As teorias para o surgimento das primeiras células

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As teorias para o surgimento das primeiras células - e da vida na Terra
Como a vida começou? Talvez não haja uma pergunta mais complexa do que essa. Durante grande parte da História, quase todos os povos acreditaram, em algum momento, que a resposta estava ligada a deuses e religião.
No entanto, durante o último século cientistas tentaram solucionar esse mistério e tentaram até mesmo recriar o momento do Gênesis em seus laboratórios. Até agora ninguém foi capaz de conseguir isso, mas muitos avanços foram alcançados. Hoje, grande parte dos cientistas que estudam a origem da vida está confiante de que eles estão no caminho certo - e alguns deles têm experimentos para comprovar suas teorias. A vida é velha. Os dinossauros são talvez as criaturas extintas mais famosas, e eles tiveram sua origem há 250 milhões de anos. No entanto, a vida na Terra começou muito antes. Em agosto de 2016 pesquisadores descobriram micróbios fossilizados há 3.7 bilhões de anos. A Terra não é muito mais velha do que isso, tendo sido formada há 4.5 bilhões de anos.
Se partirmos do princípio de que a vida teve origem na Terra, então isso deve ter acontecido entre os bilhões de anos entre a formação do planeta e a preservação dos fósseis mais antigos já descobertos. Assim como podemos limitar um espaço de tempo de quando isso ocorreu, também há informações para tentarmos adivinhar de que forma a vida apareceu pela primeira vez. Desde o século 19, biólogos sabem que todos os seres vivos são compostos por células. As células foram descobertas no século 17, mas demorou mais de um século para que alguém percebesse que elas eram a base de todo tipo de vida. 
As primeiras experiências
Antes dos anos 1880, a maioria das pessoas acreditava no "vitalismo", um conceito que defendia a ideia de que todos os seres vivos eram dotados de uma propriedade mágica que os diferenciava de objetos inanimados. Mas no começo dos anos 1880 cientistas descobriram diversas substâncias que pareciam ser únicas à vida, como a ureia. A descoberta, no entanto, ainda era compatível com o vitalismo, já que apenas seres vivos eram capazes de criar essa substância. Em 1828, porém, o químico alemão Friedrich Wöhler descobriu uma maneira de criar ureia a partir de cianato de amônio, substância que não tinha conexão óbvia com seres vivos. Em 1859 houve o maior avanço científico do século 19: a teoria da evolução, de Charles Darwin, que explicava como poderíamos ter surgido de um único antepassado em comum - no entanto, a teoria nada dizia sobre como o primeiro organismo surgiu. Darwin especulou, em 1871, sobre o que aconteceria caso uma quantidade pequena de água, cheia de compostos orgânicos simples, fosse banhada pela luz do sol. Talvez alguns desses compostos poderiam fazer combinações para formar uma substância com características semelhantes à vida, como uma proteína, e poderiam evoluir para se tornar algo mais complexo. Era uma ideia inicial que se tornaria base para a primeira hipótese de como a vida começou.
Em 1924, o cientista soviético Alexander Oparin publicou seu livro A Origem da Vida, no qual argumentava que as moléculas centrais para a vida teriam surgido na água. Cinco anos depois, o biólogo inglês J. B. S. Haldane propôs teorias semelhantes e a ideia de que a vida surgiu pela primeira vez a partir de uma espécie de "sopa" com ingredientes orgânicos e químicos ficou conhecida como a Hipótese Oparin-Haldane. A hipótese, porém, não contava com nenhuma evidência experimental que a comprovasse. Foi só em 1952 que o cientista Stanley Miller deu início ao mais famoso experimento já feito sobre a origem da vida: ele conectou uma série de frascos de vidro pelos quais circulavam quatro compostos químicos que estariam presentes no começo da Terra: água fervendo, gás hidrogênio, amônia e metano.
Na mistura formada, ele encontrou dois aminoácidos: glicina e alanina. Aminoácidos são comumente descritos como os blocos fundamentais para se construir a vida.
A grande polarização
No começo dos anos 50 cientistas começaram a explorar a possibilidade de que a vida teria sido criada de maneira espontânea e natural no início da Terra. Nessa época, muitas moléculas biológicas já eram conhecidas, entre elas o ácido desoxirribonucleico, ou "DNA". Além de carregar nossos genes, o DNA diz às células como fazer proteínas. Esse processo, no entanto, é extremamente intrincado e o DNA carrega informações tão preciosas que as células preferem mantê-lo seguro e copiar essas informações para moléculas curtas de outra substância chamada ácido ribonucleico, ou RNA. O RNA é semelhante ao DNA, mas em vez de duplo filamento, tem filamento simples.
Em 1968 o químico britânico Leslie Orgel sugeriu que a primeira forma de vida não tinha proteínas ou DNA. Em vez disso, essa forma de vida era composta quase que completamente por RNA. Ao sugerir que a vida começou com RNA, Orgel propôs que um aspecto crucial da vida - a sua habilidade de se reproduzir - aparecia antes de qualquer outro aspecto. Mas há outras características da vida que são igualmente essenciais. A mais óbvia delas é o metabolismo: a habilidade de extrair energia do nosso meio e utilizá-la para nos mantermos vivos. Para muitos biólogos, o metabolismo seria a característica definitiva e original da vida. 
A busca pelo primeiro replicante
Em 1986 o cientista Walter Gilbert, da Universidade Harvard, sugeriu que a vida começou no "Mundo RNA". Segundo ele, o primeiro estágio da evolução consistia de "moléculas de RNA realizando as atividades catalíticas necessárias para se organizarem em uma sopa de nucleotídeo". No entanto, nos 30 anos após Gilbert ter proposto sua teoria ainda não há provas irrefutáveis de que o RNA consiga fazer tudo o que a teoria demanda dele.
Uma dúvida que se destaca é que se a vida começou com uma molécula de RNA, o RNA deveria ser capaz de fazer cópias dele mesmo. Mas nenhuma forma de RNA consegue se auto-replicar. Nem o DNA consegue isso. 
A potência dos prótons
Nós nos mantemos vivos ao nos alimentarmos. Esse processo é chamado de metabolismo: primeiro você obtém energia para depois utilizá-la. Esse processo é tão essencial que muitos pesquisadores acreditam que ele pode ter sido a primeira coisa que a vida fez. Nos anos 1980 o químico Günter Wächtershäuser propôs que os primeiros organismos eram "drasticamente diferentes de qualquer coisa que nós conhecemos". Segundo ele, eles não eram feitos de células, não tinham enzimas, DNA ou RNA. Wächtershäuser imaginou um ciclo metabólico como um ponto de virada: um processo no qual uma substância química é convertida em uma série de outras substâncias até que, eventualmente, a substância original é criada novamente. No processo, o sistema inteiro absorve energia, que pode ser utilizada para reiniciar o ciclo.
Todos os outros componentes de organismos modernos, como o DNA, células e cérebro, teriam vindo depois, construídos com base nesses ciclos químicos. O processo de obtenção de energia por organismos também chamou a atenção do bioquímico Peter Mitchel, que passou sua carreira estudando o que é feito com a energia recebida de alimentos. Ele sabia que todas as células armazenam sua energia na mesma molécula: o trifosfato de adenosina (ATP). Mitchell queria saber como as células produziam o ATP. Ele também sabia que a enzima que produz o ATP fica em uma membrana, então ele sugeriu que a célula estava bombeando partículas carregadas - "prótons" - através da membrana, então havia muitos prótons de um lado e quase nenhum do outro.
Os prótons tentariam então fluir de volta através da membrana para deixar o número de prótons equilibrado em cada um dos lados - mas o único lugar pelo qual eles conseguiam passar era a enzima. O fluxo de prótons passando deu à enzima a energia necessária para fazer o ATP. Mitchell apresentou sua ideia em 1961 e hoje nós sabemos que o processo identificado por ele é utilizado por todos os seres vivos. Assim como o DNA, ele é fundamental para a vida. Usando essa descoberta como base, o geólogo Mike Russell seguiu
a lógica e propôs que a vida deve ter sido formada em algum lugar com um gradiente de prótons natural, algo parecido a um respiradouro hidrotérmico.
Em 2000, Deborah Kelley, da Universidade de Washington, descobriu os primeiros respiradouros alcalinos no meio do Oceano Atlântico, onde a crosta terrestre está sendo dividida e uma crista de montanhas está surgindo no fundo do mar.
Nessa crista, Kelley descobriu um campo de respiradores hidrotérmicos que ela chamou de "A Cidade Perdida", que abriga densas comunidades de microorganismos.
Esses respiradores deram força à ideia de Russell e ele ficou convencido de que respiradouros parecidos seriam o local onde a vida começou. Em 2003 ele se juntou ao biólogo William Martin para tentar dar substância à sua teoria Os respiradouros encontrados por Kelley eram porosos e cada um desses poros continha substâncias químicas. Combinando esses poros com o gradiente de prótons natural, esse seria um local ideal para o metabolismo ser formado. Uma vez que a vida tivesse acumulado energia química da água, segundo Russell e Martin, ela começava a criar moléculas como o RNA. Eventualmente, ela teria criado sua própria membrana e se transformado em uma célula real, escapando das paredes rochosas e porosas do respiradouro seguindo rumo ao oceano. Essa hipótese é considerada uma das principais para a origem da vida.
Como fazer uma célula
Todos os seres vivos na Terra são feitos de células. O objetivo de uma célula é manter no mesmo lugar todas as substâncias essenciais para a vida. A parede da célula é tão essencial que muitos pesquisadores argumentam que esta deve ter sido a primeira característica a ser formada. A teoria tem como seu principal defensor Pier Luigi Luisi, da Universidade Roma Tre, em Roma, na Itália. A teoria de Luisi é simples: como você poderia criar um metabolismo que funciona ou um RNA auto-replicante sem ter um recipiente para manter todas as moléculas juntas? De alguma maneira, no calor e nas tempestades do início da Terra, alguns materiais devem ter se juntado em células brutas, ou "protocélulas".
Em 1994, Luisi sugeriu que as primeiras protocélulas deveriam ter RNA e esse RNA teria sido capaz de se replicar dentro da protocélula. Jack Szostak, cientista da Escola de Medicina de Harvard que pesquisa o RNA, apoiou a ideia de Luisi.
Em 2001 os dois argumentaram, em um artigo na revista "Nature", que seria possível fazer células vivas do zero ao hospedar RNAs replicantes dentro de uma bolha oleosa. Eles começaram a testar a ideia com protocélulas e eventualmente conseguiram fazer com que elas crescessem. A dúvida agora era se essas protocélulas também poderiam se reproduzir e, em 2009, Szostak e um aluno conseguiram criar uma protocélula longa o bastante que, sob pressão, se despedaçava em dezenas de pequenas protocélulas descendentes. Em 2013, Szostak e uma aluna conseguiram realizar o que Luisi propôs em 1994: fazer com que a replicação e a compartimentalização acontecessem quase que simultaneamente. Esse feito inspiraria uma nova abordagem unificada para encontrar a origem da vida, que tenta provar que todas as funções da vida foram criadas ao mesmo tempo.
A grande unificação
John Sutherland, do Laboratório de Biologia Molecular de Cambridge, no Reino Unido, apoia a ideia de que todos os componentes da vida teriam sido formados ao mesmo tempo. Sutherland acredita que se conseguir fazer uma mistura de componentes suficientemente complicada, todos os componentes da vida podem se formar ao mesmo tempo e, depois, se unirem. Mas ainda há um problema que nem Sutherland nem Szostak conseguiram solucionar. O primeiro organismo vivo deve ter algum tipo de metabolismo, já que desde o começo a vida precisaria conseguir energia para sobreviver. "As origens do metabolismo devem estar lá de alguma maneira", disse Szostak. "A fonte de energia química será a grande questão agora."
Experimentos Clássicos: DNA como material genético
BNCC Ciencias:
Experimentos por Frederick Griffith, Oswald Avery e seus colegas, e Alfred Hershey e Martha Chase.
Introdução
Nosso entendimento do papel do DNA na hereditariedade nos leva a uma variedade de aplicações práticas, incluindo análises forenses, testes de paternidade e mapeamento genético. Graças a essas várias utilidades, atualmente muitas pessoas conhecem o conceito de DNA.Pode até parecer surpreendente, mas menos de um século atrás, nem mesmo os membros da comunidade científica mais bem educados sabiam que o DNA era nosso material genético. Neste artigo examinaremos alguns experimentos clássicos que levaram à identificação do DNA como o portador da informação genética.
Proteína x DNA
O trabalho de Gregor Mendel mostrou que características (como a coloração da flor em plantas de ervilha) não eram herdadas diretamente, mas ao invés, eram especificadas por genes que passam dos pais para a prole. O trabalho de outros cientistas por volta do século 20, incluindo Theodor Boveri, Walter Sutton e Thomas Hunt Morgan, estabeleceram que os fatores hereditários de Mendel eram, provavelmente, transmitidos pelos cromossomos. Cientistas inicialmente pensaram que as proteínas, que são encontradas em cromossomos ao longo do DNA, seriam as componentes do tão procurado material genético. Proteínas eram conhecidas por suas sequências diversas de aminoácidos, enquanto se pensava que o DNA era um polímero entediante e repetitivo, devido, em parte, a um modelo incorreto (mas popular) de sua estrutura e composição.
Hoje, sabemos que o DNA na verdade não é repetitivo e pode carregar grandes quantidades de informação, como discutido mais profundamente no artigo sobre a descoberta da estrutura do DNA. Mas como os cientistas inicialmente perceberam que o "entediante" DNA talvez pudesse ser o material genético?
Frederick Griffith: transformação bacteriana
Em 1928, o bacteriologista britânico Frederick Griffith conduziu uma série de experimentos usando a bactéria Streptococcus pneumoniae e ratos. Griffith não estava tentando identificar o material genético, mas, sim, criar uma vacina contra a pneumonia. Em seus experimentos, Griffith usou duas cepas relacionadas de bactéria, conhecidas como R e S.
Cepa R. Quando cultivadas em placa de Petri, a bactéria R forma colônias ou aglomerados de bactérias relacionadas, que têm bordas bem definidas e aparência rugosa (daí a sigla "R"). As bactérias R são avirulentas, significando que não causam doenças quando injetadas em ratos.
Diagrama ilustrando o experimento de Frederick Griffith com bactérias S e R.
Linhagem rugosa (não-patogênica). Quando esse tipo é injetado no rato, o rato vive.
Linhagem suave (patogênica). Quando esse tipo é injetado no rato, o rato pega pneumonia e morre.
Linhagem suave morta por calor. Quando células suaves mortas por calor são injetadas no rato, o rato vive.
Linhagem rugosa e linhagem suave morta por calor. Quando esses dois tipos de células são injetados no rato de forma misturada, o rato adquire pneumonia e morre.
Cepa S A bactéria S formou colônias arredondadas e suaves (daí a sigla "S"). A aparência suave se dá por conta de um polissacarídeo ou uma capa a base de açúcar produzida pela bactéria. Essa capa protegeu a bactéria S do sistema imune do rato, fazendo-as virulentos (capazes de causar doenças). Ratos em que foram injetadas bactérias S vivas desenvolveram pneumonia e morreram.
Como parte de seus experimentos, Griffith tentou injetar ratos com bactérias S mortas por calor (isso é, bactérias que haviam sido aquecidas a altas temperaturas, causando a morte das células). Sem surpresas, a bactéria S morta pelo calor não causou doença nos ratos.
Os experimentos tiveram um resultado inesperado, contudo, quando bactérias R inofensivas foram combinadas com bactérias S mortas por calor e injetadas em um rato. Não só o rato contraiu pneumonia e morreu, mas quando Griffith retirou uma amostra de sangue do rato morto, ele encontrou bactérias S vivas!
Griffith concluiu que as
bactérias da cepa R teriam adquirido o que ele chamou de "princípio transformante" da bactéria S morta por calor, permitindo que elas se "transformassem" em bactérias S, tornando-se virulentas.
Avery, MacLeod e McCarty: Identificando o princípio transformante
Em 1944, três pesquisadores, canadenses e americanos, Oswald Avery, Maclyn McCarty, e Colin MacLeod, dispuseram-se a identificar o "princípio transformante" de Griffith. Para tanto, eles começaram com grandes culturas de células S inativadas por calor e, através de uma longa série de etapas bioquímicas (determinadas por experimentação cuidadosa), purificaram progressivamente o princípio transformante através de lavagens, separação, ou destruição enzimática dos outros componentes celulares. Por este método, eles foram capazes de obter pequenas quantidades de princípio transformante altamente purificado, que eles puderam então analisar através de outros testes para determinar sua identidade.
Várias linhas de evidência sugeriram a Avery e seus colegas que o princípio transformante poderia ser DNA:
A substância purificada apresentou resultados negativos em testes químicos conhecidos para detectar proteínas, mas um resultado fortemente positivo em um teste químico conhecido para detectar DNA.
A composição dos elementos do princípio transformante purificado assemelhava-se muito a DNA em suas proporções de nitrogênio e fósforo.
Enzimas que degradam proteínas e RNA tinha pouco efeito sobre o princípio transformante, mas enzimas capazes de degradar DNA eliminavam a atividade transformante.
Todos estes resultados apontavam para DNA como o provável princípio transformante. Contudo, Avery foi cauteloso na interpretação de seus resultados. Ele percebeu que era possível que alguma substância contaminante presente em pequenas quantidades, não DNA, fosse o verdadeiro princípio transformante. Por causa desta possibilidade, o debate acerca da função do DNA continuou até 1952, quando Alfred Hershey e Martha Chase usaram uma abordagem diferente para conclusivamente identificar o DNA como o material genético.
Os Experimentos de Hershey-Chase
Em seus agora lendários experimentos, Hershey e Chase estudaram bacteriófagos, ou vírus que atacam bactérias. Os fagos que usaram era simples partículas compostas de proteína e DNA, com as estruturas externas feitas de proteína e o núcleo interno consistindo de DNA. Hershey e Chase sabiam que os fagos prendiam-se à superfície de uma célula bacteriana hospedeira e injetavam alguma substância (DNA ou proteína) no hospedeiro. Esta substância dava "instruções" que faziam a bactéria hospedeira iniciar a produção de muitos e muitos fagos - em outras palavras, era o material genético do fago. Antes do experimento, Hershey pensou que o material genético se provaria ser proteína.
Para estabelecer se o fago injetava DNA ou proteína no interior da bactéria hospedeira, Hershey e Chase prepararam dois diferentes lotes de fagos. Em cada lote, os fagos eram produzidos na presença de elemento radiativo específico, que era incorporado nas macromoléculas (DNA e proteínas) sintetizadas pelos fagos.
Uma amostra foi produzida na presença de um isótopo radioativo do enxofre. O enxofre é encontrado em muitas proteínas e está ausente do DNA, assim somente as proteínas dos fagos eram radioativamente marcadas por esse tratamento.
A outra amostra foi produzida na presença de um isótopo radioativo de fósforo. O fósforo é encontrado no DNA mas não em proteínas, então só o DNA do fago (e não as proteínas do fago) estava marcado radioativamente por este procedimento.
Cada lote de fagos era usado para infectar uma cultura diferente de bactérias. Após a infecção, cada cultura era turbilhonada em um liquidificador, removendo qualquer fago remanescente e partes de fagos externas às células bacterianas. Finalmente, as culturas eram centrifugadas a alta velocidade, para separar as bactérias dos resíduos de fagos.
A centrifugação faz o material mais pesado, tais como bactérias, moverem-se para o fundo do tubo e formarem um amontoado chamado sedimentado. O material mais leve, tais como o meio (caldo) usado para o crescimento de culturas, junto com fagos e partes de fagos, permanecem próximo à parte de cima do tubo e forma uma camada líquida chamada de sobrenadante.
Um lote de fago foi marcado com 35S, que foi incorporado à cápsula proteica. Outro lote foi marcado com 32P, que foi incorporado ao DNA.
As bactérias foram infectadas com os fagos.
As culturas foram misturadas e centrifugadas para separar o fago da bactéria.
A radioatividade foi medida no grumo e no líquido (sobrenadante) de cada experimento. O 32P foi encontrado no grumo (dentro as bactérias), enquanto que o 35S foi encontrado no sobrenadante (fora das bactérias)
Quando Hershey e Chase mediram a radioatividade no sedimentado e no sobrenadante para ambos os experimentos, eles encontraram que uma grande quantidade de P apareceu no material sedimentado, enquanto quase todo o S apareceu no sobrenadante. Com base neste e em experimentos similares, Hershey e Chase concluíram que o DNA, não a proteína, era injetado nas células hospedeiras e compunham o material genético dos fagos.