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1 Simétrico Pré-Universitário – Curso de Biologia – Prof. Landim – www.simetrico.com.br 1 Aula 1 – Introdução ao Estudo da Biologia Biologia, do grego biós, que significa ‘vida’, e logos, que significa ‘tratado sobre’, é a ciência que trata dos seres vivos nas suas diversas formas, estudando-os sob os aspectos de suas origens, evolução, variedade, etc. Um dos primeiros pensadores a escrever sobre temas de natureza biológica foi o filósofo grego Aristóteles, sendo por isso muitas vezes considerado o primeiro biólogo da História e “Pai da Biologia”. O termo Biologia, entretanto só foi se popularizar no início do século XIX, por volta de 1802, com Treviranus. Antes disso, a Biologia fazia parte das Ciências Naturais, junto à Física, à Química e à Geologia, e estava dividida em dois campos, na época distintos: a Botânica, estudo dos vegetais, e a Zoologia, estudo dos animais. Com o advento da Teoria Celular em 1838, e o reconhecimento das semelhanças entre plantas e animais em nível microscópico, houve uma fusão desses campos, originando a moderna Biologia. É de comum acordo entre os estudiosos de hoje que o planeta Terra tenha surgido há cerca de 4,7 bilhões de anos. Num espaço de tempo que teria durado aproximadamente 1 bilhão de anos, compostos inorgânicos teriam reagido em condições repetidas hoje apenas em laboratório para dar origem às primeiras moléculas orgânicas e estas, organizadas em compostos complexos, aos primeiros seres vivos. O que viria a marcar a transição destes sistemas de compostos orgânicos para um organismo considerado vivo diz respeito ao próprio conceito de vida e, consequentemente, ao próprio objeto de estudo da Biologia. O que é vida? O que, entretanto, é vida? Taí uma definição complicada... Se alguém dissesse que vida é a ausência de morte, talvez tivesse dado um conceito tão bom como qualquer outro... Alguns estudiosos que escreveram sobre o tema, entretanto, forneceram algumas definições um pouquinho mais elaboradas do que essa... Veja algumas delas: “Vida é algo que metaboliza, isto é, usa os materiais de seu ambiente para se construir, fabricando, além disso, cópias de si mesmo.” François Jacob, do Instituto Pasteur, Paris, França. “Penso que vida é um sistema capaz de evoluir, de gerar o que for necessário para lograr esse fim, fundamental para a diversidade e complexidade maiores. Mas hipoteticamente é possível imaginar sistemas de computadores evoluindo, ou outras coisas, além de compostos de carbono.” Joshua Lederberg, da Universidade Rockfeller, Nova York, EUA. “A vida é um sistema informático que se reproduz e leva à diversidade. É a reprodução suficientemente fiel da informação para memorizar o que se acumulou durante a evolução e a reprodução suficientemente infiel para que haja mudanças, aumentando a diversidade.” Miroslav Radman, do Instituto Jacques Monod, Paris, França. O físico Erwin Schrödinger sugeriu que uma propriedade que define um sistema vivo é que ele se autoconstrói contra a tendência da Natureza, na direção da desordem, ou da entropia. A “definição de trabalho”, do químico Gerald Joyce, adotada pela NASA, é que a vida é um “sistema químico autossustentável capaz de evolução darwiniana”. Na “definição cibernética” de Bernard Korzeniewski, a vida é uma rede de mecanismos de feedbacks. Scientific American Brasil, outubro de 2009 Note que as definições são complexas, mas há alguns detalhes em comum: a capacidade de reprodução (“produção de cópias”) e a capacidade de adaptação ao meio (graças à “variabilidade”, ingrediente fundamental da evolução orgânica). Como a definição de vida é complicada, reconhecemos os organismos vivos pelas suas características particulares. A principal dessas características, provavelmente, é a habilidade de se reproduzir utilizando informações próprias (genéticas) e a transformação de matéria e energia do meio. Características gerais dos seres vivos 1. Os organismos vivos têm composição química e organização totalmente diferenciadas dos corpos brutos Apenas seis elementos químicos apenas correspondem a cerca de 99% de todos os átomos presentes nos seres vivos (sendo eles carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre, o famosíssimo “CHONPS” da química orgânica). Observe: Elemento químico Universo Terra Homem Carbono 0,02% 0,2% 10,6% Hidrogênio 91% 0,2% 61,5% Nitrogênio 0,04% traços 2,4% Oxigênio 0,06% 47% 23% Fósforo traços traços 0,13% Enxofre traços traços 0,13% Outros 0,91% 52% 2,2% Do ponto de vista da organização molecular, os seres vivos apresentam em sua composição, além de sais minerais, típicos da matéria bruta, compostos não encontrados em corpos brutos e representados basicamente por macromoléculas como proteínas, ácidos nucleicos, açúcares e gorduras. Estas são moléculas ditas moléculas orgânicas. Tais compostos apresentam obrigatoriamente átomos de carbono, normalmente ligados covalentemente a hidrogênio, mas podendo também estar acompanhados de oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo, principalmente. Duas propriedades das moléculas orgânicas são particularmente úteis aos seres vivos: estabilidade e versatilidade. 1 2 Simétrico Pré-Universitário – Curso de Biologia – Prof. Landim – www.simetrico.com.br 2 Moléculas orgânicas são bastante estáveis, uma vez que as ligações entre carbono e hidrogênio são praticamente apolares (já que a diferença de eletronegatividade entre carbono e hidrogênio é muito pequena, quase nula...). Isto permite uma maior estabilidade de composição aos seres vivos (ver homeostase mais a frente). Já a tetravalência do carbono permite a formação de cadeias carbônicas com várias possíveis conformações, o que proporciona uma grande versatilidade para as moléculas orgânicas, o que por sua vez está relacionado às demais propriedades dos organismos vivos. Durante muito tempo, acreditava-se que tais compostos só poderiam ser sintetizados por organismos vivos (sendo inclusive o termo “orgânico” significando “derivado de seres vivos”). Estes organismos possuiriam um “princípio ou força vital”, sem o qual era impossível esta síntese. Esta ideia foi popularizada pelos trabalhos de Jons Jacob Berzelius. Isto fazia da Biologia um campo à parte das demais ciências. Afinal de contas, era difícil pensar em termos científicos com esta força vital quase mágica... Só em 1828, o químico alemão Friedrich Wöhler produziu, a partir de um composto inorgânico, o cianato de amônia, um composto orgânico, a ureia, derrubando o princípio da “força vital”. Cianato de amônio (inorgânico) Ureia (orgânico) Assim, se iniciou a produção de outros compostos orgânicos, e os pesquisadores perceberam que Química Orgânica e Biologia não eram diferentes das outras ciências da natureza: os seres vivos obedecem às mesmas leis da física e da química às quais o resto da natureza obedece. Mesmo podendo ocorrer fora de seres vivos, alguns desses compostos orgânicos tornaram-se praticamente sinônimos de presença de vida: os ácidos nucleicos, por exemplo, respondem pelo controle de funções vitais como reprodução e metabolismo em todos os organismos vivos, de maneira a ser inviável a ocorrência de vida na ausência destas moléculas. As moléculas orgânicas são os principais compostos químicos (qualitativamente falando) em seres vivos, fornecendo aos mesmos estabilidade em sua composição, armazenando energia, armazenando informações (genéticas) e possibilitando a eles a capacidade de reprodução (essas duas últimas realizadas pelos ácidos nucleicos). Apesar dessa importância toda, a água é o composto químico mais abundante na matéria viva. É interessante lembrar que a simples presença de compostos orgânicos e água não é suficiente para caracterizar uma determinada estrutura como viva. Mesmo sendo possível a produção de moléculas orgânicas em laboratório, o homem não conseguiu ainda produzir células inteiras,nem ao menos as mais simples, como as de bactérias, por um motivo muito simples: o alto grau de organização das estruturas vivas se mostrou até agora impossível de ser reproduzido em laboratório sem que se parta de outro organismo vivo. 2. Os seres vivos são homeostáticos Não apenas os seres vivos são organizados, como também possuem a capacidade de manter sua organização aproximadamente constante, propriedade essa conhecida como homeostase. O termo homeostático significa "que permanece o mesmo". Assim, a manutenção de uma temperatura corporal constante e independente da temperatura do meio exterior em mamíferos e aves é a mais conhecida manifestação da homeostase. Embora nem todos os seres vivos mantenham sua temperatura constante, todos são homeostáticos em sua composição química. Os seres vivos possuem um meio interno notadamente diferente do externo em composição e organização. A homeostase diz respeito à capacidade que os seres vivos têm de manter este meio interno constante e diferente do externo ao mesmo tempo em que podem trocar substâncias com este meio externo. (Aliás, como o meio interno dos seres vivos apresenta mudanças a toda hora, através da produção de excretas e metabólitos, alguns tóxicos, e do consumo de substância importantes para o funcionamento celular, a homeostase implica na troca de material entre o meio interno e externo. Assim, eliminam-se excretas e metabólitos e adquirem-se mais das substâncias biologicamente importantes exatamente para manter esta constância. E é também uma característica dos seres vivos a existência de mecanismos que permitam esta troca ao mesmo tempo em que impeçam a saída de material útil e a entrada de material indesejado. No caso da célula, é a membrana plasmática a principal responsável pelo controle da homeostase, uma vez que regula a passagem de substâncias e consequentemente a composição do meio interno da célula.) 3. Organismos vivos tomam matéria e energia do ambiente e as transformam através do metabolismo Para manterem a homeostase, os seres vivos precisam realizar reações químicas. Alguns organismos, como plantas e algas, são capazes de absorver a energia radiante emitida pelo Sol e transformá-la em energia química acumulada nas ligações covalentes de certos compostos químicos, basicamente açúcares. Tais organismos são considerados fototróficos (autótrofos fotossintetizantes) e o processo descrito é, como sabemos, a fotossíntese. Esta energia química armazenada será utilizada pelo próprio organismo fotossintetizante para a realização de suas funções vitais, como síntese de substâncias diversas, transporte de nutrientes, etc. Outros organismos, ditos heterotróficos ou organotróficos, por serem incapazes de realizar processos como o fotossintético, valem-se da energia química armazenada em compostos orgânicos em plantas, algas e outros heterótrofos para sobreviver. Esta é liberada dos nutrientes obtidos na alimentação através de processos como a respiração e a fermentação. Energia é fundamental para os organismos vivos porque a síntese de moléculas das quais os seres vivos são constituídos requer energia. Além disso, precisa-se de energia para o transporte de substâncias entrem o meio interno e externo do organismo (e vice-versa), para a realização de movimentos e para a manutenção de uma temperatura compatível com a realização de reações químicas vitais. Assim, precisa-se converter a energia química armazenada em vários compostos em outras formas de energia como mecânica, térmica, luminosa, elétrica e o que mais for necessário e possível ao organismo, de acordo com suas necessidades. 2 3 Simétrico Pré-Universitário – Curso de Biologia – Prof. Landim – www.simetrico.com.br 3 Dá-se o nome de metabolismo (do grego metabole, ‘transformar’) ao conjunto de processos químicos responsáveis pela transformação e utilização da matéria e energia em seres vivos. Assim, o metabolismo corresponde ao anabolismo e ao catabolismo: 1. Reações anabólicas (do grego ana, ‘erguer’) são reações de síntese de compostos com consumo de energia, sendo ditas pois endotérmicas ou endergônicas: A + B + energia AB São exemplos desse processo a fotossíntese, a quimiossíntese e a síntese por desidratação. As reações de síntese por desidratação ou condensação ou polimerização são reações de síntese onde há liberação de água no processo. Por exemplo, ao sintetizar-se uma proteína a partir de seus aminoácidos constituintes, tem-se uma reação desse tipo: aminoácido 1 + aminoácido 2 + ... proteína + H2O 2. Reações catabólicas (do grego cata, ‘para baixo’) são reações inversas às anabólicas, envolvendo a quebra (degradação) de substâncias com liberação de energia no processo, sendo ditas pois exotérmicas ou exergônicas: AB A + B + energia São exemplos desse processo a respiração, a fermentação e a hidrólise. As reações de hidrólise são reações de quebra de substâncias com consumo de água no processo. Por exemplo, ao quebrar-se uma proteína em seus aminoácidos constituintes, tem- se uma reação desse tipo: Proteína + H2O aminoácido 1 + aminoácido 2 + ... O que marca a transição de “vivo” para “morto”? O que marca a transição do “vivo” para o “morto” é basicamente a perda do metabolismo e a consequente perda da capacidade manter a homeostase. No caso do ser humano, a definição de morte é mais complicada, uma vez que se trata de um organismo pluricelular e nem todas as células morrem necessariamente ao mesmo tempo. Assim, é a morte cerebral que caracteriza a morte do corpo humano. Isso implica na morte de todas as estruturas do encéfalo, principalmente do bulbo, que é o responsável pelo controle de funções vitais involuntárias tais como respiração e ritmo cardíaco. Essa definição clínica de morte nem sempre foi a utilizada, uma vez que critérios como parada cardíaca e parada respiratória já foram usados para definir a morte. No entanto, o uso de aparelhos como desfibriladores para reversão de parada cardíaca e ventiladores artificiais para garantir a respiração de pacientes com parada respiratória possibilitou essa mudança nos parâmetros para “vida” e “morte”. NÍQUEL NÁUSEA – Fernando Gonsales 4. Os seres vivos respondem a estímulos, através de irritabilidade e movimentos A irritabilidade é a capacidade de responder a estímulos do meio e é uma característica própria de seres vivos. As plantas, por exemplo, apesar de não possuírem nervos ou músculos não se encontram alheias ao que ocorre no mundo à sua volta, sendo capazes de captar certos estímulos e apresentar uma resposta, graças ao fenômeno conhecido como irritabilidade. A flor do girassol, por exemplo, movimenta-se sempre em direção a fontes de luz. Raízes e caules crescem respectivamente em direção ao centro da Terra e em direção da luz. Algumas plantas fecham suas folhas em contato com algum corpo ou mesmo o vento. Desta forma, a resposta a estímulos em organismos vegetais acontece na forma de movimentos. Nos animais, a expressão do fenômeno da irritabilidade chega ao máximo, graças ao desenvolvimento de sistemas fisiológicos como o nervoso e o endócrino. Aparece então uma forma mais complexa de se responder aos estímulos, à qual se dá o nome de sensibilidade. Enquanto a irritabilidade limita-se a captar estímulos e respondê-los, a sensibilidade capta os estímulos, interpreta os mesmos e oferece uma resposta adequada de acordo com a natureza do estímulo. Assim, organismos sem células nervosas, que não são dotados de sensibilidade, oferecem sempre a mesma resposta para o mesmo estímulo, enquanto que organismos com células nervosas, dotados de sensibilidade, podem oferecer respostas diferentes para um mesmo estímulo, de acordo com a situação. A resposta, por sua vez, também se torna bem mais elaborada, devido ao advento de um sistema muscular, às vezes músculo-esquelético.Este último permite a locomoção do indivíduo, fazendo com que a correta interpretação de determinados estímulos o conduza a fontes de alimentos ou o afaste de algum perigo. A locomoção se diferencia do simples movimento porque implica num deslocamento por forças próprias. Todo ser vivo apresenta movimento. Mesmo os vegetais apresentam movimentos como os tropismos, que estão 4 Simétrico Pré-Universitário – Curso de Biologia – Prof. Landim – www.simetrico.com.br 4 relacionados ao seu crescimento. Além disso, os vegetais apresentam movimento microscópico, dentro de suas células. Nem todo ser vivo, entretanto, apresenta a capacidade de locomoção, restrita a organismos providos de estruturas como pseudópodes, cílios, flagelos e/ou células musculares. 5. Os seres vivos crescem e se desenvolvem Crescimento e desenvolvimento são processos pelos quais, por exemplo, uma única célula viva, o ovo fertilizado, se torna uma árvore, um elefante, ou uma criança. O crescimento apresentado pelos corpos brutos acontece simplesmente pela aposição de mais matéria à sua estrutura, portanto, "de fora para dentro". O crescimento em seres vivos dá-se devido à obtenção e incorporação de matéria por meios diversos relacionados ao metabolismo do indivíduo, envolvendo processos energéticos, sendo um crescimento chamado de intuscepção, normalmente caracterizado como "de dentro para fora". Fala-se em hipertrofia quando o crescimento se dá por aumento no volume celular. Fala-se em hiperplasia quando o crescimento se dá por aumento na quantidade de células. Em vegetais, há predomínio do crescimento por hipertrofia. Nos animais, há predomínio do crescimento por hiperplasia, apesar de tecidos como nervoso e muscular estriado só poderem crescer por hipertrofia no adulto. O desenvolvimento, entretanto, é um processo exclusivo de seres vivos. Para que a referida célula-ovo origine uma árvore, ela precisa passar por processos de divisão celular e diferenciação (onde a diferenciação é um processo pelo qual um grupo de células origina outro com características distintas), que são o que caracterizam o desenvolvimento, um aumento de complexidade. 6. Os seres vivos se reproduzem O fato que talvez tenha marcado a transição entre o vivo e o não vivo nos primórdios do aparecimento da vida provavelmente foi o desenvolvimento da capacidade de reprodução. A partir do momento que os primeiros sistemas de matéria orgânica conseguiram manter-se num meio isolado do ambiente que os rodeava e conseguiram gerar cópias fiéis de si mesmos, começou a se caracterizar a vida como nós a conhecemos. Isto, como sabemos, foi possível graças ao aparecimento de moléculas conhecidas como ácidos nucleicos, através da molécula de DNA, capaz de armazenar todas as informações inerentes ao ser vivo e de se autoduplicar, passando adiante tais informações. Reprodução assexuada Na reprodução assexuada, os organismos criam cópias idênticas a si (não há variabilidade genética, ou seja, o material genético da prole é idêntico ao do organismo parental). A vantagem desse processo reprodutivo está no fato de os descendentes (clones) guardarem as mesmas qualidades dos genitores (matrizes), além de não necessitar de parceiros para a reprodução e muitas vezes ser rápida e capaz de gerar grande quantidade de descendentes. Por outro lado, a desvantagem desse processo está no fato de os descendentes guardarem também as mesmas qualidades negativas dos genitores. Para ambientes estáveis, a reprodução assexuada se mostra positiva, uma vez que as matrizes (e consequentemente seus descendentes) já devem estar bem adaptadas ao meio. Para ambientes em mudança, a reprodução assexuada se mostra problemática, pois as matrizes (e seus descendentes) provavelmente estavam bem adaptados ao meio antes da mudança, mas não estarão tão bem adaptados ao ambiente mudado. Em lavouras, onde se tenta conseguir o máximo de produtividade dos vegetais plantados, a utilização de reprodução assexuada para formação de novas mudas é bastante vantajosa, pois a partir de uma planta de grande produtividade pode-se produzir toda uma população de plantas idênticas com alta produtividade também. Entretanto, as plantas geradas por reprodução assexuada guardariam todas as vulnerabilidades da planta matriz. Mesmo na reprodução assexuada, erros em mecanismos de replicação do material genético, denominados mutações, podem levar ao surgimento de variabilidade genética, com surgimento de novas características. Entretanto, em condições ideais, tais erros não ocorreriam e a variabilidade genética seria completamente inexistente em mecanismos de divisão celular do tipo mitose, base para o processo de reprodução assexuada. Alguns tipos de reprodução assexuada Mecanismos de reprodução assexuada ocorrem em organismos de todos os grupos de seres vivos, sendo exemplos: - bipartição ou divisão binária (termo usado para uni ou pluricelulares) ou cissiparidade (termo usado para unicelulares somente) em vários grupos, como bactérias, protozoários, algas, fungos e hidras; - esporulação em vários grupos, como bactérias, protozoários, algas e fungos; - brotamento ou gemiparidade em esponjas, corais, hidras e fungos; - gemulação, um tipo de brotamento exclusivo de esponjas de água doce; - regeneração ou fragmentação na maioria dos animais invertebrados; - laceração em planárias; - estrobilização em cnidários; - esquizogênese em anelídeos poliquetos; - propagação vegetativa natural e produção artificial de mudas em vegetais (por processos como estaquia, mergulhia, alporquia ou enxertia). Reprodução sexuada Na reprodução sexuada, os organismos criam geram descendentes com ligeiras diferenças em relação ao organismo parental (há variabilidade genética, ou seja, o material genético da prole é diferente do organismo parental ou dos organismos parentais). Esta variabilidade é a base para a adaptação dos seres 5 Simétrico Pré-Universitário – Curso de Biologia – Prof. Landim – www.simetrico.com.br 5 a novos ambientes, uma vez que a variabilidade pode gerar descendentes adaptados às novas características ambientais. A variabilidade genética na reprodução sexuada envolve alterações programadas no material genético da prole às custas de um processo especial de divisão celular denominado meiose, em fenômenos conhecidos como segregação independente dos cromossomos homólogos e crossing-over, que permitem a geração de grande quantidade de células sexuais geneticamente diferentes. A recombinação genética é ampliada pela mistura de material genético em mecanismos de fecundação, mesmo entre gametas de um mesmo indivíduo (autofecundação), sendo maximizada em processos de fecundação entre gametas de indivíduos distintos (fecundação cruzada) que resulta numa população com grande capacidade de adaptação a variações ambientais. Na fecundação, a fusão de gametas haploides origina um zigoto diploide que dará origem ao novo organismo. Processos de parassexualidade, onde há reprodução sexuada sem a ocorrência de gametas, também são caracterizados como recombinação gênica, como a conjugação (troca de material genético através de pontes de citoplasma) em bactérias, protozoários e algas, a transformação bacteriana e a transdução bacteriana são também considerados mecanismos de reprodução sexuada, apesar de não envolverem gametas ou fecundação. NÍQUEL NÁUSEA – Fernando Gonsales E aí, quais são os tipos de reprodução nas tirinhas? 7. Os seres vivos são adaptados ao meio em que vivem As características apresentadas por um ser vivo refletem algumas das características do ambiente em que vivem. Desta maneira, há uma perfeita interação entre o organismo e o ambiente que lhe é natural. Esta interação é tal, que, em algumas ocasiões, pode se fazer especulações a respeito do ambiente em que um ser vive devido a suas característicasanátomo- fisiológicas. Assim, ao observarmos um urso polar, analisando suas reservas de gordura (para proteção contra o frio), sua cor branca (para poder camuflar-se na neve e caçar com mais sucesso) e seus pelos na sola das patas (para não derrapar no gelo), podemos chegar à conclusão de que este é um animal que vive em regiões polares. O termo adaptação pode ser analisado em Biologia segundo dois aspectos, a adaptação individual e a adaptação evolutiva. - Adaptação individual: A adaptação individual não está relacionada ao material genético de maneira transmissível, isto é, não é hereditária. Por exemplo, diante de exposição prolongada ao sol, aumenta a produção de melanina para proteger contra os prejudiciais raios ultravioletas do sol. Um outro exemplo é a policitemia fisiológica, um aumento no número de hemácias na corrente sanguínea de indivíduos em ambientes pouco oxigenados, como grandes altitudes onde o oxigênio é rarefeito, para compensar esta pequena quantidade de oxigênio atmosférico, garantindo a atividade respiratória celular normal. Ambas as situações são reversíveis quando cessado o estímulo e não são transmissíveis hereditariamente. - Adaptação evolutiva: A adaptação evolutiva é dependente do fenômeno de variabilidade genética e é hereditária. Algumas características da reprodução e do material genético desempenham papel fundamental na manutenção desta adaptabilidade. Como já dito, a reprodução trata de gerar indivíduos muito semelhantes aos genitores graças à informação presente no DNA deste indivíduo. Isto leva os indivíduos gerados a manterem as características que lhes levaram à adaptação. Por outro lado, o material genético garante a presença de certa variabilidade nos descendentes em relação aos genitores. Esta variação poderia levar a um estado de melhor ou pior adaptação ao meio. Como os organismos que habitam um meio encontram- se normalmente muito bem adaptados a ele, é muito pouco provável que venha a aparecer dentro desta variação algum aspecto benéfico. Apesar disso, esta variação pode tornar-se benéfica por ocasião de alguma mudança no ambiente, fazendo com que haja a possibilidade de adaptação a um novo meio. Como os ecossistemas são dinâmicos, a variação e a adaptação tornam-se vitais para a sobrevivência de qualquer espécie. Não é interessante que uma população seja formada por clones, ou seja, réplicas idênticas genéticas uns dos outros, por mais que estejam bem adaptados ao meio. Esta situação de aparente adaptação é dependente das condições do meio. Uma população de clones geneticamente adaptados a uma condição pode ser eliminada como um todo caso as condições ambientais Apostila 2015 Biologia 1 formatada vestc
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