BIOLOGIA– EVOLUÇÃO-PROFESSOR MARCIO BIOLOGIA MARCELO J # ESTUDO DA EVOLUÇÃO – EM BUSCA DAS ORIGENS # I. CONCEITO: des, constituindo um ciclo ativo de chuvas que acompanhadas por inúmeras descargas elétricas (raios). eram É o capítulo da Biologia que estuda a origem das espécies e as transformações que os seres vivos sofreram através dos tempos. II. ORIGEM DA VIDA: Mais aceita atualmente, a hipótese heterotrófica que de acordo com as condições da terra primitiva, a vida surgiu a partir de uma lenta evolução química da matéria bruta para a matéria viva, sendo os primeiros seres vivos extremamente simples e heterotróficos, Fermentadores. 1. A TERRA PRIMITIVA: Os gases predominantes na atmosfera da terra primitiva não eram os mesmos de agora (N2 e O2). Esses gases seriam principalmente a amônia (NH3), o metano (CH4), o hidrogênio (H2) e o vapor de água (H2O); tais gases teriam se originado das rochas fundidas – quando a superfície do planeta ainda não se encontrava solidificada – e das atividades vulcânicas – que, conforme se sabe, liberaram grandes quantidades de vapor de água e outros gases. 2. AS EXPERIÊNCIAS DE MILLER: Em 1954, o cientista norte-americano Stanley L. Miller construiu um aparelho onde reuniu metano, amônia, hidrogênio e vapor de água, numa tentativa de recriar em laboratório, as condições reinantes na atmosfera primitiva. Os gases primitivos (NH3, CH4, H2 e Vapor de Água) contêm C, N, H e O. Esses elementos são os mais freqüentes constituintes da matéria viva. Daí dizer-se que a atmosfera primitiva continha os “ingredientes” básicos da vida. Miller submeteu os gases, reunidos, a faíscas elétricas de alta intensidade. Depois de algum tempo, observou o acúmulo de substâncias orgânicas numa determinada região do aparelho, entre os quais encontrou vários aminoácidos, que formavam proteínas. A condensação do vapor de água originava chuvas que caiam sobre a crosta quente. Assim, a água evaporava-se rapidamente e novas condensações originavam novas tempesta- 1 BIOLOGIA NO VESTIBULAR – EVOLUÇÃO – Defensores: Francisco Redi, Lazzaro Scallanzani, Louis Pasteur. NOTA: O experimento de Miller demonstrou que moléculas orgânicas (aminoácidos) poderiam ter ser formado as condições da Terra Primitiva, o que reforça a hipótese da evolução gradual dos sistemas químicos. 3. OS COACERVADOS: Segundo esta teoria, os seres vivos surgiram na terra graças a criação divina e permaneceram até os dias atuais fixos e imutáveis. Defensores: Lineu: “As espécies são tantas quanto partiram das mãos do criador”. Cuvier: “As espécies atuais já existiam desde a criação do mundo”. O cientista russo Alexandre Oparin (1894 – 1980) observou que, em água, as proteínas se aglomeram em pequenos grupos que denominou Coacervados (coacervar = reunir). Os coacervados poderiam ter se difundido nos mares primitivos e, ao longo dos séculos, poderiam ir englobando partículas orgânicas e inorgânicas que foram aderindo à eles, de modo a transformá-los, de simples aglomerados protéicos e iniciais, em grandes complexos químicos que abrigavam inúmeras substâncias. Como a atmosfera primitiva era destituída de O 2 e como a respiração aeróbica é um mecanismo bastante sofisticado de extração de energia, portanto, incompatível com a estrutura do coacervado, a hipótese heterotrófica supõe que a energia teria sido obtida através de um processo fermentativo. Afinal, carboidratos poderiam ter sido utilizados como fonte de energia, e certas proteínas presentes nos coacervados poderiam ter se comportado como enzimas, que propiciaram o desenvolvimento da fermentação. Mas a hipótese heterotrófica supõe que os mares puderam sustentar os heterótrofos ao longo de milhões de anos, tempo suficiente para que alguns deles tivessem desenvolvido moléculas capazes de absorver energia luminosa e um equipamento enzimático capaz de promover reações de síntese que culminariam com a transformação de substâncias simples em moléculas orgânicas complexas (alimentos). Assim teriam surgido os primeiros autófrotos que passaram a produzir o alimento necessário à manutenção da vida no planeta. Segundo a hipótese heterotrófica os principais fenômenos bioquímicos conhecidos surgiram na Terra na seguinte sequência: fermentação fotossíntese respiração aeróbica. Admite-se que o CO2, necessário à síntese de alimento promovida pelos primeiros autótrofos, teria se originado da fermentação dos heterótrofos. Com o surgimento dos autótrofos, a Terra passou a conhecer, de forma abundante, um novo gás: O O2. Ao longo de milhões de anos esse gás acumulou-se na atmosfera, propiciando o futuro aparecimento dos seres aeróbicos, formas mais aprimoradas de vida, capazes de extrair energia dos alimentos com rendimento muito superior ao processo fermentativo. 7. TEORIA CRIACIONISTA OU FIXISMO: 8. EVOLUCIONISMO / TEORIA TRANSFORMISTA: A teoria da evolução tenta explicar o mecanismo que propiciou essa imensa variedade dos seres vivos. Basicamente, essa teoria supõe que: Os seres vivos são passíveis de modificações e, portanto, podem sofrer alterações morfofisiológicas ao longo dos tempos; As espécies atualmente conhecidas originaram-se de outras preexistentes; A linha evolutiva se desenvolve no sentido de tornar as espécies cada vez mais aprimoradas e adaptadas no decorrer do processo de ajustamento e sobrevivência às condições existentes em determinado ambiente. NOTA: Erasmus Darwin (avô de Charles Darwin) em seu livro "Zoonomia" já admitia a evolução dos seres vivos, porém não apresentava nenhuma explicação para o mecanismo evolutivo. III. PROVAS E EVIDÊNCIAS DA EVOLUÇÃO: 1. PROVAS PALEONTÓLOGAS: São aquelas que se baseiam no estudo dos fósseis (restos, vestígios ou impressões) de seres que viveram em épocas passadas. 4. PANSPERMIA CÓSMICA: Segundo esta teoria, a terra teria sido “contaminada”, em tempos remotos por microorganismo vindos do espaço, denominados “cosmozoários”. Defensor: Arrhenius. 5. ABIOGÊNESE OU GERAÇÃO ESPONTÂNEA: Segundo esta teoria, a matéria viva (animada) poderia se originar da matéria bruta (inanimada). Defensores: Aristóteles, John Needham, Von Helmont. 6. TEORIA DA BIOGÊNESE: Segundo esta teoria, a matéria viva só poderia se originar de outra matéria viva. 2. PROVAS BIOQUÍMICAS: São aquelas que se baseiam no estudo dos compostos informacionais (ácidos nucléicos e proteínas). 3. PROVAS EMBRIOLÓGICAS: São aquelas que se baseiam na embriologia comparada procurando destacar a grande semelhança existente entre embriões de espécies diferentes, este fato indica a existência de um parentesco evolutivo entre as espécies consideradas. 2 BIOLOGIA NO VESTIBULAR – EVOLUÇÃO – b) ESTRUTURAS ANÁLOGAS: São aquelas que não apresentam a mesma origem embrionária e estruturalmente são bastante diferentes, porém, têm a mesma função. Ex.: Asa das aves + asa das borboletas. NOTA: “A Ontogênese Recapitula a Filogênese.” A Lei Biogenética Fundamental ou Lei da Recapitulação, elaborada no final do século XIX pelo biólogo alemão Ernest Haeckel, afirma que a ontogênese recapitula a filogênese. Isso significa que o desenvolvimento embrionário de um indivíduo (ontogênese) recapitula os estágios evolutivos pelos quais os seus ancestrais passaram (filogênese). O coração humano, por exemplo, exibe: Nos primeiros estágios embrionários apenas duas cavidades, à semelhança dos peixes; Posteriormente passa a apresentar três cavidades, como os anfíbios; Depois, adquire uma complexidade que lembra o coração dos répteis; Finalmente forma quatro cavidades, estágio em que já adquiriu os pulmões plenamente desenvolvidos, além de pêlos no corpo, fatos indicadores de que o embrião atingiu a fase de mamífero. c) ESTRUTURAS VESTIGIAIS: São estruturas geralmente atrofiadas (vestígios) que não tem função aparente no organismo. Isso revela a existência de um parentesco evolutivo entre eles ou a presença de uma “linha de montagem” comum na natureza. Na espécie humana são inúmeros os exemplos de órgãos vestigiais: Apêndice Vermiforme: É uma estrutura bastante reduzida, aparece bem desenvolvido nos herbívoros, onde abriga microorganismos mutualísticos que promovem a digestão da celulose; Osso Cóccix: É um vestígio de cauda observada em outros animais, como o macaco; Prega Semilunar do Ângulo Interno dos Olhos: Constitui um vestígio da membrana nictitante dos anfíbios, répteis e mamíferos; Músculos Auriculares: Desenvolvidos nos cachorros por exemplo; Dentes Caninos: Desenvolvidos nos carnívoros. Etc. 4. PROVAS ANATÔMICAS: São aquelas que se baseiam no estudo das estruturas homólogas, análogas e vestigiais. a) ESTRUTURAS HOMÓLOGAS: São aquelas que apresentam a mesma origem embriológica e estruturalmente são semelhantes, porém, desempenham funções diferentes. Ex.: Braço do homem + pata do cavalo, asa do morcego + nadadeira peitoral das baleias. IV. TEORIAS EVOLUCIONISTAS: 1. LAMARCKISMO (JEAN BAPTISTE LAMARCK): Lamarck publicou dois livros: 1809 – “A filosofia zoológica" 1815 – “A história natural dos animais" 3 BIOLOGIA NO VESTIBULAR – EVOLUÇÃO – Através destas duas obras, Lamarck tentou explicar a evolução dos seres vivos tomando como base a Lei do Uso e Desuso e a Lei da Herança dos Caracteres Adquiridos. a) LEI DO USO E DESUSO: Segundo esta lei, se uma determinada parte do corpo for bastante usada, esta parte deve hipertrofiar-se. Por outro lado, se uma parte do corpo não for usada deve atrofiar-se ou até mesmo desaparecer. Algumas explicações de Lamarck para a lei do uso e desuso: A perna da garça é longa, em decorrência do seu esforço para manter-se com o corpo fora da água; Coelhos teriam orelhas longas em resposta à freqüente solicitação da audição, para perceber a aproximação de predadores; Tamanduás seriam dotados de garras desenvolvidas e língua comprida como resultado do uso freqüente das garras (para escarafunchar os formigueiros) e do esticamento da língua (na captura das formigas). b) LEI DA TRANSMISSÃO DOS CARACTERES ADQUIRIDOS: Segundo esta lei, uma característica adquirida ou perdida durante a vida poderia ser transmitida aos descendentes. América do Sul, algumas ilhas dos mares do Sul, o Brasil e o estreito de Magalhães. Darwin colheu fotos e espécies, principalmente de aves, que lhe deram a base para formular suas idéias sobre a evolução dos seres vivos. NOTAS: Através de seu livro sobre populações, onde afirma que as populações crescem em progressão geométrica, enquanto suas reservas alimentares crescem em progressão aritmética, o economista inglês Thomas Malthus (17661834) influenciou Darwin a respeito da “luta pela vida” na natureza; Darwin também foi influenciado pelo geólogo inglês Charles Lyell onde em seu livro "Princípios de Geologia” afirmava que a terra sofria lentas e graduais modificações em sua estrutura geológica no decorrer dos tempos. Em 1859, trinta anos depois da morte de Lamarck, o naturalista inglês Charles Robert Darwin, expôs em seu livro “A origem das Espécies” suas idéias a respeito do mecanismo de transformação das espécies, que tinha como tema central a Lei da Seleção Natural. a) LEI DA SELEÇÃO NATURAL (LEI DO MAIS FORTE): "Numa população existem indivíduos com variações favoráveis (mais fortes) e indivíduos com variações desfavoráveis (mais fracos). Caso ocorresse uma variação brusca no meio ambiente da espécie, aqueles que apresentassem variações desfavoráveis não conseguiriam sobreviver e teriam dificuldades para deixarem descendentes. Aqueles que apresentassem variações favoráveis conseguiram sobreviver e reproduzir-se deixando maior número de descendentes. Com o passar dos tempos os indivíduos tornar-se-iam tão diferentes da espécie original, que constituiriam uma nova espécie". Assim, as diferenças individuais já existentes entre os indivíduos de uma mesma espécie seriam selecionadas naturalmente pelo meio ambiente. O meio, como fator de seleção, tenderia a: Fixar os indivíduos portadores de variações favoráveis; Eliminar os portadores de variações desfavoráveis. Os princípios básicos das idéias de Darwin podem ser resumidos do seguinte modo: Os indivíduos de uma mesma espécie apresentam variações em todos os caracteres, não sendo, portanto, idênticos entre si. Todo organismo tem grande capacidade de reprodução, produzindo muitos descendentes. Entretanto, apenas alguns dos descendentes chegam à idade adulta. O número de indivíduos de uma espécie é mantido mais ou menos constante ao longo das gerações. Assim, há grande “luta” pela vida entre os descendentes, pois apesar de nascerem muitos indivíduos poucos atingem a maturidade, o que mantém constante o número de indivíduos da espécie. Na “luta” pela vida, os organismos com variações favoráveis às condições do ambiente onde vivem, têm maiores chances de sobreviver, quando comparados aos organismos com variações menos favoráveis. Os organismos com variações vantajosas têm maiores chances de deixarem descendentes. Como há transmissão dos caracteres cromossômicos de pais para filhos, estes apresentam essas variações vantajosas. NOTA: Weismann cruzando camundongos de caudas cortadas por mais de 100 gerações derrubou a Lei dos Caracteres Adquiridos, pois todos os descendentes, em todas as gerações, nasciam de caudas normais. 2. DARWINISMO (CHARLES DARWIN): Darwin nasceu na Inglaterra no dia 12 de fevereiro de 1809. Em dezembro de 1831 partiu da Inglaterra, a bordo do navio Beagle, e retornou em outubro de 1836. Nessa viagem de cinco anos, Darwin percorreu entre outros lugares, a costa oeste da 4 BIOLOGIA NO VESTIBULAR – EVOLUÇÃO – Assim, ao longo das gerações, a atuação da seleção natural sobre os indivíduos mantém ou melhora o grau de adaptação destes ao meio. “O gafanhoto é verde porque vive na grama.” (Lamarck). “O gafanhoto vive na grama porque é verde.” (Darwin). 3. NEO-DARWINISMO OU TEORIA SINTÉTICA DA EVOLUÇÃO: Esta escola constitui uma ampliação das idéias de Darwin: explica as causas das variações nos seres vivos. Apenas no século XX, com o redescobrimento dos trabalhos de Mendel e com o aprofundamento do conceito de gene, foi possível determinar os princípios responsáveis pela variabilidade nos seres vivos: as Mutações (Hugo de Vries) a Recombinação Gênica (crossing-over) que agem na Seleção Natural (Darwin). NOTA1: Darwin não foi completo por não explicar a origem das variações (diferenças) entre os indivíduos de uma mesma espécie. NOTA2: para Lamarck o meio é o causador das variações; para Darwin o meio seleciona as variações. Teoria de Lamarck Duas leis Fundamentais: Lei do Uso e Desuso; Lei da transmissão das características adquiridas. Erro básico dessa teoria: As características adquiridas não são hereditárias. Contribuição de Lamarck para a teoria da evolução: Desenvolvimento do conceito de adaptação dos indivíduos ao meio ambiente. Teoria de Darwin: Seleção Natural: Indivíduos de uma determinada população, apresentam variações favoráveis para a sobrevivência em um ambiente particular, são selecionados positivamente, deixando maior n.º de descendentes que os indivíduos que não as apresentam. Importância da teoria de Darwin: É a base da moderna teoria evolutiva. Problema não resolvido por Darwin: A origem das variações existentes nas populações. O mutacionismo é também chamado de teoria sintética, pois nasceu da síntese das observações sobre os mecanismos de evolução adquiridas posteriormente a Darwin em diversas disciplinas, principalmente na genética e na paleontologia. 5 BIOLOGIA NO VESTIBULAR – EVOLUÇÃO – As mutações e a recombinação gênica são, portanto, as principais causas da variabilidade genética existente nos seres vivos, enquanto a seleção natural “modela” o processo evolutivo, direcionando-o através da “escolha” das variações favoráveis ou adaptativas a um determinado meio. Enquanto as mutações e a recombinação aumentam a variedade genética nos seres vivos, a seleção natural diminui, uma vez que leva à extinção os indivíduos portadores de variações desfavoráveis. 2. CONVERGÊNCIA ADAPTATIVA OU EVOLUÇÃO COMVERGENTE: É o fenômeno evolutivo onde indivíduos de espécies diferentes apresentam semelhanças devido habitarem o mesmo ambiente. As estruturas análogas comprovam a evolução convergente. NOTA: Atualmente esta escola também admite o isolamento geográfico e reprodutivo. V. CONCEITOS FUNDAMENTAIS: 1. IRRADIAÇÃO OU RADIAÇÃO ADAPTATIVA: É o fenômeno evolutivo onde uma espécie origina várias outras espécies. A irradiação é responsável pelo aparecimento das estruturas homólogas. 3. CONCEITOS DE ADAPTAÇÃO: Entende-se por adaptação ao conjunto de características que contribuem para a sobrevivência e reprodução de uma espécie num determinado meio ambiente. Os camelos são capazes de tolerar a escassez de água, podendo perder até 40% de líquido corpóreo, fato que o caracteriza como um animal altamente adaptado a vida desértica. Outro exemplo de adaptação ocorrido entre as mariposas que povoaram a cidade de Manchester, nos meados do século XIX, antes do processo de industrialização da cidade, era marcante o predomínio das mariposas claras em relação as mariposas escuras, pertencentes a espécie Biston betularia. A coloração clara constituía na época uma característica favorável, já que permitia uma melhor camuflagem. Após o processo de Industrialização da cidade, a fuligem das fábricas escureceram o tronco das árvores. Nessa nova situação, as mariposas escuras passaram a camuflar-se melhor e, dentro de algum tempo, constituíam o grupo dominante. 4. ESPECIAÇÃO: É o fenômeno evolutivo onde há formação de novas espécies. Durante a especiação ocorre a formação de raças e subespécies. Tipos de Especiação: a) Especiação Alopátrica: Quando as espécies novas surgem a partir do isolamento geográfico. 6 BIOLOGIA NO VESTIBULAR – EVOLUÇÃO – b) Especiação Simpátrica: Quando as espécies surgem a partir do isolamento reprodutivo. novas NOTA: Geralmente o ponto inicial básico para que ocorra a especiação é o isolamento geográfico. A especiação se efetua quando ocorre o isolamento reprodutivo. 5. RAÇAS OU SUBESPÉCIES: Uma espécie pode apresentar várias populações estabelecidas em áreas diferentes, sofrendo diferentes pressões seletivas. Esse fato pode acarretar o surgimento de espécies incipientes denominadas raças geográficas ou subespécies. Uma característica importante nas raças e que elas são sempre alopátricas (vivem em regiões geográficas diferentes = isolamento geográfico). Quando raças diferentes são colocadas numa região, isto é, quando se tornam simpátricas (vivem na mesma região geográfica = sem isolamento geográfico), elas se fundem, constituindo uma única população. 7