A Importância da Diversidade Microbiana

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Disciplina: Microbiologia e Imunologia
Aula 2: A importância da diversidade microbiana para o
planeta
Apresentação
Nesta aula, os eventos que deram origem ao planeta serão o ponto de partida para conhecer a evolução dos
primeirosmodelos de células. Mesmo não sendo possível obter um modelo fidedigno dessa era, os estudos de
sequenciamento de RNA ribossômico sugerem que o último ancestral comum (designado pela sigla LUCA - last universal
common ancestor) era um procarionte anaeróbio de ambiente marinho.
Em referência aos estudos genômicos, apresentaremos as principais teorias e divergências evolutivas que deram origem
aos três domínios de vida e nos fizeram constatar que, no planeta, todos os seres vivos possuem células, material genético
para replicação e um metabolismo próprio para manutenção das reações químicas. Além disso, hoje sabemos que todos
possuem ancestrais com os mesmos genes básicos, em especial o sistema de membrana para geração de ATP.
Os conhecimentos adquiridos com os domínios archaea, bacteria e eukarya e a recente participação dos vírus como agentes
propulsores da evolução ampliam as funções dos estudos em microbiologia nos campos ambiental, industrial e clínico.
Objetivos
Apresentar a origem do planeta e o último ancestral comum (LUCA);
Definir as principais características de bactéria e eukarya;
Analisar as origens dos primeiros seres aeróbios e dos vírus no planeta.
As origens da vida na Terra
A origem da Terra data de
4,5
bilhões de anos
Inúmeros estudos que explicam a origem do planeta descrevem que tudo começou a partir de uma poeira nebulosa e dos gases
liberados por uma estrela supernova originada a partir da explosão de uma estrela antiga. O sol teve origem no centro dessa
nuvem: compactado, ele libertaria enorme quantidade de luz e energia através de fissão nuclear.
Os materiais que permaneceram nessa nuvem começaram a se agregar graças às inúmeras colisões e também à própria
atração gravitacional, aumentando, assim, o volume original dos planetas do sistema solar. Na Terra, a energia liberada durante
esse processo transformou inicialmente o planeta em uma massa de magma extremamente quente, que ainda receberia massas
vindas do espaço. Esse ambiente inóspito deve ter durado 500 milhões de anos.
Para muitos, o nosso planeta deveria se chamar água devido à abundância de rios,
mares e oceanos vistos em imagens de satélites.
Mas como surgiu a água na Terra?
As colisões de cometas e asteroides glaciais com os gases vulcânicos vindos do interior do planeta geraram, conforme o
esperado, muitos vapores, mas esse fenômeno constante acabou gerando um esfriamento da superfície terrestre.
Depois de um longo período, finalmente a condensação desse vapor d´água transformou o acúmulo de água em dois oceanos
primitivos, algo em torno de 4,4 a 4,3 bilhões de anos.
Essas evidências começaram a surgir a partir de estudos com microfósseis encontrados no Canadá e na Austrália. Rochas com
idades entre 3,5 e 3,7 bilhões de anos contêm formações microbianas denominadas estromatólitos . Para garantir que se trata
de microfósseis, são procurados nessas rochas traços das seguintes matérias orgânicas preservadas:
Grafite
Carbonato
Apatita
1
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 Microfósseis analisados em rochas no Canadá explicam a origem da vida no planeta. | Fonte: National Geographic <https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/actualidad/indicios-
vida-microbiana-unas-rocas-australia-hace-3480-millones-anos_11497> / CNN <https://edition.cnn.com/videos/world/2017/03/01/earths-oldest-fossils.cnn>
https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/actualidad/indicios-vida-microbiana-unas-rocas-australia-hace-3480-millones-anos_11497
https://edition.cnn.com/videos/world/2017/03/01/earths-oldest-fossils.cnn
Fonte: Pixabay
Fonte: Pixabay
Primeira hipótese
O início da vida no planeta ocorreu no leito do fundo dos oceanos, em fendas bem abaixo da superfície recobertas com ferro e
outros compostos catalíticos localizados em fontes hidrotermais. Em contato com as águas frias dos oceanos, essas superfícies
formaram precipitados que funcionariam como catalisadores para a formação de ligações. Essas ligações originaram:
Aminoácidos
Peptídeos simples
Açúcares
Bases nigtrogenadas
2
Atenção
Segundo estudos na área, graças ao aparecimento de fosfatos, foram formados os nucleotídeos e, em seguida, o RNA, cuja
atividade enzimática é a ribozima. O mundo definitivamente começou com RNA. Uma das hipóteses é que o primeiro esboço de
células teria sido formado com montmorillonita, um tipo de argila bem comum na Terra primitiva. Isso deu origem a vesículas que
aumentariam de tamanho incorporando o RNA e outros compostos.
Segunda hipótese
Sugere que a primeira célula autorreplicante teria surgido nas bacias marinhas mais rasas a partir de um caldo primordial rico em
compostos orgânicos e inorgânicos.
A única dúvida para atestar essa hipótese é que a superfície da Terra nesse período era constantemente bombardeada por
meteoros, apresentando muitas flutuações na temperatura com essas tempestades. Como esse ambiente poderia manter o
modelo de célula?
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MAS COMO SERIA ESSA BACTÉRIA PRIMITIVA?
 Fonte: Wikipedia <https://cs.wikipedia.org/wiki/Sinice#/media/File:Nostoc.jpg>
Inicialmente, você precisa saber que o oxigênio surgiu no planeta somente depois da evolução da fotossíntese oxigênica
(fotossíntese formadora de oxigênio) com as cianobactérias . Portanto, o metabolismo seria totalmente anaeróbio, sem a
participação de oxigênio.
Os cientistas acreditam que essa célula (LUCA) teria surgido há 4,25 bilhões de anos nos ventos quentes hidrotermais do
nordeste do Oceano Pacífico  como uma célula anaeróbica e autótrofa . Ela dependia de hidrogênio, dióxido de carbono (CO2) e
nitrogênio para formar compostos orgânicos, como amônia.
3
4
Teoria LUCA
Em 1984, o biólogo evolucionista Jim Lake (Universidade da Califórnia,
em Los Angeles) propôs uma árvore de dois domínios.
Ela começou com LUCA para depois se ramificar em bactéria e archea.
Mais adiante, surgiriam as eukaryotas.
Décadas depois, essa teoria ganhou força pelas mãos do biologista
molecular William Martin, da Universidade de Newcastle, no Reino Unido.
O dois biólogos publicaram na Nature Microbiology em 2016 um estudo
do sequenciamento de genes em arqueas presentes nos ventos termais
marítimos cujas condições de vida estariam mais próximas da ancestral
LUCA .5 
 Sistema de classificação em três domínios.
Antes de falar de cada componente, vamos entender os dois tipos de célula?
Tipos de células
https://cs.wikipedia.org/wiki/Sinice#/media/File:Nostoc.jpg
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http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0070/aula2.html
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 Estruturas presentes em uma célula procariota e eucariota. / Fonte: Wikipedia <https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_(biology)#/media/File:Celltypes.svg>
Eucariota
Mais complexo e evoluído, ele surgiu depois do procarioto.
Uma de suas principais características é uma região
denominada núcleo, onde está o DNA, uma molécula linear
bem maior e mais complexa do que em procariotos. Possui
várias funções específicas comandadas por organelas.
Exemplo: mitocôndrias e cloroplastos.
Modelos de eucarioto:
Algas;
Fungos;
Protistas;
Plantas;
Animais.
Procariota 
Ser vivo estruturalmente mais simples, pois não possui
organelas com membranas.
O material genético é processado diretamente no citoplasma;
portanto, a replicação e a síntese de RNA e de proteínas
ocorrem no mesmo local .
O seu DNA é um cromossomo pequeno, condensado e circular
chamado nucleoide. Vários procariotos possuem um DNA
extracromossomial denominado plasmídeo. Eles utilizam a
membrana plasmática para gerar energia.
Modelos de procarioto:
Bactéria;
Arquea.
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https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_(biology)#/media/File:Celltypes.svg
http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0070/aula2.htmlhttp://estacio.webaula.com.br/cursos/go0070/aula2.html
 Fonte: Freepik <https://www.freepik.com/free-photo/3d-abstract-medical-background-with-virus-cells-dna-strands_4007390.htm>
Domínios eukarya, bactéria e archaea
Na evolução do planeta, os eucariotos surgiram há 2 bilhões de anos depois do aumento do oxigênio no planeta com o
surgimento de micro-organismos aeróbios. Esse surgimento ocorreu pela incorporação de uma bactéria que realizava o
metabolismo aeróbio, dando origem à mitocôndria nas células animais. Nas plantas, houve a endossimbiose de uma
cianobactéria fotossintética.
8
Comentário
A prova disso é que tanto a mitocôndria como o cloroplasto possuem DNA circular próprio e ribossomos. São provas indiscutíveis
de que eles foram seres vivos. O mais interessante é que alguns antibióticos que atuam em bactérias livres acabam atacando
também a mitocôndria.
Em resumo, todos os seres eucariotos surgiram no planeta de uma célula quimera:
combinação de célula com característica de bactéria e archaea.
Vamos ver agora quais são essas características:
Bactéria
https://www.freepik.com/free-photo/3d-abstract-medical-background-with-virus-cells-dna-strands_4007390.htm
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 Fonte: Freepik <https://pixabay.com/pt/illustrations/bact%C3%A9rias-m%C3%A9dica-biologia-sa%C3%BAde-3662695/>
Em destaque, há a presença de uma estrutura externa formada por carboidratos e peptídeos denominada parede celular.
https://pixabay.com/pt/illustrations/bact%C3%A9rias-m%C3%A9dica-biologia-sa%C3%BAde-3662695/
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Há nas mais variadas formas:
Distribuição 
Outro tipo de agrupamento dependendo do gênero e da espécie.
Organização 
Provém de compostos produzidos por organismos vivos ou mortos, embora bactérias também produzam a sua fonte de
energia (fotossintéticas).
Nutrição 
Ocorre por divisão de uma célula em duas iguais (fissão binária).
Reprodução 
Este domínio agrupa 16 filos de acordo com:
Tipo de fonte de carbono;
Tipo de energia;
Faixa de pH ótima para crescimento;
Temperatura.
Filos 
De todos os seus filos, destacam-se as proteobactérias, bactérias com uma enorme diversidade morfológica e metabólica.
Muitas proteobactérias possuem importância médica: exemplares dos gêneros entérica, Escherichia, Salmonella e
Enterobacter estão associados a infecções intestinais bacterianas. A mitocôndria – lembre-se da endossimbiose - surgiu a
partir de uma proteobactéria, especificamente de um tipo semelhante à atual Riquétsia (bactéria parasita intracelular).
Incluem-se também nesse filo bactérias importantes do solo, como Azotobacter (fixadoras de nitrogênio) e Nitrosomonas
(oxidam amônia).
 Salmonella, exemplo de proteobactéria | Fonte: Wikipedia <https://pt.wikipedia.org/wiki/Salmonella#/media/File:SalmonellaNIAID.jpg>
Gram-negativas 
Agrupam bactérias dos gêneros Staphylococcus, Streptococcus, Mycobacterium e Clostridium. Elas são responsáveis por:
Infecções de pele;
Orofaringe;
Tuberculose;
Tétano;
Outras infecções.
Gram-positivas 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Salmonella#/media/File:SalmonellaNIAID.jpg
Comentário
Os filos cianobactérias e proclorófitas são responsáveis pela síntese de oxigênio na Terra. Já bactérias hipertermófilas de
ramificação precoce são capazes de crescer em temperaturas de 90°C.
Archaea
 Fonte: Wikipedia <https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteria#/media/File:EscherichiaColi_NIAID.jpg>
https://en.wikipedia.org/wiki/Bacteria#/media/File:EscherichiaColi_NIAID.jpg
Bactéria altamente especializada em resistir a temperaturas altas ou muito baixas nos ambientes com concentrações elevadas
de sal e valores extremos de pH. Sua capacidade de adaptação evita a desnaturação das suas proteínas e impede o rompimento
celular.
As bactérias hipertermófilas estão localizadas em fontes
termais ricas em enxofre e fendas termais de águas
profundas.
9
Exemplo
Pyrococcus furiosus (uma hipertermófila do filo Euryarchaeota) possui a temperatura ótima de crescimento em 100°C. Já o filo
Crenarchaeota contém arqueas que vivem tanto em água fervente como em ponto de congelamento, embora a maioria
permaneça em ambientes com temperaturas de 80°C.
 Águas termais são locais abundantes para arqueas resistentes a altas temperaturas. |
Fonte: Wikipedia
<https://en.wikipedia.org/wiki/Archaea#/media/File:Grand_prismatic_spring.jpg>
Eukarya
 Fonte: Pixabay <https://pixabay.com/pt/illustrations/v%C3%ADrus-microsc%C3%B3pio-infec%C3%A7%C3%A3o-doen%C3%A7a-4030721/>
Possui enorme diversidade de organismos. Sua relação filogenética foi construída com base no RNA ribossômico (rRNA), que, em
eucariotos, é altamente conservado e mantém relações com os outros domínios. O registro filogenético do domínio eukarya data
de 2 bilhões de anos, quando ocorreu o maior acúmulo de oxigênio na atmosfera e a camada de ozônio permitiu o aumento do
número de habitats  disponíveis para a colonização.
Nas últimas décadas, os estudos de ecologia microbiana molecular evidenciaram que a maioria dos micro-organismos presentes
em um habitat jamais foi cultivado. A evolução de técnicas de identificação de sequências genômicas permite criar chips de 1 a 2
centímetros disponíveis para análise de amostras de DNA de vários organismos. Esses microarranjos se compõem, na verdade,
de 5.000 a 6.000 genes que podem hibridizar com amostras-teste e verificar a presença de determinado gene.
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https://en.wikipedia.org/wiki/Archaea#/media/File:Grand_prismatic_spring.jpg
https://pixabay.com/pt/illustrations/v%C3%ADrus-microsc%C3%B3pio-infec%C3%A7%C3%A3o-doen%C3%A7a-4030721/
 Árvore filogenética do domínio Eukarya. | Fonte: Wikipedia <https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81rvore_filogen%C3%A9tica#/media/File:Phylogenetic_tree_pt.svg>
Vamos ver alguns desses:
 Fungo aquático | Fonte: Wikipedia
<https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Young_Aquatic_fungus_champignonAquatique_%C3%A0_lamelles_Moyenne-
De%C3%BBle_2015_05_34_F.Lamiot.jpg>
Algas e fungos
Coletivamente, os eucariotos microbianos – produtores
primários - são chamados de protistas. Alguns são
fototróficos , como as algas, que contêm cloroplastos e
vivem em ambientes com poucos minerais.
Já os fungos, que não possuem pigmentos
fotossintetizadores , apresentam-se como unicelulares ou
filamentosos.
10
11
Atenção
As algas e os fungos possuem parede celular; os protozoários, não. Móveis e flagelados, os protozoários surgiram em uma
ramificação precoce na árvore Eukarya. Eles vivem em ambientes aquáticos - e vários são patógenos para o homem e outros
animais.
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https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%81rvore_filogen%C3%A9tica#/media/File:Phylogenetic_tree_pt.svg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Young_Aquatic_fungus_champignonAquatique_%C3%A0_lamelles_Moyenne-De%C3%BBle_2015_05_34_F.Lamiot.jpg
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http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0070/aula2.html
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 Physarum psittacinum. | Fonte: Wikipedia
<https://en.wikipedia.org/wiki/Physarum#/media/File:Physarum_psittacinum124.jpg>
Bolores ou mofos limosos
Trata-se de outra informação importante em termos de
evolução. Eles foram os primeiros protistas a se agruparem
para cooperação celular num esboço de estruturas
multicelulares.
Suas células se reúnem, formando uma estrutura multicelular
chamada de corpo de frutificação. Os esporos saem a partir
desse corpo.
 Líquen sobre um tronco de árvore. | Fonte: Wikipedia
<https://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquen#/media/File:Parasita_na_arvore_050806_REFON_2.jpg>
Liquens
Estruturas formadas por fungos associados a outros
organismos.
De aparência semelhante a folhas, os liquens crescem sobre
rochas, folhas e árvores.
Atuam em mutualismo com outros seres fototróficos, como
algas ou cianobactérias (produtores primários). Esses seres
dão a cor ao líquen por possuírem compostos carotenoides.
Já o fungo confere proteçãoao sistema.
 Vírus | Fonte: Pixabay <https://pixabay.com/pt/illustrations/v%C3%ADrus-
microsc%C3%B3pio-infec%C3%A7%C3%A3o-doen%C3%A7a-1812092/>
Vírus
Muitos autores excluem a apresentação dos vírus nesta grupo,
mas todos os seres vivos são parasitados por eles. Segundo
essa ótica, devemos entender e aceitar a sua participação.
https://en.wikipedia.org/wiki/Physarum#/media/File:Physarum_psittacinum124.jpg
https://pt.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquen#/media/File:Parasita_na_arvore_050806_REFON_2.jpg
https://pixabay.com/pt/illustrations/v%C3%ADrus-microsc%C3%B3pio-infec%C3%A7%C3%A3o-doen%C3%A7a-1812092/
Mas, a�nal, qual é a origem dos vírus no planeta?
Apesar de haver uma certa lógica em sua exclusão da evolução dos domínios – vírus não são considerados formas de vida . E
isso é o ponto de saída da virologia molecular para estudar os traços evolutivos dos vírus.
Há três hipóteses para a origem dos vírus:
Progressiva ou escape: Os vírus surgiram de elementos genéticos que ganharam capacidade de se mover entre células;
Regressiva ou de redução: Os vírus são remanescentes de organismos celulares, hipótese ilustrada com exemplares
grandes, como o Mimivirus  e o vírus da varíola humana;
Coevolução dos vírus com os seus hospedeiros naturais;
Duas hipóteses (progressiva e regressiva) afirmam que os vírus surgiram depois das células. Será mesmo? Não tenha certeza
disso. Alguns estudos genéticos têm mostrado que os vírus existiram em um mundo pré-celular como unidades de
autorreplicação e que eram mais complexos e organizados. Como já aprendemos que existiram moléculas de RNA com atividade
enzimática no mundo pré-celular, talvez essas moléculas tivessem a capacidade de infectar as primeiras células.
13
14
Comentário
Em 2001, Takemura e seus colaboradores estudaram a pressão evolutiva dos vírus nas células procariotas. Os estudiosos
afirmaram que vírus grandes de genoma DNA entraram em células procariotas por um evento de endossimbiose, tornando-se
permanentes na célula e impulsionando a formação de um núcleo primitivo.
Independentemente das teorias, a virologia é um campo de estudos fascinante que nos faz cada vez mais acreditar que o
conceito simplista de vírus como entidade parasitária não corresponde ao seu papel no planeta.
Atividade
1. Caracterize metabolicamente o último ancestral comum (LUCA).
2. Assinale as opções que representam os três domínios de vida:
a) Procarioto, Bactéria e Eucarioto
b) Eukarya, Batéria e Archeae
c) Eucarioto, Archeae e Procarioto
d) Bactéria, Eucarya e Procarioto
3. Qual a hipótese para a formação de uma organela geradora de energia?
http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0070/aula2.html
http://estacio.webaula.com.br/cursos/go0070/aula2.html
4. Qual a hipótese para o aparecimento dos vírus no planeta?
Notas
Estromatólitos 1
Massas microbianas fossilizadas.
Precipitados 2
Contendo magnésio, sulfetos de ferro e níquel.
Cianobactérias 3
Trata-se, portanto, de células - e isso nos faz compreender que não foram as cianobactérias os primeiros seres vivos como até
então se supunha.
Autótrofa 4
Seres vivos que produzem seu próprio alimento.
Ancestral Luca 5
Em resumo, eles chegaram a identificar 355 genes ancestrais, mostrando que bactérias e arqueas são derivadas
filogeneticamente da LUCA e que, depois, surgiu um novo ramo, de onde derivavam os eucariotos.
Procariota 6
Procarioto vem de uma palavra grega que significa pré-núcleo.
Mesmo local 7
Diferentemente dos eucariotos, onde a replicação e a transcrição acontecem no núcleo e a tradução, no citoplasma.
Incorporação 8
Um processo chamado de endossimbiose.
Hipertermó�las 9
Organismo que sobrevive em temperaturas extremamente altas, acima de 60°C.
Fototró�cos 10
Utilizam a luz para as suas necessidades energéticas.
Fotossintetizadores 11
A importância deles na reciclagem de matéria orgânica é significativa: fungos, que se nutrem de matéria em decomposição,são
os principais agentes de biodegradação na natureza.
Patógenos 12
Organismos capazes de causar doenças em seu hospedeiro.
Vida 13
Vírus comportam-se como tal dentro de células durante a replicação do seu genoma.
Mimivirus 14
O Mimivirus é um vírus gigante, volumoso, com genoma de 1,2 milhão de pares de base e que não demonstra ser totalmente
dependente da célula hospedeira para se replicar. Alguns virologistas afirmam que ele seria um descendente de ancestrais mais
complexos.
 Mimivirus, vírus de genoma DNA cujo ancestral foi responsável pela pressão evolutiva de células eucariotas. | Fonte: Wikipedia
<https://en.wikipedia.org/wiki/Mimivirus#/media/File:Mimivirus_svg.svg>
Referências
CARDOSO, A. M. et al. Archaea: potencial biotecnológico. In: Revista biotecnologia ciência e desenvolvimento. n. 30. jan./jun.
2003. Acesso em: https://www.arca.fiocruz.br/bitstream/icict/12137/2/Biotec%20Cienc%20Desenv_30.pdf. Acesso em: 20 fev.
2019.
JEREW, B. Synthetic fuel from carbon dioxide by tweaking 'Pyrococcus Furiosus' bacteria. In: The green optimistic. 28 mar. 2013.
Disponível em: https://www.greenoptimistic.com/synthetic-fuel-pyrococcus-furiosus-20130328/#.XG1IROhKgdV. Acesso em: 20
fev. 2019.
WEISS, M. C. et al. The physiology and habitat of the last universal common ancestor. In: Nature microbiology. v. 1. 25 jul. 2016.
Disponível em: https://www.nature.com/articles/nmicrobiol2016116. Acesso em: 20 fev. 2019.
WESSNER, D. R. The origins of viruses. In: Nature education. v. 3. n. 9. Disponível em:
https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origins-of-viruses-14398218. Acesso em: 20 fev. 2019.
Próxima aula
Formas das células procariotas nos vários ambientes do planeta;
Bases fisiológicas das estruturas de procariotos;
Vírus e morfologia viral.
Explore mais
Estudos da origem da vida no planeta – microfósseis <http://www.enigmasdouniverso.com/cientistas-encontraram-
evidencias-mais-antigas-de-vida-na-terra-na-australia/>
https://en.wikipedia.org/wiki/Mimivirus#/media/File:Mimivirus_svg.svg
http://www.enigmasdouniverso.com/cientistas-encontraram-evidencias-mais-antigas-de-vida-na-terra-na-australia/
evidencias mais antigas de vida na terra na australia/>
Paramecium caudatum  <https://www.youtube.com/watch?v=jctNl30Cv_I>
http://www.enigmasdouniverso.com/cientistas-encontraram-evidencias-mais-antigas-de-vida-na-terra-na-australia/
https://www.youtube.com/watch?v=jctNl30Cv_I