EVOLUÇÃO QUÍMICA GRADUAL

Na década de 50, Stanley Miller demonstrou, em um experimento simples, que compostos orgânicos tais como aminoácidos, ácidos hidroxílicos, aldeídos e hidrocianeto poderiam ser espontaneamente formados a partir de uma mistura de amônia, metano, hidrogênio e vapor de água que fosse aquecida e sujeita a descargas elétricas. As moléculas simples forneceriam os átomos necessários à composição das moléculas ao passo que o calor e as descargas elétricas seriam responsáveis pela energia necessária para estabelecimento das ligações químicas. Nesta hipótese, os elementos básicos para existência de vida na forma como a concebemos (carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio) estariam disponíveis na própria atmosfera. Segundo esta teoria, a origem das moléculas orgânicas é abiótica.

Neste cenário, a evolução molecular e a transição para a vida requereram um papel preponderante da molécula de RNA, em um modelo conhecido como “mundo do RNA”. Assim, nem DNA nem proteínas foram os elementos responsáveis pelo salto da evolução, e sim a molécula de RNA, que possivelmente cumpriu simultaneamente os papéis de “primeiro gene” e “primeira enzima”. Esta linha de pensamento é corroborada pelos seguintes fatos:
a) desde a década de 80 são conhecidos RNAs com poder catalítico, também chamados ribozimas
b) diversos vírus (eg. família Retroviridae) possuem RNA como material genético. Desta forma, o sistema de codificação das informações no DNA seria posterior ao RNA.

Este modelo propõe que a informação necessária para o surgimento da vida teria se estabelecido em etapas:
1 – criação da sopa pre-biótica rica em compostos orgânicos produzidos naturalmente a partir dos elementos inorgânicos da atmosfera
2 – produção de pequenas moléculas de RNA, com seqüências aleatórias
3 – surgimento de moléculas catalíticas de RNA e replicação seletiva
4 – síntese de peptídeos específicos catalisada por RNAs – algumas moléculas de RNA seriam “específicas” para conectar aminoácidos e formar cadeias peptídicas maiores.
5 – incremento do papel funcional dos peptídeos na replicação de RNA, com co-evolução de RNA e proteínas em um sistema de seleção química por atividade funcional
6 – desenvolvimento de sistemas simples de tradução, possivelmente baseado em associação de RNA e proteínas
7 – formação de moléculas de DNA a partir do RNA, possivelmente com catalise mediada por uma molécula de RNA
8 – estabelecimento do DNA como material informacional

O recente  relato (2009) da síntese de novo de pirimidinas revela uma nova perspectiva para a demonstração do surgimento da molécula de DNA e, consequentemente, da vida. A maior dificuldade, nessa hipótese, é a de aceitar que uma evolução química gradual (e casual) das moléculas presentes nos mares tenha sido responsável pelo surgimento de uma estrutura tão complexa e específica como um organismo vivo, mesmo que primitivo. Biólogos costumam rebater o argumento da seguinte forma: o aparecimento da vida dessa maneira é realmente um evento de muito baixa probabilidade; no entanto, em termos estatísticos, devido ao tempo muito longo disponível, o número de "tentativas" químicas foi praticamente infinito. Assim, o fenômeno da vida acabaria fatalmente ocorrendo, sendo apenas uma questão de se esperar o suficiente. O princípio seria o mesmo daquilo que ocorre quando se objetiva sortear uma única bola vermelha de um saco com um milhão de bolas, todas as demais pretas: se o número de tentativas for suficientemente grande, acabaremos conseguindo sortear a bola que nos interessa.

Assumindo, então, este processo gradual e ao acaso, no ambiente da sopa primordial, rica mistura de compostos orgânicos das mais variadas estruturas químicas, surgiram as primeiras formas de vida quimiotróficas. O salto evolutivo seria associado ao surgimento dos primeiros pigmentos, capazes de capturar energia da luz e fixar carbono em moléculas orgânicas. Surge, então, o autotrofismo. Supõe-se que o doador de elétrons primário tenha sido o H2S, e que o sistema tenha evoluído para o uso da água, com liberação de oxigênio. Estes processos iniciais surgiram em um ambiente com pouco oxigênio molecular, sendo, então, basicamente processos anaeróbios. O aumento da concentração de oxigênio na atmosfera representou outro salto evolutivo, já que o O2 é um potente oxidante e um veneno letal para os anaeróbios. Além disso, o rendimento energético da oxidação total de compostos orgânicos é bastante superior ao da oxidação parcial.

Os detalhes do curso evolutivo no planeta não podem ser deduzidos somente a partir de registros fósseis, que são escassos. Entretanto, através de comparações morfológicas e bioquímicas entre os organismos atuais, uma seqüência de eventos consistente com as evidências fósseis pode ser sugerida.

Para o surgimento dos eucariotos, 3 mudanças teriam sido necessárias:
1 – surgimento de um sistema de empacotamento de DNA, compatível com o grau de expansão em comprimento da molécula
2 – compartimentalização do DNA, separando os processos de síntese de RNA da produção de proteínas
3 – associação endosimbionte que capacitou as células eucariontes primitivas a realizar o metabolismo aeróbio (mitocôndria) e a fotossíntese (cloroplasto). O modelo de teoria endosimbionte sugere que o primeiro evento de associação foi entre a célula eucarionte ancestral e bactérias aeróbias, constituindo células eucariontes aeróbias. A partir daí, a associação com cianobactérias fotossintéticas permitiu o aparecimento de células eucariontes aeróbias fotossintéticas.

Temporalizando:
4.500.000.000 – surgimento da Terra
4.000.000.000 – surgimento dos oceanos
3.500.000.000 – surgimento das bactérias fotossintéticas sulfurosas
3.000.000.000 – surgimento das bactérias fotossintéticas produtoras de O2
2.500.000.000 – surgimento das bactérias aeróbias
2.200.000.000 – atmosfera rica em O2 começa a ser formada
1.500.000.000 – surgimento dos primeiros eucariotos
1.200.000.000 – primeiras associações endosimbióticas
900.000.000 – surgimento de algas verdes e algas vermelhas
400.000.000 – diversificação dos organismos multicelulares eucariontes

Lehninger. Princípios da Bioquímica. Ed. Elsevier. 2007.

TERMOS DE SISTEMÁTICA FILOGENÉTICA

Caracteres homólogos: Dois caracteres, em organismos diferentes, são homólogos, quando eles derivam de um mesmo caráter no ancestral comum imediato desses organismos. Assim, o braço de um primata e a perna dianteira de um cavalo são homólogos porque derivam do membro anterior da espécie ancestral imediata desses animais.

Caracteres homoplásticos: São caracteres semelhantes, em organismos diferentes, mas que não derivam de um mesmo caráter da espécies ancestral comum imediata desses organismos. Assim, asas de aves de asas de morcegos, embora semelhantes, não são caracteres homólogos, porque não derivam da asa da espécie ancestral comum imediata desses animais (que não tinha asas, mas membros anteriores ambulatórios*).

Monofilético são grupos de espécies que apresentam um ancestral comum exclusivo.

Polifiléticos são grupos de espécies que descendem de ancestrais diferentes.

Parafilético é o grupo de descendentes de um ancestral comum em que estão incluídos vários descendentes desse ancestral mas não todos eles.

Caracteres plesiomórficos (ou plesiomorfias): Seriam aqueles caracteres originados antes da origem do grupo em estudo. Assim, por exemplo, a coluna vertebral é uma plesimorfia de mamíferos, já que ela se originou muito antes da origem desses animais, estando presente, também, em todos os demais vertebrados.

Plesiomorfias:  são características primitivas. Ex.: a ausência de coluna vertebral nos vertebrados é uma característica plesiomórfica, enquanto que a presença é uma característica apomórfica.

Simplesiomorfias: São características plesiomorficas compartilhadas por dois ou mais grupos. Ex.: A presença de cinco dedos nos humanos e nos lagartos é uma característica simplesiomórfica, pois é compartilhada por ambos e por seus antepassados.

Caracteres apomórficos (ou apomorfias): Seriam aqueles caracteres originados após a origem do grupo em estudo. Apomorfias são frequentemente chamadas, também, de caracteres derivados. As apomorfias podem receber nomes distintos, quando elas se originam em momentos especiais da evolução do grupo em estudo. Desta forma, temos:

• Caráter sinapomórfico (ou sinapomorfia): São aquelas apomorfias que se originaram na primeira espécie do grupo em estudo (aquela que deu origem a todas as demais). Assim, as glândulas mamárias são uma sinapomorfia de mamíferos, tendo se originado na primeira espécie de mamíferos, da qual todas as demais espécies do grupo a herdaram.

• Caráter autapomórfico (ou autapomorfia): São aquelas apomorfias originadas em uma espécie terminal de um grupo. Assim, na filogenia dos felídeos, o gato doméstico, a jaguatirica, a onça e o leão seriam exemplos de espécies terminais e a juba, uma característica exclusiva do leão, seria uma autapomorfia desta espécie.

Apomorfias: características atuais que são derivadas de características primitivas de uma espécie ancestral.

Sinapomorfias: o prefixo "sin" indica que uma determinada apomorfia é compartilhada por um determinado  grupo. Ex.: as mamas nos mamíferos.

Autapomorfias nada mais é do que uma apomorfia, ou seja um caracter atual presente em apenas um táxon dentro de um grande agrupamento. Ex.: asas nos morcegos. A existência de asa é compartilhada entre os morcegos (autapomorfia) mas, não entre os morcegos e os mamíferos, apesar dele ser um mamífero.