de Spallanzani e Needham, respectivamente. Os experimentos de Redi e Pasteur pautados na biogênese podem ser vistos na Figura 3, e, por fim, a Figura 4 apresenta o experimento de Pasteur. Fonte: Bittencourt (2015). Fonte: Spontaneous (2011). 27 Fonte: Souza (2013). Fonte: Adaptada de Experimento (200). Depois de todo esse momento de experimentação sobre a ótica da história da origem da vida, muitos pesquisadores e cientistas começaram a se indagar a respeito de como a vida evoluiu até a formação dos seres mais complexos e completos (HERNANDEZ 2018). Uma nova onda de experimentações e hipóteses eram lançadas na ciência. Assim, no próximo tópico serão abordadas as principais teorias sobre a evolução das espécies. 6.2 Evolução das espécies Desde as primeiras proposições para o primeiro ser vivo da Terra, muito já se avançou em conhecimento. Inicialmente, diante das proposições sobre a origem da vida e tomando em consideração a teoria mais aceita entre os pesquisadores, cientistas e estudiosos do assunto (evolução química), os primeiros seres vivos da Terra foram as moléculas orgânicas, como os aminoácidos, que, ao se combinarem, formaram as proteínas, moléculas mais complexas. Ao longo de milhões de anos, acredita-se que essas proteínas tenham se acumulado nos mares primitivos formando os coacervados, que, por sua vez, também se tornaram mais complexos com a junção de substâncias dos oceanos primitivos (HERNANDEZ 2018). 28 A ciência atual admite que o aumento da complexidade dos coacervados compreendeu reações que ao longo de milhões de anos resultaram em ácidos nucleicos. Os ácidos nucleicos organizam o material genético de uma célula e comandam suas atividades e, assim, perante a presença e a formação dos ácidos nucleicos, os coacervados passaram a ser seres unicelulares no fundo do mar. Portanto, os primeiros seres vivos da Terra eram unicelulares, heterótrofos (não produziam o próprio alimento) e anaeróbios. Com o passar do tempo (milhões de anos), esses seres primitivos sofreram modificações no material genético (o que se deu por um número muito grande de seres para uma oferta/capacidade alimentícia cada vez menor), e passaram a ser pluricelulares, o que resultou em seres capazes de produzir clorofila e fazer fotossíntese. Esse importante marco na evolução das espécies garantiu a capacidade de os organismos fabricarem o próprio alimento a partir do gás carbônico, da água e da luz. As algas asseguram assim sua sobrevivência, bem como a de todas as formas vivas que delas se alimentam. A partir desses seres marinhos mais complexos, surgiram os primeiros invertebrados aquáticos, os quais classificamos como filos inferiores de invertebrados: protozoários, poríferos (esponjas), celenterados, moluscos, equinodermas e diversas espécies de vermes. Ao mesmo tempo, a dispersão de certas plantas aquáticas já alcançava o meio terrestre, realizando a adaptação externa. Mediante essas constantes adaptações e modificações, foram surgindo espécies cada vez mais complexas e organizadas. Apareceram animais ainda mais complexos, com aparelho digestivo e sistema nervoso bem desenvolvidos, frequentemente protegidos por um esqueleto rígido. A evolução dos artrópodes prossegue com o surgimento da trilobita, antepassado distante dos camarões e das lagostas (HERNANDEZ 2018). Enquanto nas águas aparecem os primeiros vertebrados e peixes de esqueleto interno cartilaginoso, fora das águas surgem as algas revestidas de uma carapaça que lhes permite manter a umidade; em seguida, as primeiras plantas propriamente de terra firme, os musgos. Os primeiros animais que saíram da água foram os escorpiões, também protegidos por couraças. 29 Iniciam-se as primeiras florestas, e, junto delas, aranhas, centopeias e escorpiões; surgem os primeiros insetos e proliferam várias espécies de peixes ainda fortemente couraçados. As adaptações e modificações continuam intensamente, desenvolvem-se as formas mais rudimentares de pulmões em alguns peixes (tal característica propiciou mais tempo fora d’água), surgem os primeiros anfíbios (seres que se adaptam tanto na água quanto no ar seco). Após essas conquistas, originam-se os primeiros vertebrados terrestres. As florestas têm dimensões gigantes, com árvores de até 30 m, e, assim como os animais que ali vivem, como centopeias de meio metro de comprimento, inúmerasespécies de anfíbios continuam a proliferar-se nas regiões de lagos e pântanos (uma vez que seus ovos necessitam de água). Em contrapartida, os primeiros répteis colocam ovos em lugares secos (os ovos são envoltos por uma casca calcária), e esse marco perpetua os vertebrados em terra firme. Mudanças climáticas desfavorecem os anfíbios e permitem maior desenvolvimento dos répteis, tornando algumas espécies gigantes. Uma era de dinossauros inicia-se com as mais variadas formas e tamanhos que vivem em terra firme, na água e no ar (HERNANDEZ 2018). Posteriormente a essa era, dá-se início a vez dos mamíferos, mastodontes e tigres já habitavam a terra, enquanto nos mares predominavam mamíferos gigantes como as baleias e cachalotes; inicia-se um grupo de primatas, os driopitecos, que deram origem a chimpanzés, gorilas, orangotangos e ramapitecos, sendo esses últimos ligados à família do homem assim como os australopitecos e o Homo. Novas mudanças climáticas extinguem várias espécies, enquanto outras como os mamíferos demonstram grande capacidade adaptativa multiplicando-se em vários ambientes. As novas adaptações geraram grande quantidade de pelos pelo corpo, como em rinocerontes, ursos, bois e elefantes lanudos. 30 Fonte: www.aventurasnahistoria.uol.com.br Nesse período, o homem completa a sua evolução: surge o Homo habilis, em seguida o Homo erectus e, finalmente, o Homo sapiens, espécie à qual pertence, com outras subespécies já extintas, o homem atual. Cabe salientar que todo esse processo ocorreu de forma gradual, contínua e num longo espaço de tempo marcado por bilhões de anos, aproximadamente 2,7 bilhões de anos. A respeito das teorias que fundamentam a evolução das espécies, isto é, tentam explicar por que as espécies se modificariam e se adaptariam tanto ao longo do tempo, podemos destacar dois grandes autores: Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) e Charles Darwin (1809-1882) (AMABIS; MARTHO, 1990; WYHE, 2002) Para Lamarck, a evolução das espécies estava relacionada a basicamente dois fundamentos: lei de uso e desuso e lei de transmissão de caracteres adquiridos. Segundo Lamarck, as partes do corpo de um organismo que não eram utilizadas atrofiavam, enquanto as que eram amplamente usadas se desenvolviam (HERNANDEZ 2018). Por exemplo, Lamarck acreditava que o pescoço das girafas era pequeno, mas, para que pudessem comer as folhas das árvores, o pescoço acabou se desenvolvendo, 31 e tal característica já seria passada para as próximas gerações por meio da lei de transmissão de caracteres adquiridos. Já Darwin propôs uma teoria que impactou toda a ciência e o estudo dos seres vivos. Sua teoria defendia duas proposições: a existência de um ancestral comum do qual os seres vivos teriam evoluído e a teoria da seleção natural. De acordo com Darwin, os indivíduos que se tornavam aptos tinham mais chances de sobreviver e deixar descendentes. Para ele, o exemplo da girafa era visto da seguinte maneira: existiam girafas com pescoço grande e pequeno, mas somente aquelas com pescoço grande eram capazes de se alimentar, pois chegavam até as árvores, assim, perpetuariam a espécie, pois eram mais aptas; desse modo, deixariam descendentes. Os princípios básicos de Darwin constituem: 1) auxílio da seleção natural (lei de adaptação); 2) os indivíduos que conseguem se adaptar ao ambiente têm mais chances de sobreviver e gerar descendentes; 3) há uma luta pela vida, pois são poucos os seres que conseguem atingir a maturidade; 4) o número de indivíduos de uma espécie é quase o mesmo de geração em geração. 5) indivíduos da mesma espécie não são idênticos. Em influência aos conceitos implementados por Darwin surgiram novas teorias: evolucionismo teísta — que uniu o criacionismo com o evolucionismo, uma vez que muitos evolucionistas acreditavam em Deus, e evolucionismo teísta — não acreditavam em Deus, mas sim nos processos evolucionistas caracterizando os organismos (HERNANDEZ 2018). A ciência atual baseia-se na teoria do evolucionismo proposta por Darwin diante dos seguintes argumentos: 32 Evidências embriológicas: embriões de espécies diferentes podem ter o desenvolvimento embrionário semelhante. Órgãos homólogos: são órgãos que surgiram de forma semelhante durante o desenvolvimento embrionário, porém podem executar funções diferentes. Um exemplo disso pode ser o membro superior de alguns vertebrados que ora podem ser usados ou não, sendo que apresentam funções diferentes. Órgãos análogos: são órgãos com origem e estrutura diferentes durante o desenvolvimento embrionário, mas com mesma função. Podem ser uma evidência da adaptação de um ser a determinado ambiente. Órgãos vestigiais: órgãos que possuem estruturas que podem não ser importantes para um indivíduo, mas utilizadas em outros. Um exemplo disso é o apêndice, que no homem não é utilizado, mas nos herbívoros é importante para a digestão da celulose. Esse critério pode ser uma evidência da ancestralidade. Bioquímicos: o estudo das proteínas e dos ácidos nucleicos também representa argumentos para as relações de parentesco entre os seres vivos. Quanto mais parecidos em sua evolução, maior serão as proteinas idênticas. No chimpanzé e no homem, os aminoácidos da hemoglobina são os mesmos. Paleontológicos: os fósseis, estudados pela paleontologia, são responsáveis por manter petrificadas algumas características dos indivíduos. Seu estudo é fundamental para entender as alterações que uma determinada espécie sofreu ao longo do tempo. Aliada a esses conhecimentos surge uma nova teoria sobre a evolução das espécies: A teoria moderna da evolução ou neodarwinismo. Cientistas agregaram novas concepções àquelas já propostas por Darwin baseados principalmente nos avanços no conhecimento de genética, mutação gênica, recombinação genética e seleção natural. São princípios do neodarwinismo (HERNANDEZ 2018). as mudanças dos indivíduos dependem das mutações; 33 as mutações acontecem de modo aleatório; para sobreviver, os indivíduos precisam enfrentar os desafios do próprio meio ambiente; os indivíduos mais adaptados e preparados são aqueles que conseguem enfrentar a seleção natural. Diante disso, é importante salientar que o neodarwinismo combina as causas da variabilidade com a seleção natural. Estudos genéticos mostram que os fenótipos (formas características) dos indivíduos resultam da ação do meio sobre os respectivos genótipos (combinação gênica). Um genótipo é capaz de originar vários fenótipos, porém esses fenótipos só vão se manifestar caso encontrem um ambiente adequado. Assim, por exemplo, ocorre com as bactérias resistentes aos antibióticos, ou seja, o uso inadequado desses remédios elimina as bactérias mais sensíveis, mas propicia e reforça as bactérias mais resistentes, as quais se proliferam promovendo a sua adaptação ao ambiente (ao antibiótico). Outro conceito interessante é o da especiação, no qual mecanismos que ocorrem com o tempo e isolamento geográfico impedem o processo evolutivo e resultam em formação de uma nova espécie, ou seja, o distanciamento geográfico impede os cruzamentos, assim, geram nas populações originais acúmulos de diferenças adaptativas que, por sua vez, originam novas espécies (HERNANDEZ 2018). O princípio da irradiação adaptativa consiste em basear a evolução dos organismos a partir de um ancestral comum, cujos componentes, por meio do processo de especiação, possibilitaram o surgimento de espécies relacionadas. Por toda essa complexidade e razoabilidade, essa é a teoria mais difundida atualmente pelos estudiosos e cientistas a respeito da explicação da evolução das espécies. Diante disso, é relevante refletir que, apesar dos enormes conhecimentos adquiridos relacionados com a origem da vida, por meiode diferentes correntes teóricas, bem como teorias que baseiam a evolução dos organismos, ainda há muito o que se descobrir. 34 Sendo assim, ainda hoje são formuladas novas teorias e hipóteses testadas mediante critérios científicos a fim de aprimorar as teorias propostas ou até mesmo formular novas. 7 SELEÇÃO NATURAL E EVOLUÇÃO Apesar da seleção natural não ser um conceito de difícil explicação, ele é frequentemente confundido. Uma confusão comum é que a seleção natural é sinônimo de evolução. A evolução se refere a mudanças temporais de qualquer tipo, não- direcionais, enquanto a seleção natural especifica a direção particular em que estas mudanças ocorrem. A origem da variabilidade que permite o processo evolutivo é normalmente a mutação ou a recombinação gênica, que são processos aleatórios (ao acaso), o que reforça a ideia do não direcionamento do processo de evolução biológica. Existem ainda outros mecanismos possíveis de evolução além da seleção natural, como o fluxo gênico, a direção meiótica e à deriva genética. Outra confusão frequente é que a seleção natural opera principalmente por meio de diferenças nas taxas de mortalidade dos organismos, a chamada mortalidade diferencial. Sabe-se que a seleção natural opera de formas muito mais sutis e inconspícuas (KREBS, 1994). Quando um organismo deixa, com mais sucesso, sua prole que outro organismo, seus genes tornam-se dominantes no pool genético daquela população. Eventualmente, o genótipo que deixou menor prole pode tornar-se extinto numa população estável, a não ser que existam mudanças concomitantes que lhe conferem certa vantagem à medida em que ele se torna mais raro. 35 Assim, a seleção natural opera somente por sucesso reprodutivo diferencial. A mortalidade diferencial pode ser seletiva somente no nível em que cria diferenças entre os indivíduos no número de descendentes que eles produzem. Por muitas vezes a seleção natural pode ser vista em termos de taxas de mortalidade diferenciais e os indivíduos mais fortes e rápidos são considerados como tendo vantagens seletivas sobre os indivíduos mais fracos e mais lentos. Mas, se este fosse o caso sempre, cada espécie iria, continuamente, ganhar em força e velocidade. Como isto não está acontecendo continuamente, a seleção contra o aumento crescente de força e velocidade (contraseleção) deve estar ocorrendo e limitando o processo (CEZAR 2018) Um animal, por exemplo, que é por natureza muito agressivo pode despender muito tempo e energia agredindo outros animais, e desta forma despende, em média, menos tempo e energia no acasalamento, deixando assim menos descendentes. Da mesma forma, um indivíduo pode ser tão submisso que despende muita energia e muito tempo fugindo de outros animais assim, sob condições estáveis, os indivíduos intermediários em uma população deixam mais descendentes que os fenótipos extremos. 7.1 Tipos de Seleção Três tipos de seleção podem atuar nos caracteres fenotípicos de um organismo: a seleção direcional, a estabilizadora e a disruptiva (CEZAR 2018) A seleção direcional é a forma mais simples, na qual os fenótipos de um extremo são eliminados a seleção direcional produz mudanças genotípicas mais rapidamente que qualquer outra, de modo que a maioria das seleções artificiais operam desta forma. A seleção direcional foi, provavelmente, a responsável pela maioria das mudanças fenotípicas que ocorreram durante a evolução, em populações cultivadas, a resistência de pragas a inseticidas ou herbicidas é produzida por seleção direcional. A seleção estabilizadora é muito comum em populações atuais. Neste tipo, os fenótipos mais próximos ao fenótipo médio da população são mais aptos que os 36 fenótipos em cada um dos extremos e, desta forma, os valores médios da população não se modificam. Um exemplo pode ser visto no peso dos bebês no nascimento. A mortalidade é menor em torno de 3,3Kg, um valor bem próximo ao peso médio observado nos bebês ao nascimento (3,2Kg). O processo de seleção natural é o resultado final de um processo ecológico em ação. Os ambientes nos quais os organismos vivem moldam a forma em que a evolução ocorre. A atual distribuição, abundância e diversidade de plantas e animais são determinadas por processos evolutivos passados, mas que influenciam no ambiente presente (KREBS, 1994). 7.2 Adaptação As adaptações – aquelas características que, como disse Darwin, “com tanta justiça promovem nossa admiração” – são centrais no estudo da ecologia. Desde a teoria evolutiva, dois grandes temas permeiam a explicação para as características observáveis de um dado organismo: a genealogia (pela qual a explicação é encontrada na ancestralidade de um organismo) e a adaptação (pela qual ela é encontrada nas condições de vida de um organismo). Na fisiologia, a palavra adaptação é empregada com frequência para descrever o ajuste fenotípico de um organismo ao seu ambiente. Na biologia evolutiva, uma adaptação é uma característica que, devido ao aumento que confere no valor adaptativo, foi moldada por forças específicas de seleção natural atuando sobre a variação genética. A chamada coloração críptica – ocorre quando o organismo possui coloração ou forma bastante semelhante a do meio ou substrato onde ele se encontra – é normalmente uma adaptação para diminuir as chances de predação (CEZAR 2018). Douglas Marcelino Realce 37 8 ORIGEM E EVOLUÇÃO DAS CÉLULAS A invenção do microscópio possibilitou a descoberta das células, as unidades que constituem os seres vivos (AMABIS e MARTHO, 2006). Leeuwennhoek fabricou dezenas de microscópios, com isso ele observou diversos tipos de material biológico, como embriões de plantas, glóbulos vermelhos e espermatozoides de animais (AMABIS e MARTHO, 2006). No século XIX generalizou-se a noção de que todos os organismos são constituídos por uma ou mais células, a chamada Teoria Celular (CÉSAR e SEZAR, 2005). A Teoria Celular admite que, apesar das diferenças quanto à forma e à função, todos os seres vivos têm em comum o fato de serem constituídos por células (AMABIS e MARTHO, 2006). As três premissas da Teoria Celular são: Toda forma de vida é constituída por uma ou mais células e pelas estruturas que por elas são produzidas. As células são unidades morfológicas e funcionais dos seres vivos. Toda célula origina-se de uma célula preexistente, ou seja, elas sofrem divisão. 38 Fonte: www.estudopratico.com.br Admite-se que as primeiras células que surgiram na terra foram os procariontes. Isto deve ter ocorrido a cerca de 3 bilhões de anos. Naquela época a atmosfera provavelmente continha vapor d‘água, amônia, metano, hidrogênio, sulfeto de hidrogênio e gás carbônico, o oxigênio livre só apareceu muito depois. O registro fóssil da primeira célula eucariótica data de 1,7 bilhão de anos, mas supõem-se que os eucariontes tenham surgido um pouco antes. As primeiras células eucarióticas teriam surgido a partir das células procarióticas que passaram a desenvolver evaginações e invaginações da membrana plasmática. Esses dobramentos teriam dado origem às várias estruturas citoplasmáticas delimitadas por membrana e a carioteca ou envelope nuclear, que separa material genético do citoplasma, formando o núcleo (AMABIS e MARTHO, 2006). http://www.estudopratico.com.br/ 39 Fonte: www.todoestudo.com.br A célula procariótica é muito mais simples do que a eucariótica e encontra-se apenas nas bactérias. Dependendo do tipo de célula que apresentam, os organismos são classificados em procariontes e eucariontes (CÉSAR e SEZAR, 2005). Basicamente, a diferença entre procariontes e eucariontes é: as células procarióticas têm seu material genético ― solto‖ no interior da célula, e as células eucarióticas tem seu material genéticoenvolvido por uma membrana chamada carioteca, o que separa o DNA do citoplasma. 9 ECOLOGIA A ecologia é a ciência que procura entender os organismos e suas relações com o meio ambiente, as populações, as comunidades, os ecossistemas e a biosfera (LOPES, 2006). As raízes da ecologia levam aos estudos ligados à história natural, algo que, em essência, é tão antigo quanto o homem. 40 Os egípcios e os babilônios, por exemplo, já aplicavam métodos ecológicos para combater as pragas que assolavam suas culturas de cereais no vale do rio Nilo e na Mesopotâmia (PINTO-COELHO, 2007). Mesmo sendo um campo da ciência distinto e reconhecido desde os anos 1900, aproximadamente, foi somente nas últimas décadas que a ecologia se tornou parte do vocabulário geral da população mundial. Ela se popularizou muito devido à crescente preocupação com questões relacionadas ao meio ambiente; após o homem ir ao espaço e tirar as primeiras fotografias da Terra, ele teve a real noção do tamanho do nosso planeta e de quão solitário e frágil ele é, pairando no espaço (Figura 1). Principalmente após a década de 1970, houve uma maior preocupação com questões como poluição, áreas naturais, crescimento populacional, consumo de alimentos e energia e diversidade biótica (ODUM; BARRETT, 2015). Fonte: www.best-backgroumds/Shuttertock.com Atualmente, a ecologia é uma das ciências de maior interesse público e científico, e seu estudo é fundamental para a preservação do meio ambiente e de todos os organismos vivos. 41 Para a área da ecologia, o meio ambiente é o panorama animado ou inanimado onde se desenvolve a vida de um organismo. No meio ambiente, existem vários fatores externos que influenciam os organismos. A ecologia tem como objeto de estudo as relações entre os organismos e o ambiente envolvente. É importante não confundir os termos meio ambiente e ecologia. O meio ambiente é um conjunto de unidades ecológicas que funcionam como um sistema natural, e inclui toda a vegetação, animais, microrganismos, solo, rochas, atmosfera e fenômenos naturais que podem ocorrer em seus limites (STEIN 2017). Fonte: www.demonstre.com.br Também compreende recursos e fenômenos físicos, como, por exemplo, ar, água e clima, assim como energia, radiação, descarga elétrica e magnetismo. De acordo com Pinto-Coelho (2007), os enfoques da ecologia moderna são dois: Enfoque descritivo (história natural): consiste em levantamentos da fauna e da flora. Enfoque experimental: baseia-se em testes de hipóteses por meio de uma abordagem experimental, que pode conter experimentos tanto de laboratório quanto conduzidos no campo. A questão central em ecologia é determinar as causas da distribuição e da abundância de organismos. Isso pode ser avaliado em nível da comunidade e em nível http://www.demonstre.com.br/ 42 das populações, por isso, a ecologia pode também ser dividida segundo seu objeto central de estudo (STEIN 2017). Autoecologia: ecologia de populações. Sinecologia: ecologia de comunidades. Por razões históricas e metodológicas, bem como por limitação de conhecimentos, o estudo ecológico esteve inicialmente restrito ao estudo de associações de plantas ou de animais, como segue: • Ecologia vegetal: apresenta o problema da restrição a apenas um nível trófico. • Ecologia animal: neste caso, os produtores autótrofos não são considerados. 9.1 Histórico da Ecologia Humana O termo “Ecologia Humana” foi usado pela primeira vez por sociólogos da Escola de Chicago de Sociologia, em 1921. Durante o século XX, as interpretações e definições de Ecologia Humana foram as mais diversas, não só entre as ciências sociais e os naturais, como dentro de disciplinas sociais, como a Geografia, a Antropologia, a Psicologia e a Sociologia (Amaro, 1981; Borden, 2008; Lawrence, 2003; entre outros). O zoólogo alemão Ernest Haeckel (discípulo de Charles Darwin,1886) foi o primeiro cientista a empregar palavra Ecologia nos finais do século XIX. Na análise epistemológica da palavra Ecologia Humana, temos: 43 A Ecologia Humana é a ciência que estuda o ambiente, as relações dos seres vivos no meio em que vivem e como ocorrem as interferências antrópicas neste ambiente; a Ecologia Humana só começa a ganhar contornos mais específicos durante a segunda metade do século XX, embora o termo tenha sido pela primeira vez usado no início da década de 1920 ( WILSON 2018) A Ecologia Humana tomou forma como ciência a aproximadamente 40 anos, com o início das discussões em torno dos problemas ocasionados pelo crescimento econômico sem limites, auxiliando num posicionamento frente a utilização de recursos naturais ou ainda, de deixar a natureza intocada. Segundo sua definição, a Ecologia Humana surge como uma área de conhecimentos que analisa as interações do homem com o meio em que vivem. Fonte: www.brasileducacao.com Com a Ecologia Humana surge uma nova perspectiva sobre tudo o que nos rodeia e pode ser usada, por exemplo, para aprendermos a lidar com os problemas ambientais causados pelo próprio ser humano, fato que atualmente é de extrema importância, já que o planeta atravessa uma grave crise ambiental. Esta crise tem mobilizado gradualmente vários segmentos da sociedade em busca da compreensão das suas causas profundas e das dimensões reais do problema, assim como de alternativas para a redução da degradação ambiental e dos seus impactos na qualidade de vida humana (WILSON 2018). http://www.brasileducacao.com/ 44 Nesse contexto, duas frentes de posicionamento se solidificam: a primeira com a visão que defende a continuidade do modelo de crescimento como forma de proporcionar aos países em desenvolvimento os mesmos benefícios alcançados pelos desenvolvidos; e a segunda apresenta-se totalmente contrária a anterior, pregando o famoso “vamos parar tudo” como forma de garantir a manutenção dos recursos do planeta (WILSON 2018). Para responder a estes questionamentos sugerimos que você analise o esquema abaixo: Fonte: Fonte: www.brasileducacao.com 9.2 Abordagens da Ecologia Humana Terminamos a aula passada inserindo mais alguns conceitos importantes sobre o papel do homem na complexidade do meio ambiente e do papel que a Ecologia Humana http://www.brasileducacao.com/ 45 desempenha nesta questão, porém quais as abordagens exploradas neste sentido? A Ecologia Humana apresenta diferentes possibilidades de abordagens sobre o papel do homem no meio em que vivem (WILSON 2018). Abordagens voltadas para o estudo da adaptabilidade do Homem às variações ambientais: Fonte: Fonte: www.brasileducacao.com Ecologia Humana Evolutiva Influenciados por um “determinismo ambiental” Exemplos: Antropologia ecológica, sociobiologia, etnobiologia Abordagens voltadas para o estudo dos impactos do Homem sobre o ambiente: Ecologia Humana Aplicada Exemplos: Ecologia de ecossistemas, ecologia aplicada. http://www.brasileducacao.com/ 46 Neste curso de Ecologia Humana adotaremos a abordagem da Ecologia Humana Aplicada, considerando que o Homem faz parte do sistema. Incluindo os impactos sobre o Homem de uma escala de tempo não-evolutiva. (WILSON 2018) A abordagem da ecologia aplicada se interessa mais pelo Homem "moderno" (não- tradicional), Homo sapiens: espécie generalista, onívora de borda (transicional). É uma espécie chave que determina a evolução do sistema e sofre as consequências de sua deterioração (WILSON 2018). 10 RELAÇÕES ENTRE A BIOLOGIA, SOCIOLOGIA E ECOLOGIA Quando analisamos as questões que permeiam a Ecologia Humana é possível dimensionar realidade socioambiental e ampliar seu foco a outras áreas do saber, criando maior poder de ação e de discussão das populações envolvidas nos processosabordados neste contexto. A evolução do ecologismo primitivo para a ecologia multidisciplinar tem demonstrado uma grande influência sobre novos conhecimentos, que vão além do antropocentrismo primitivo e possibilita a geração de novos questionamentos sobre progresso, desenvolvimento, justiça, distribuição de valores e sobre o determinismo 47 ambiental. Assim surge a Ecologia Humana e associada a ela as ciências sociais como a Sociologia (WILSON 2018). A Sociologia estuda/compreende a realidade social, que é o nome dado ao conjunto das diferentes relações entre os indivíduos no seu dia a dia, o que implica em uma rede de informações que define e assegura a vida de um grupo de indivíduos em um determinado tempo e espaço. Neste contexto percebe-se uma conexão entre diferentes áreas do saber, como a Biologia, que aborda o estudo da vida num contexto mais amplo e contundente, a Sociologia que aborda conceitos relativos à sociedade Humana e a Ecologia que aborda questões sobre o homem, os seres vivos e suas interpelações com eles próprios e com o meio ambiente em que vivem. De um lado a crise nos paradigmas das ciências, em particular das ciências humanas, decorrente das mudanças profundas e rápidas na sociedade atual, movidas pela era industrial-capitalista; de outro, a crise nas relações entre o homem e a natureza, permitem uma maior integração entre a Sociologia e a Ecologia. A necessidade de mudança de valores e quebra de paradigmas aproxima ainda mais as diferentes ciências, que se unem para proporcionar a transferência de conhecimentos de forma mais integrada e através de uma visão holística e não puramente ecológica. A quebra de paradigmas é uma questão complexa e que deve ser explorada de forma interdisciplinar e multidisciplinar para obter os resultados positivos que se espera quanto a mudança de postura da espécie humana frente a complexidade do meio ambiente (WILSON 2018). “O efeito determinante da natureza sobre a sociedade e sobre a cultura humana, a adaptação humana à natureza, e a natureza como um fator limitante para as possibilidades humanas”. Moran (1994) p.47. 48 11 ECOLOGIA APLICADA AO CONTROLE DE PRAGAS No primeiro semestre conhecemos a ecologia, que é a área da Biologia que estuda a relação entre os organismos e o ambiente, em conjunto com os fatores ambientais. Na aula de hoje vamos observar algumas das aplicações da Ecologia. É incontestável que nenhuma espécie vive isolada, de algum modo, essa se relacionará com outras espécies pertencentes ou não à mesma comunidade (FORATINI, 1992). Quando identificamos e interpretamos estas relações podemos intervir de forma a melhorar a qualidade de vida humana. Para compreender melhor a importância do conhecimento das interações entre os organismos, através de exemplos do nosso cotidiano, vamos tomar como exemplo os cupins, que são pragas que infestam nossas casas. No Brasil, são conhecidas cerca de 290 espécies de cupins, que vivem em sociedades com diferentes morfotipos adaptados ao trabalho que desempenham. Nas florestas estes insetos são importantes no processo de ciclagem de nutrientes, mas, nas cidades, são pragas e destroem objetos e construções. Fonte: www.portalmacauba.com.br 49 O aumento dos problemas entre o homem e os cupins vem crescendo a cada ano, provavelmente isso se deve a alta plasticidade biológica dos cupins e aos impactos ambientais causados pelo homem. O controle de cupins é um grande desafio técnico enfrentado pelos profissionais do ramo do mundo inteiro (WILSON 2018). O sucesso no controle de qualquer praga está associado ao conhecimento sobre a Biologia da espécie e a devida interpretação das alterações comportamentais sofridas pela espécie em diferentes condições, ou seja, uma análise ecológica da população em questão. Não existe uma receita para o combate deste tipo de praga, as interações das populações e o local onde elas agem podem ser muito complexos. Isto exige um profissional com experiência na área, conhecimento da biologia e do comportamento das espécies de cupim e também da construção civil. Uma outra praga urbana e agrícola que traz muitos prejuízos ao ser humano são os ratos. Estes diminuem o rendimento e a qualidade dos produtos agrícolas, além de danos a estruturas das instalações industriais e residenciais. Não podemos esquecer que são importantes portadores de uma série de enfermidades como a peste negra, peste bubônica, salmonelose, leptospirose, tifo, hantavirose, dentre outras. O combate dessa praga é feito de forma semelhante aos cupins, é necessário em primeiro lugar a identificação da espécie, o conhecimento dos seus hábitos de vida, como os locais de formação de ninhos, alimentação etc, para posterior ação de combate (WILSON 2018). Como você pôde perceber o combate de pragas só é efetivamente realizado a partir do momento que você conhece um pouco da ecologia da espécie em questão. 12 ECOLOGIA APLICADA A CONSERVAÇÃO DAS ESPÉCIES 50 O estudo das interações entre as espécies e destas com o meio ambiente é fundamental para implementação de futuros planos de manejo e conservação de espécies animais que estão sob ameaça de extinção ou não. Atualmente, os meios de comunicação divulgam principalmente as pesquisas que tem foco em espécies de apelo popular como tubarões, golfinhos, baleias e tartarugas, ou aquelas que estudam espécies de importância econômica como ostras, crustáceos e peixes (WILSON 2018). Fonte: www.tudosobremaldivas.com Muitos outros trabalhos de igual importância ecológica são desenvolvidos todos os anos no território brasileiro e não chegam ao conhecimento da população. Espécies de fungos ou bactérias e pequenos invertebrados como os insetos e aranhas desempenham papel importantíssimo na manutenção do ecossistema de forma geral. A conservação de espécies ameaçadas ou mesmo a recolocação de animais apreendidos pela fiscalização pública necessita de dados sobre a ecologia das espécies, para aumentar a chance de sobrevivência destas no ambiente ou mesmo espécies que não estão ameaçadas podem ser vítimas de acidentes ambientais e os dados ecológicos disponíveis podem auxiliar a resolver possíveis problemas. Para exemplificar podemos citar espécies que não são conhecidas pela população como os ermitões, que são caranguejos que protegem o seu corpo se escondendo dentro de uma concha de caracol e utilizando essa para se locomover. Ermitões da 51 espécie Clibanarius vittatus (Bosc, 1802) são organismos marinhos que vivem na região entre marés de praias estuarinas ou costões rochosos e dependem de conchas de caracóis para sobreviver, quando desprotegidos pelas conchas estes animais ficam totalmente vulneráveis no ambiente, sendo predados por peixes e outros caranguejos facilmente (WILSON 2018). Suponha que houve um derramamento de petróleo no mar que não atingiu a região entre marés, ou seja, que os ermitões não foram afetados, e que o óleo derramado atingiu muitas espécies animais, dentre estas, a população de caracóis que foi totalmente dizimada. Diretamente os ermitões não foram afetados e em curto prazo não se pode diagnosticar nenhum efeito sobre estes animais, mas conhecendo um pouco da ecologia e do comportamento e vida destes animais sabemos que a médio e longo prazo estes animais serão afetados drasticamente, deixando de existir neste local por extinção ou por migração para outras áreas onde existam recursos de conchas disponíveis. Quando se trata de uma espécie que está sob forte ameaça de extinção, o conhecimento ecológico é mais importante ainda, pois, medidas de manejo e proteção, com demarcação de áreas de proteção ambiental podem ser subsidiadas por dados referentes à ecologia trófica, distribuição e ocorrência das espécies. Como pudemosobservar na aula de hoje, o estudo da interação entre as espécies e destas com o ambiente é fundamental, independente da importância econômica desta. Em sua casa, observe as formigas carregando um pedaço de alimento quando estão subindo a parede e perceba que na sua casa estes organismos podem ser considerados como pragas, mas, na natureza elas estariam cumprindo um importante papel dentro do ecossistema (WILSON 2018). 12.1 Interações ecológicas A ecologia estuda os processos, as dinâmicas e as interações entre todos os seres vivos de um ecossistema. As interações ecológicas são caracterizadas pelo benefício de todos os seres vivos (harmônicas) ou pelo prejuízo de um deles (desarmônicas), e 52 podem ocorrer entre seres da mesma espécie (intraespecíficas) ou espécies diferentes (interespecíficas). Relações intraespecíficas harmônicas: sociedade (organização de indivíduos da mesma espécie) e colônia (agrupamento de indivíduos da mesma espécie com graus de dependência entre si). Relações intraespecíficas desarmônicas: canibalismo e competições intra e interespecíficas (seleção natural). São relações entre espécies iguais, porém há um prejuízo para pelo menos um dos lados. Relações interespecíficas harmônicas: mutualismo (ou simbiose), protocooperação, inquilinismo (ou epibiose) e comensalismo. Relações interespecíficas desarmônicas: amensalismo (ou antibiose), herbivoríssimo, predatismo, parasitismo e esclavagismo intra e interespecífico. Os elementos que compõem os ecossistemas estão intimamente relacionados entre si, de modo que um interfere nas propriedades do outro e cada um é necessário para a manutenção da vida na Terra. Os ecossistemas são, portanto, unidades funcionais básicas em que os componentes bióticos e abióticos interagem e estão inseparavelmente relacionados (LOPES, 2006). Cada espécie pertence a um determinando ecossistema, fazendo parte de uma biocenose ou de uma comunidade, e pode sofrer efeitos distintos, como: Fatores bióticos: de um ecossistema são os seres vivos, como as plantas, animais e micro-organismos. Podemos dividir esses componentes em dois grupos principais: os organismos autotróficos e os heterotróficos. Os primeiros 53 produzem seu próprio alimento através de processos de fotossíntese e quimiossíntese, já os heterotróficos são os consumidores e os decompositores. Fatores abióticos: são aqueles fatores não vivos, como a luz, a temperatura, os nutrientes, o solo e a água. Dentre esses componentes, podemos destacar a radiação solar, que permite o processo de fotossíntese pelos seres fotossintetizantes. Além disso, a água e a temperatura também exercem um importante papel na sobrevivência de organismos. Fonte:www.todamateria.com.br 13 NÍVEIS DE ORGANIZAÇÃO BIOLÓGICA A ecologia busca compreender a importância de cada espécie na natureza e a necessidade de preservar os vários ambientes naturais que a Terra abriga. Barsano e Barbosa (2013) descrevem que não são apenas a fauna e a flora que merecem 54 cuidados: há outros fatores que também devem ser observados visando ao equilíbrio da natureza, entre eles o espaço físico, a temperatura e a localização. O termo biodiversidade (ou diversidade biológica) refere-se à riqueza e à variedade de plantas e animais que são encontrados nos mais diferentes ambientes. As plantas, os animais e os microrganismos fornecem alimentos, remédios e boa parte da matéria-prima industrial consumida pelo ser humano (STEIN 2017). Para melhor compreensão do mundo vivo, a biologia, a ecologia e muitas outras áreas utilizam níveis de organização biológica em seus estudos. As estruturas biológicas organizam-se hierarquicamente desde o nível de organização mais baixo até ao nível de organização mais elevado, ou seja, da célula até a biosfera. Os níveis mais elevados (acima do nível “população”) são frequentemente referidos como organização ecológica. De acordo com Begon (2007), Townsend, Begon e Harper (2010), Cain, Bowman e Hacker (2011) e Nicolau (2017), cada nível de organização biológica é composto, principalmente, pelas unidades estruturais do nível organizacional imediatamente inferior, somado a um aumento da complexidade organizacional (STEIN 2017). Um conceito básico associado à organização biológica é o da emergência, surgimento, de caraterísticas e funções novas nos níveis organizacionais sucessivamente mais elevados, não presentes nos níveis de organização mais baixos. Isso significa que, na hierarquia, os níveis sucessivamente mais elevados apresentam caraterísticas e funções novas, que resultam do respectivo aumento de complexidade (STEIN 2017). Assim, teoricamente, uma alteração na organização da estrutura biológica de um nível inferior acarreta alterações na organização das estruturas biológicas superiores por exemplo, alterações na estrutura de um átomo conduzem, ou podem conduzir, a alterações na organização biológica de níveis superiores, indo da célula para o organismo até a biosfera. Os níveis de organização biológica são uma das melhores formas de delimitar a ecologia moderna, segundo Odum e Barrett (2015). Veja uma representação dos níveis de organização na Figura 2. 55 Fonte: Adaptada de Odum e Barrett (2015) Os níveis de organização biológica iniciam pela célula, a qual é definida como a unidade básica, estrutural e funcional da vida. Ela é a menor unidade dos níveis de organização biológica que se classifica como ser vivo. Alguns seres vivos são constituídos por uma única célula (seres unicelulares como bactérias, fungos, algas, entre outros), e outros são constituídos por conjuntos de células (seres multicelulares, como animais, plantas e o homem), conforme ressalta Nicolau (2017). Os tecidos são formados pela união de células especializadas. Eles estão presentes em apenas alguns organismos multicelulares, como as plantas e os animais. Quando organizados e juntos, os tecidos formam os órgãos, que são formados por vários tipos de tecidos — por exemplo, o coração é formado por tecido muscular, sanguíneo e tecido nervoso (nervos). Já os sistemas, por sua vez, são formados pela união de vários órgãos que trabalham em conjunto para desempenhar determinada função corporal — por exemplo, o sistema digestivo, que é formado por vários órgãos como boca, estômago, intestinos, entre outros. 56 O conjunto de órgãos que constituem um ser vivo é denominado organismo. As características principais dos organismos são a capacidade de extrair energia a partir de nutrientes, de se adaptar às mudanças ambientais e de se reproduzir. A ecologia se preocupa de forma ampla, mas não total, com os níveis de sistema além do organismo. O termo população, originalmente cunhado para um grupo de pessoas, foi ampliado para incluir grupos de indivíduos de qualquer tipo de organismo. A população corresponde ao conjunto de indivíduos de uma mesma espécie que ocorrem juntos em uma mesma área geográfica no mesmo intervalo de tempo (LOPES, 2006; ODUM; BARRETT, 2015). Já a comunidade (também denominada biocenose ou biota), inclui todas as populações que ocupam uma certa área. Sobre a comunidade atuam vários fatores físicos, químicos e geológicos do ambiente, como a luz, a umidade, a temperatura, os nutrientes, o solo e a água. Esses são os componentes abióticos, enquanto que os seres vivos são os componentes bióticos. A comunidade e o ambiente não vivo (abiótico) funcionam juntos, que eles correspondem ao ecossistema — também denominado biocenose ou biogeocenose em algumas bibliografias. Em relação à paisagem, ela se refere à área heterogênea composta de um agregado de ecossistemas em integração, que se repetem de maneira similar por toda a sua extensão. Uma bacia hidrográfica é um bom exemplo de unidade de paisagem, porque geralmente tem limites naturais identificáveis.
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