Vida

Definições

A definição de vida tem sido um desafio para cientistas e filósofos. Isso ocorre em parte porque a vida é um processo, não uma substância. Isso é complicado pela falta de conhecimento das características das entidades vivas, se houver, que possam ter se desenvolvido fora da Terra. Definições filosóficas de vida também foram apresentadas, com dificuldades semelhantes sobre como distinguir as coisas vivas da não-vida. As definições legais de vida também foram descritas e debatidas, embora elas geralmente se concentrem na decisão de declarar um morto humano e nas ramificações legais dessa decisão. Até 123 definições de vida foram compiladas. Uma definição parece ser favorecida pela NASA: "Um sistema químico auto-sustentável capaz de evolução darwiniana". Mais simplesmente, a vida é "matéria que pode se reproduzir e evoluir à medida que a sobrevivência determina".

Biologia

Como não há definição inequívoca de vida, a maioria das definições atuais em biologia é descritiva. A vida é considerada uma característica de algo que preserva, promove ou reforça sua existência no ambiente determinado. Essa característica exibe todas ou a maioria das seguintes características:

Homeostasis: regulation of the internal environment to maintain a constant state; for example, sweating to reduce temperatureOrganization: being structurally composed of one or more cells – the basic units of lifeMetabolism: transformation of energy by converting chemicals and energy into cellular components (anabolism) and decomposing organic matter (catabolism). Living things require energy to maintain internal organization (homeostasis) and to produce the other phenomena associated with life.Growth: maintenance of a higher rate of anabolism than catabolism. A growing organism increases in size in all of its parts, rather than simply accumulating matter.Adaptation: the ability to change over time in response to the environment. This ability is fundamental to the process of evolution and is determined by the organism's heredity, diet, and external factors.Response to stimuli: a response can take many forms, from the contraction of a unicellular organism to external chemicals, to complex reactions involving all the senses of multicellular organisms. A response is often expressed by motion; for example, the leaves of a plant turning toward the sun (phototropism), and chemotaxis.Reproduction: the ability to produce new individual organisms, either asexually from a single parent organism or sexually from two parent organisms.

Esses processos complexos, chamados funções fisiológicas, têm bases físicas e químicas subjacentes, bem como mecanismos de sinalização e controle que são essenciais para manter a vida.

Alternative definitions

Do ponto de vista da física, os seres vivos são sistemas termodinâmicos com uma estrutura molecular organizada que pode se reproduzir e evoluir à medida que a sobrevivência determina. Termodinamicamente, a vida foi descrita como um sistema aberto que faz uso de gradientes em seu ambiente para criar cópias imperfeitas de si mesma. Outra maneira de colocar isso é definir a vida como "um sistema químico auto-sustentado capaz de passar por evolução darwiniana", uma definição adotada por um comitê da NASA tentando definir a vida para fins de exobiologia, com base em uma sugestão de Carl Sagan. Uma grande força dessa definição é que ela distingue a vida pelo processo evolutivo, e não por sua composição química.

Outros tomam um ponto de vista sistêmico que não depende necessariamente da química molecular. Uma definição sistêmica de vida é que os seres vivos são auto-organizados e autopoiéticos (autoproducedores). As variações dessa definição incluem a definição de Stuart Kauffman como agente autônomo ou um sistema multi-agente capaz de se reproduzir ou a si mesmos e de concluir pelo menos um ciclo de trabalho termodinâmico. Essa definição é estendida pela aparição de novas funções ao longo do tempo.

Viruses

Se os vírus devem ou não ser considerados vivos são controversos. Eles são mais frequentemente considerados como replicadores de codificação de genes, em vez de formas de vida. Eles foram descritos como "organismos à beira da vida" porque possuem genes, evoluem pela seleção natural e se replicam fazendo várias cópias de si mesmas através da auto-montagem. No entanto, os vírus não metabolizam e exigem uma célula hospedeira para fabricar novos produtos. A auto-montagem do vírus nas células hospedeiras tem implicações para o estudo da origem da vida, pois pode apoiar a hipótese de que a vida poderia ter começado como moléculas orgânicas auto-montadas.

Biofísica

Para refletir os fenômenos mínimos necessários, outras definições biológicas de vida foram propostas, com muitos deles baseados em sistemas químicos. Os biofísicos comentaram que as coisas vivas funcionam na entropia negativa. Em outras palavras, os processos de vida podem ser vistos como um atraso da difusão espontânea ou dispersão da energia interna das moléculas biológicas em direção a mais microestados em potencial. Em mais detalhes, de acordo com físicos como John Bernal, Erwin Schrödinger, Eugene Wigner e John Avery, a vida é membro da classe de fenômenos que são sistemas abertos ou contínuos capazes de diminuir sua entropia interna à custa de substâncias ou livres energia obtida do ambiente e subsequentemente rejeitada de forma degradada. O surgimento e a crescente popularidade da biomimética ou da biomimética (o design e a produção de materiais, estruturas e sistemas que são modelados em entidades e processos biológicos) provavelmente redefinirão a fronteira entre a vida natural e artificial.

Teorias dos sistemas vivos

Os sistemas vivos são seres vivos de auto-organização abertos que interagem com seu ambiente. Esses sistemas são mantidos por fluxos de informação, energia e matéria.

Budisa, Kubyshkin e Schmidt definiram a vida celular como uma unidade organizacional que repousa em quatro pilares/pedras angulares: (i) energia, (ii) metabolismo, (iii) informação e (iv). Esse sistema é capaz de regular e controlar o metabolismo e o fornecimento de energia e contém pelo menos um subsistema que funciona como transportadora de informações (informações genéticas). As células como unidades auto-sustentáveis ​​são partes de diferentes populações envolvidas no processo aberto unidirecional e irreversível, conhecido como evolução.

Alguns cientistas propuseram nas últimas décadas que uma teoria geral dos sistemas vivos é necessária para explicar a natureza da vida. Essa teoria geral surgiria das ciências ecológicas e biológicas e tentaria mapear os princípios gerais de como todos os sistemas vivos funcionam. Em vez de examinar os fenômenos tentando dividir as coisas em componentes, uma teoria geral dos sistemas vivos explora fenômenos em termos de padrões dinâmicos das relações dos organismos com seu ambiente.

Gaia hypothesis

A idéia de que a Terra está viva é encontrada na filosofia e na religião, mas a primeira discussão científica foi do cientista escocês James Hutton. Em 1785, ele afirmou que a Terra era um superorganismo e que seu estudo adequado deveria ser fisiologia. Hutton é considerado o pai da geologia, mas sua idéia de uma terra viva foi esquecida no intenso reducionismo do século XIX. A hipótese de Gaia, proposta na década de 1960 pelo cientista James Lovelock, sugere que a vida na Terra funciona como um único organismo que define e mantém as condições ambientais necessárias para sua sobrevivência. Essa hipótese serviu como uma das fundações da ciência moderna do sistema terrestre.

Nonfractionability

Robert Rosen dedicou grande parte de sua carreira, a partir de 1958, ao desenvolvimento de uma teoria abrangente da vida como um sistema complexo auto-organizado, "fechado a causação eficiente", ele definiu um componente do sistema como "uma unidade de organização; uma parte com a parte com uma função, isto é, uma relação definitiva entre parte e todo. " Ele identificou a "não -fascabilidade dos componentes em um organismo" como a diferença fundamental entre os sistemas vivos e as "máquinas biológicas". Ele resumiu seus pontos de vista na própria vida do livro. Idéias semelhantes podem ser encontradas nos sistemas vivos do livro de James Grier Miller.

Life as a property of ecosystems

Uma visão de sistemas da vida trata os fluxos ambientais e os fluxos biológicos como uma "reciprocidade de influência", e uma relação recíproca com o ambiente é sem dúvida tão importante para entender a vida quanto para entender os ecossistemas. Como Harold J. Morowitz (1992) explica, a vida é uma propriedade de um sistema ecológico e não de um único organismo ou espécie. Ele argumenta que uma definição ecossistêmica de vida é preferível a uma estritamente bioquímica ou física. Robert Ulanowicz (2009) destaca o mutualismo como a chave para entender o comportamento sistêmico e gerador de pedidos da vida e dos ecossistemas.

Complex systems biology

A complexa biologia de sistemas (CSB) é um campo da ciência que estuda o surgimento da complexidade nos organismos funcionais do ponto de vista da teoria dos sistemas dinâmicos. Este último também é chamado de biologia de sistemas e tem como objetivo entender os aspectos mais fundamentais da vida. Uma abordagem intimamente relacionada à CSB e da biologia de sistemas chamada biologia relacional se preocupa principalmente com a compreensão dos processos da vida em termos das relações mais importantes e das categorias de tais relações entre os componentes funcionais essenciais dos organismos; Para organismos multicelulares, isso foi definido como "biologia categórica", ou uma representação modelo de organismos como uma teoria da categoria das relações biológicas, bem como uma topologia algébrica da organização funcional dos organismos vivos em termos de suas redes dinâmicas e complexas de Processos metabólicos, genéticos e epigenéticos e vias de sinalização. Abordagens alternativas, mas intimamente relacionadas, concentram -se na interdependência de restrições, onde as restrições podem ser moleculares, como enzimas ou macroscópicas, como a geometria de um osso ou do sistema vascular.

Darwinian dynamic

Também foi argumentado que a evolução da ordem nos sistemas vivos e certos sistemas físicos obedece a um princípio fundamental comum denominado dinâmico darwiniano. A dinâmica darwiniana foi formulada primeiro, considerando como a ordem macroscópica é gerada em um sistema não biológico simples, longe do equilíbrio termodinâmico, e depois estendendo a consideração a moléculas de RNA curtas e replicando. O processo de geração de pedidos subjacente foi concluído como basicamente semelhante para ambos os tipos de sistemas.

Operator theory

Outra definição sistêmica chamada teoria do operador propõe que "a vida é um termo geral para a presença dos fechamentos típicos encontrados nos organismos; os fechamentos típicos são uma membrana e um conjunto autocatalítico na célula" e que um organismo é qualquer sistema com uma organização Isso está em conformidade com um tipo de operador que é pelo menos tão complexo quanto a célula. A vida também pode ser modelada como uma rede de feedbacks negativos inferiores de mecanismos regulatórios subordinados a um feedback positivo superior formado pelo potencial de expansão e reprodução.

História do estudo

Materialismo

Algumas das primeiras teorias da vida eram materialistas, sustentando que tudo o que existe é matéria e que a vida é apenas uma forma ou arranjo complexo da matéria. Empédocles (430 aC) argumentou que tudo no universo é composto de uma combinação de quatro "elementos" eternos ou "raízes de todos": terra, água, ar e fogo. Toda a mudança é explicada pelo arranjo e rearranjo desses quatro elementos. As várias formas de vida são causadas por uma mistura apropriada de elementos.

Democrito (460 aC) achou que a característica essencial da vida é ter uma alma (psique). Como outros escritores antigos, ele estava tentando explicar o que faz de algo vivo. Sua explicação era que os átomos ardentes fazem de uma alma exatamente da mesma maneira que átomos e vazios explicam qualquer outra coisa. Ele elabora fogo por causa da aparente conexão entre vida e calor, e porque o fogo se move.

O mundo das formas eternas e imutáveis ​​de Platão, imperfeitamente representado na matéria por um artesão divino, contrasta fortemente com os vários mecanicistas Weltanschauungen, do qual o atomismo foi, pelo menos no século IV, o mais proeminente ... esse debate persistiu em todo o mundo antigo . O mecanismo atomístico teve um tiro no braço de Epicurus ... enquanto os estóicos adotaram uma teleologia divina ... A escolha parece simples: mostre como um mundo regular e estruturado poderia surgir de processos não direcionados ou injetar inteligência no sistema.

O materialismo mecanicista que se originou na Grécia antiga foi revivido e revisado pelo filósofo francês René Descartes (1596-1650), que sustentava que animais e humanos eram assembléias de partes que juntos funcionavam como uma máquina. Essa idéia foi desenvolvida mais adiante por Julien Offray de la Mettrie (1709-1750) em seu livro L'Homme Machine.

No século XIX, os avanços na teoria celular na ciência biológica incentivaram essa visão. A teoria evolutiva de Charles Darwin (1859) é uma explicação mecanicista para a origem das espécies por meio de seleção natural.

No início do século XX, Stéphane Leduc (1853-1939) promoveu a idéia de que os processos biológicos poderiam ser entendidos em termos de física e química, e que seu crescimento se assemelhava à dos cristais inorgânicos imersos em soluções de silicato de sódio. Suas idéias, estabelecidas em seu livro, La Biologie Synthétique, foram amplamente julgadas improcedentes durante sua vida, mas incorreu em um ressurgimento do interesse no trabalho de Russell, Barge e colegas.

Hylomorfismo

Hylomorfismo é uma teoria expressa pela primeira vez pelo filósofo grego Aristóteles (322 aC). A aplicação do hilomorfismo à biologia foi importante para Aristóteles, e a biologia é extensivamente coberta por seus escritos existentes. Nesta visão, tudo no universo material tem matéria e forma, e a forma de uma coisa viva é sua alma (psique grega, anima latina). Existem três tipos de almas: a alma vegetativa das plantas, o que os leva a crescer, se deteriorar e se nutrir, mas não causa movimento e sensação; A alma animal, que faz com que os animais se movam e sintam; e a alma racional, que é a fonte de consciência e raciocínio, que (Aristóteles acreditava) é encontrado apenas no homem. Cada alma superior tem todos os atributos dos inferiores. Aristóteles acreditava que, embora a matéria possa existir sem forma, a forma não pode existir sem matéria e que, portanto, a alma não pode existir sem o corpo.

Este relato é consistente com as explicações teleológicas da vida, que explicam fenômenos em termos de propósito ou direcionamento de objetivos. Assim, a brancura do casaco do urso polar é explicada pelo seu objetivo de camuflagem. A direção da causalidade (do futuro ao passado) está em contradição com as evidências científicas da seleção natural, o que explica a conseqüência em termos de uma causa anterior. As características biológicas são explicadas não analisando futuros resultados ótimos, mas observando a história evolutiva passada de uma espécie, o que levou à seleção natural das características em questão.

Geração espontânea

A geração espontânea acreditava que os organismos vivos podem se formar sem descendência de organismos semelhantes. Normalmente, a idéia era que certas formas como pulgas pudessem surgir de matéria inanimada, como poeira ou a suposta geração sazonal de ratos e insetos da lama ou lixo.

A teoria da geração espontânea foi proposta por Aristóteles, que compilou e expandiu o trabalho de filósofos naturais anteriores e as várias explicações antigas da aparência dos organismos; Foi considerado a melhor explicação para dois milênios. Foi decisivamente dissipado pelos experimentos de Louis Pasteur em 1859, que expandiram as investigações de antecessores como Francesco Redi. A reprovação das idéias tradicionais da geração espontânea não é mais controversa entre os biólogos.

Vitalismo

O vitalismo é a crença de que o princípio da vida não é material. Isso se originou com Georg Ernst Stahl (século XVII) e permaneceu popular até meados do século XIX. Apelou a filósofos como Henri Bergson, Friedrich Nietzsche e Wilhelm Dilthey, anatomistas como Xavier Bichat e químicos como Justus von Liebig. O vitalismo incluía a idéia de que havia uma diferença fundamental entre material orgânico e inorgânico, e a crença de que o material orgânico só pode ser derivado de seres vivos. Isso foi refutado em 1828, quando Friedrich Wöhler preparou a uréia a partir de materiais inorgânicos. Essa síntese de Wöhler é considerada o ponto de partida da química orgânica moderna. É de significado histórico porque, pela primeira vez, um composto orgânico foi produzido em reações inorgânicas.

Durante a década de 1850, Hermann von Helmholtz, antecipado por Julius Robert Von Mayer, demonstrou que nenhuma energia é perdida no movimento muscular, sugerindo que não havia "forças vitais" necessárias para mover um músculo. Esses resultados levaram ao abandono do interesse científico em teorias vititalistas, especialmente após a demonstração de Buchner de que a fermentação alcoólica poderia ocorrer em extratos sem células de levedura. No entanto, a crença ainda existe em teorias pseudocientíficas, como a homeopatia, que interpreta doenças e doenças causadas por distúrbios em uma força vital ou força vital hipotética.

Origem

A idade da Terra é de cerca de 4,54 bilhões de anos. As evidências sugerem que a vida na Terra existe há pelo menos 3,5 bilhões de anos, com os vestígios físicos mais antigos da vida que remontam a 3,7 bilhões de anos; No entanto, algumas hipóteses, como bombardeio pesado tardio, sugerem que a vida na Terra pode ter começado ainda mais cedo, já de 4,1 a 4,4 bilhões de anos atrás, e a química que leva à vida pode ter começado logo após o Big Bang, 13,8 bilhões de anos atrás, durante uma época, quando o universo tinha apenas 10 a 17 milhões de anos.

Mais de 99% de todas as espécies de formas de vida, totalizando mais de cinco bilhões de espécies, que já viviam na Terra são extintas.

Embora o número de espécies de formas de vida catalogadas da Terra esteja entre 1,2 milhão e 2 milhões, o número total de espécies no planeta é incerto. As estimativas variam de 8 milhões a 100 milhões, com uma faixa mais estreita entre 10 e 14 milhões, mas pode chegar a 1 trilhão (com apenas um milésimo de um por cento das espécies descritas) de acordo com estudos realizados em maio de 2016 . O número total de pares de bases de DNA relacionado na Terra é estimado em 5,0 x 1037 e pesa 50 bilhões de toneladas. Em comparação, a massa total da biosfera foi estimada em até 4 TTC (trilhões de toneladas de carbono). Em julho de 2016, os cientistas relataram identificar um conjunto de 355 genes do último ancestral comum universal (LUCA) de todos os organismos que vivem na Terra.

Todas as formas de vida conhecidas compartilham mecanismos moleculares fundamentais, refletindo sua ascendência comum; Com base nessas observações, as hipóteses sobre a origem da vida tentam encontrar um mecanismo explicando a formação de um ancestral comum universal, de moléculas orgânicas simples via vida pré-celular a protocélulas e metabolismo. Os modelos foram divididos nas categorias "Genes-primeiro" e "metabolismo primeiro", mas uma tendência recente é o surgimento de modelos híbridos que combinam as duas categorias.

Não há consenso científico atual sobre como a vida se originou. No entanto, a maioria dos modelos científicos aceitos se baseiam no experimento de Miller -Urey e no trabalho de Sidney Fox, que mostram que as condições na Terra primitiva favoreceram reações químicas que sintetizam aminoácidos e outros compostos orgânicos de precursores inorgânicos, e os fosfolípios formam espontaneamente lipídios lipídicos, a estrutura básica de uma membrana celular.

Os organismos vivos sintetizam proteínas, que são polímeros de aminoácidos usando instruções codificadas pelo ácido desoxirribonucleico (DNA). A síntese proteica implica polímeros intermediários de ácido ribonucleico (RNA). Uma possibilidade de como a vida começou é que os genes se originaram primeiro, seguidos por proteínas; A alternativa é que as proteínas vieram primeiro e depois os genes.

No entanto, como genes e proteínas são necessários para produzir o outro, o problema de considerar que veio primeiro é como o do frango ou do ovo. A maioria dos cientistas adotou a hipótese de que, por isso, é improvável que genes e proteínas surgissem de forma independente.

Portanto, uma possibilidade, sugerida pela primeira vez por Francis Crick, é que a primeira vida foi baseada no RNA, que possui as propriedades do tipo DNA do armazenamento de informações e as propriedades catalíticas de algumas proteínas. Isso é chamado de hipótese mundial de RNA e é apoiada pela observação de que muitos dos componentes mais críticos das células (aqueles que evoluem os mais lentos) são compostos principalmente ou inteiramente de RNA. Além disso, muitos cofatores críticos (ATP, acetil-CoA, NADH, etc.) são nucleotídeos ou substâncias claramente relacionadas a eles. As propriedades catalíticas do RNA ainda não haviam sido demonstradas quando a hipótese foi proposta pela primeira vez, mas foram confirmadas por Thomas Cech em 1986.

Uma questão com a hipótese do mundo do RNA é que a síntese de RNA a partir de precursores inorgânicos simples é mais difícil do que para outras moléculas orgânicas. Uma razão para isso é que os precursores do RNA são muito estáveis ​​e reagem entre si muito lentamente em condições ambientais, e também foi proposto que os organismos vivos consistiam em outras moléculas antes do RNA. No entanto, a síntese bem -sucedida de certas moléculas de RNA nas condições que existiam antes da vida na Terra foi alcançada adicionando precursores alternativos em uma ordem especificada com o fosfato precursor presente durante toda a reação. Este estudo torna a hipótese do mundo do RNA mais plausível.

Os achados geológicos em 2013 mostraram que as espécies reativas de fósforo (como fosfita) estavam em abundância no oceano antes de 3,5 Ga, e que o schreiberse reage facilmente com glicerol aquoso para gerar fosfito e glicerol 3-fosfato. É levantada a hipótese de que meteoritos contendo schreibersitas do bombardeio pesado tardio poderiam ter fornecido fósforo reduzido precoce, o que poderia reagir com moléculas orgânicas prebióticas para formar biomoléculas fosforiladas, como o RNA.

Em 2009, os experimentos demonstraram evolução darwiniana de um sistema de dois componentes de enzimas RNA (ribozimas) in vitro. O trabalho foi realizado no laboratório de Gerald Joyce, que afirmou "este é o primeiro exemplo, fora da biologia, da adaptação evolutiva em um sistema genético molecular".

Os compostos prebióticos podem ter se originado extraterrestriamente. Os achados da NASA em 2011, com base em estudos com meteoritos encontrados na Terra, sugerem que os componentes de DNA e RNA (adenina, guanina e moléculas orgânicas relacionadas) podem ser formadas no espaço sideral.

Em março de 2015, os cientistas da NASA relataram que, pela primeira vez, compostos de vida orgânicos complexos de DNA e RNA, incluindo uracil, citosina e timina, foram formados no laboratório sob condições de espaço externo, usando produtos químicos iniciais, como a pirimidina, encontrados em meteoritos. A pirimidina, como hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs), o produto químico mais rico em carbono encontrado no universo, pode ter sido formado em gigantes vermelhos ou em poeira interestelar e nuvens de gás, segundo os cientistas.

De acordo com a hipótese da panspermia, a vida microscópica - distribuída por meteoróides, asteróides e outros pequenos corpos do sistema solar - podem existir em todo o universo.

Condições ambientais

A diversidade da vida na Terra é resultado da interação dinâmica entre oportunidade genética, capacidade metabólica, desafios ambientais e simbiose. Durante a maior parte de sua existência, o ambiente habitável da Terra foi dominado por microorganismos e submetido ao seu metabolismo e evolução. Como conseqüência dessas atividades microbianas, o ambiente físico-químico na Terra vem mudando em uma escala de tempo geológica, afetando assim o caminho da evolução da vida subsequente. Por exemplo, a liberação de oxigênio molecular por cianobactérias como subproduto da fotossíntese induziu mudanças globais no ambiente da Terra. Como o oxigênio era tóxico para a maior parte da vida na Terra na época, isso representava novos desafios evolutivos e, finalmente, resultou na formação das principais espécies de animais e plantas da Terra. Essa interação entre organismos e seu ambiente é uma característica inerente aos sistemas vivos.

Biosfera

A biosfera é a soma global de todos os ecossistemas. Também pode ser denominado como a zona da vida na Terra, um sistema fechado (além da radiação solar e cósmica e o calor do interior da terra) e amplamente auto-regulador. Pela definição biofisiológica mais geral, a biosfera é o sistema ecológico global que integra todos os seres vivos e seus relacionamentos, incluindo sua interação com os elementos da litosfera, geosfera, hidrosfera e atmosfera.

As formas de vida vivem em todas as partes da biosfera da Terra, incluindo solo, fontes termais, dentro de rochas pelo menos 19 km (12 mi) de profundidade, as partes mais profundas do oceano e pelo menos 64 km (40 mi) de altura na atmosfera . Sob certas condições de teste, observa-se que as formas de vida prosperarem na falta de peso do espaço e sobreviver no vácuo do espaço sideral. As formas de vida parecem prosperar na Trench Mariana, o ponto mais profundo dos oceanos da Terra. Outros pesquisadores relataram estudos relacionados que as formas de vida prosperam em rochas de até 580 m (1.900 pés; 0,36 mi) abaixo do fundo do mar abaixo de 2.590 m (8.500 pés; 1,61 milhas) do oceano na costa do noroeste dos Estados Unidos, bem como como 2.400 m (7.900 pés; 1,5 mi) sob o fundo do mar no Japão. Em agosto de 2014, os cientistas confirmaram a existência de formas de vida vivendo 800 m (2.600 pés; 0,50 mi) abaixo do gelo da Antártica. Segundo um pesquisador, "você pode encontrar micróbios em todos os lugares - eles são extremamente adaptáveis ​​às condições e sobrevivem onde quer que estejam".

A biosfera é postulada para evoluir, começando com um processo de biopoese (a vida criada naturalmente a partir de matéria não viva, como compostos orgânicos simples) ou biogênese (vida criada a partir de matéria viva), pelo menos cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. A evidência mais antiga para a vida na Terra inclui grafite biogênica encontrada em rochas metassedimentares de 3,7 bilhões de anos do oeste da Groenlândia e fósseis de esteiras microbianas encontradas em arenito de 3,48 bilhões de anos da Austrália Ocidental. Mais recentemente, em 2015, "Restos da vida biótica" foram encontrados em rochas de 4,1 bilhões de anos na Austrália Ocidental. Em 2017, foram anunciados microorganismos fossilizados putativos (ou microfósseis) para ter sido descobertos em precipitados hidrotérmicos de ventilação no cinturão nuvvuagittuq de Quebec, Canadá, que tinha tão antigo quanto 4,28 bilhões de anos, o mais antigo registro da vida da terra, sugerindo "um quase instantâneo Emergência da vida "após a formação oceânica 4,4 bilhões de anos atrás, e pouco depois da formação da Terra 4,54 bilhões de anos atrás. Segundo o biólogo Stephen Blair Hedges, "se a vida surgisse relativamente rapidamente na Terra ... então poderia ser comum no universo".

Em um sentido geral, a biosferas são sistemas fechados e auto-reguladores que contêm ecossistemas. Isso inclui biosferas artificiais, como a Biosfera 2 e o BIOS-3, e potencialmente as em outros planetas ou luas.

Gama de tolerância

Os componentes inertes de um ecossistema são os fatores físicos e químicos necessários para a vida - energia (luz solar ou energia química), água, calor, atmosfera, gravidade, nutrientes e proteção contra radiação solar ultravioleta. Na maioria dos ecossistemas, as condições variam durante o dia e de uma temporada para outra. Para viver na maioria dos ecossistemas, então, os organismos devem ser capazes de sobreviver a uma série de condições, chamada "gama de tolerância". Fora que estão as "zonas do estresse fisiológico", onde a sobrevivência e a reprodução são possíveis, mas não são ideais. Além dessas zonas estão as "zonas de intolerância", onde a sobrevivência e a reprodução desse organismo são improváveis ​​ou impossíveis. Os organismos que têm uma ampla gama de tolerância são mais amplamente distribuídos do que os organismos com uma variedade estreita de tolerância.

Extremófilos

Para sobreviver, os microorganismos selecionados podem assumir formas que lhes permitem suportar congelamento, dessecação completa, fome, altos níveis de exposição à radiação e outros desafios físicos ou químicos. Esses microorganismos podem sobreviver à exposição a essas condições por semanas, meses, anos ou até séculos. Os extremófilos são formas de vida microbiana que prosperam fora dos intervalos onde a vida é comumente encontrada. Eles se destacam em explorar fontes incomuns de energia. Embora todos os organismos sejam compostos de moléculas quase idênticas, a evolução permitiu que esses micróbios lidassem com essa ampla gama de condições físicas e químicas. A caracterização da estrutura e a diversidade metabólica das comunidades microbianas em ambientes tão extremos está em andamento.

As formas de vida microbiana prosperam mesmo na trincheira de Mariana, o ponto mais profundo dos oceanos da Terra. Os micróbios também prosperam dentro de rochas até 580 m abaixo do fundo do mar abaixo de 8.500 pés (2.600 m) de oceano. As expedições do Programa Internacional de Descoberta do Oceano encontraram vida unicelular em sedimentos de 120 ° C, 1,2 km abaixo do fundo do mar na zona de subducção de Nankai.

A investigação da tenacidade e versatilidade da vida na Terra, bem como uma compreensão dos sistemas moleculares que alguns organismos utilizam para sobreviver a tais extremos, é importante para a busca pela vida além da Terra. Por exemplo, o líquen pode sobreviver por um mês em um ambiente marciano simulado.

Elementos químicos

Todas as formas de vida requerem certos elementos químicos principais necessários para o funcionamento bioquímico. Isso inclui carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre - os macronutrientes elementares para todos os organismos - geralmente representados pelo acrônimo Chnops. Juntos, esses compõem ácidos nucleicos, proteínas e lipídios, a maior parte da matéria viva. Cinco desses seis elementos compreendem os componentes químicos do DNA, sendo a exceção enxofre. Este último é um componente dos aminoácidos cisteína e metionina. O mais abundante biologicamente desses elementos é o carbono, que tem o atributo desejável de formar ligações covalentes múltiplas e estáveis. Isso permite que as moléculas baseadas em carbono (orgânico) formem uma imensa variedade de arranjos químicos. Tipos hipotéticos alternativos de bioquímica foram propostos que eliminam um ou mais desses elementos, trocam um elemento para um que não está na lista ou altere quiralidades exigidas ou outras propriedades químicas.

DNA

O ácido desoxirribonucleico é uma molécula que carrega a maioria das instruções genéticas usadas no crescimento, desenvolvimento, funcionamento e reprodução de todos os organismos vivos conhecidos e muitos vírus. DNA e RNA são ácidos nucleicos; Juntamente com proteínas e carboidratos complexos, eles são um dos três principais tipos de macromolécula que são essenciais para todas as formas de vida conhecidas. A maioria das moléculas de DNA consiste em dois fios de biopolímero enrolados um com o outro para formar uma hélice dupla. Os dois fios de DNA são conhecidos como polinucleotídeos, pois são compostos de unidades mais simples chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por uma nucleobase contendo nitrogênio-citosina (c), guanina (g), adenina (a) ou timina (t)-bem como um açúcar chamado desoxirribose e um grupo fosfato. Os nucleotídeos são unidos entre si em uma cadeia por ligações covalentes entre o açúcar de um nucleotídeo e o fosfato da próxima, resultando em um esqueleto alternado de açúcar-fosfato. De acordo com as regras de emparelhamento de bases (A com T e C com G), as ligações de hidrogênio ligam as bases nitrogenadas dos dois fios polinucleotídeos separados para fabricar DNA de fita dupla. A quantidade total de pares de bases de DNA relacionada na Terra é estimada em 5,0 x 1037 e pesa 50 bilhões de toneladas. Em comparação, a massa total da biosfera foi estimada em até 4 TTC (trilhões de toneladas de carbono).

DNA armazena informações biológicas. A espinha dorsal do DNA é resistente à decote, e ambas as fios da estrutura de fita dupla armazenam a mesma informação biológica. A informação biológica é replicada à medida que os dois fios são separados. Uma porção significativa do DNA (mais de 98% para seres humanos) é não codificadora, o que significa que essas seções não servem como padrões para sequências de proteínas.

Os dois fios de DNA correm em direções opostas entre si e, portanto, são anti-paralelos. Anexado a cada açúcar, há um dos quatro tipos de nucleobases (informalmente, bases). É a sequência dessas quatro nucleobases ao longo da espinha dorsal que codifica informações biológicas. Sob o código genético, os fios de RNA são traduzidos para especificar a sequência de aminoácidos dentro das proteínas. Esses fios de RNA são criados inicialmente usando fios de DNA como modelo em um processo chamado transcrição.

Dentro das células, o DNA é organizado em longas estruturas chamadas cromossomos. Durante a divisão celular, esses cromossomos são duplicados no processo de replicação do DNA, fornecendo a cada célula seu próprio conjunto completo de cromossomos. Organismos eucarióticos (animais, plantas, fungos e protistas) armazenam a maior parte de seu DNA dentro do núcleo celular e parte de seu DNA em organelas, como mitocôndrias ou cloroplastos. Por outro lado, os procariontes (bactérias e archaea) armazenam seu DNA apenas no citoplasma. Dentro dos cromossomos, as proteínas da cromatina, como as histonas compactam e organizam o DNA. Essas estruturas compactas orientam as interações entre o DNA e outras proteínas, ajudando a controlar quais partes do DNA são transcritas.

O DNA foi isolado pela primeira vez por Friedrich Miescher em 1869. Sua estrutura molecular foi identificada por James Watson e Francis Crick em 1953, cujos esforços de construção de modelos foram guiados por dados de difração de raios-X adquiridos por Rosalind Franklin.

Classificação

Antiguidade

A primeira tentativa conhecida de classificar organismos foi conduzida pelo filósofo grego Aristóteles (384-322 aC), que classificaram todos os organismos vivos conhecidos na época como uma planta ou um animal, baseado principalmente em sua capacidade de se mover. Ele também distinguiu animais com sangue de animais sem sangue (ou pelo menos sem sangue vermelho), que podem ser comparados com os conceitos de vertebrados e invertebrados, respectivamente, e dividiu os animais de sangue em cinco grupos: quadrúpedes vivíparos (mamíferos), quadrúpedes ovíparos ( répteis e anfíbios), pássaros, peixes e baleias. Os animais sem sangue também foram divididos em cinco grupos: cefalópodes, crustáceos, insetos (que incluíam aranhas, escorpiões e centopéias, além do que definimos como insetos hoje), animais com entrances (como a maioria dos moluscos e equinodermos) e " Zoófitos "(animais que se assemelham a plantas). Embora o trabalho de Aristóteles em zoologia não tenha sido isento de erros, foi a síntese biológica mais grande da época e permaneceu a autoridade final por muitos séculos após sua morte.

Linnaean

A exploração das Américas revelou um grande número de novas plantas e animais que precisavam de descrições e classificação. Na última parte do século XVI e no início do dia 17, o estudo cuidadoso dos animais começou e foi gradualmente estendido até que formasse um conjunto suficiente de conhecimento para servir como uma base anatômica para a classificação.

No final da década de 1740, Carl Linnaeus introduziu seu sistema de nomenclatura binomial para a classificação de espécies. Linnaeus tentou melhorar a composição e reduzir o comprimento dos nomes de muitas palavras usados, abolindo a retórica desnecessária, introduzindo novos termos descritivos e definindo com precisão seu significado. A classificação Linnaean possui oito níveis: domínios, reinos, filos, classe, ordem, família, gênero e espécies.

Os fungos foram originalmente tratados como plantas. Por um curto período, Linnaeus os classificou no táxon Vermes em Animalia, mas depois os colocou de volta em Plantae. Copeland classificou os fungos em seu protoctista, evitando parcialmente o problema, mas reconhecendo seu status especial. O problema acabou sendo resolvido por Whittaker, quando ele lhes deu seu próprio reino em seu sistema de cinco rei. A história evolutiva mostra que os fungos estão mais intimamente relacionados aos animais do que às plantas.

Como novas descobertas permitiram estudo detalhado de células e microorganismos, foram criados novos grupos de vida e os campos da biologia celular e da microbiologia foram criados. Esses novos organismos foram originalmente descritos separadamente em protozoários como animais e protophyta/thallóphy como plantas, mas foram unidos por Haeckel na Protista do Reino; Mais tarde, os procariontes foram divididos no Reino Monera, que acabaria sendo dividido em dois grupos separados, as bactérias e os Archaea. Isso levou ao sistema de seis rei e, eventualmente, ao atual sistema de três domínios, que se baseia em relacionamentos evolutivos. No entanto, a classificação dos eucariotos, especialmente de protistas, ainda é controversa.

Como microbiologia, foram descobertas biologia molecular e virologia, foram descobertos agentes de reprodução não celulares, como vírus e viróides. Se estes são considerados vivos tem sido uma questão de debate; Os vírus carecem de características da vida, como membranas celulares, metabolismo e capacidade de crescer ou responder a seus ambientes. Os vírus ainda podem ser classificados em "espécies" com base em sua biologia e genética, mas muitos aspectos dessa classificação permanecem controversos.

Em maio de 2016, os cientistas relataram que 1 trilhão de espécies é estimado em terra atualmente, com apenas um milésimo de um por cento descrito.

O sistema Linnaean original foi modificado ao longo do tempo da seguinte forma:

Linnaeus1735 Haeckel1866 Chatton1925 Copeland1938 Whittaker1969 Woese et al.1990 Cavalier-Smith1998 Cavalier-Smith2015 2 kingdoms3 kingdoms2 empires4 kingdoms5 kingdoms3 domains2 empires, 6 kingdoms2 empires, 7 kingdoms(not treated)ProtistaProkaryotaMoneraMoneraBacteriaBacteriaBacteriaArchaeaArchaeaEukaryotaProtoctistaProtistaEucaryaProtozoaProtozoaChromistaChromistaVegetabiliaPlantaePlantaePlantaePlantaePlantaeFungiFungiFungiAnimaliaAnimaliaAnimaliaAnimaliaAnimaliaAnimalia

Cladística

Na década de 1960, surgiu cladística: um sistema que organizava táxons com base em clados em uma árvore evolutiva ou filogenética.

Células

As células são a unidade básica de estrutura em todos os vivos, e todas as células surgem de células pré-existentes por divisão. A teoria das células foi formulada por Henri Dutrochet, Theodor Schwann, Rudolf Virchow e outros durante o início do século XIX, e posteriormente tornou -se amplamente aceito. A atividade de um organismo depende da atividade total de suas células, com o fluxo de energia ocorrendo dentro e entre elas. As células contêm informações hereditárias que são transportadas como um código genético durante a divisão celular.

Existem dois tipos principais de células. Os procariontes carecem de um núcleo e outras organelas ligadas à membrana, embora tenham DNA e ribossomos circulares. Bactérias e Archaea são dois domínios de procariontes. O outro tipo primário de células são os eucariotos, que têm núcleos distintos ligados por uma membrana nuclear e organelas ligadas à membrana, incluindo mitocôndrias, cloroplastos, lisossomos, retículo endoplasmático áspero e liso e vacúrios. Além disso, eles possuem cromossomos organizados que armazenam material genético. Todas as espécies de grandes organismos complexos são eucariotos, incluindo animais, plantas e fungos, embora a maioria das espécies de eucarioto sejam microorganismos protistas. O modelo convencional é que os eucariotos evoluíram de procariontes, com as principais organelas dos eucariotos formando através da endossimbiose entre bactérias e a célula eucariótica progenitor.

Os mecanismos moleculares da biologia celular são baseados em proteínas. A maioria deles é sintetizada pelos ribossomos através de um processo catalisado por enzimas chamado biossíntese de proteínas. Uma sequência de aminoácidos é montada e unida com base na expressão gênica do ácido nucleico da célula. Nas células eucarióticas, essas proteínas podem então ser transportadas e processadas através do aparelho de Golgi, em preparação para despacho para seu destino.

As células se reproduzem através de um processo de divisão celular na qual a célula pai se divide em duas ou mais células filhas. Para os procariontes, a divisão celular ocorre através de um processo de fissão no qual o DNA é replicado, as duas cópias são anexadas a partes da membrana celular. Nos eucariotos, é seguido um processo mais complexo de mitose. No entanto, o resultado final é o mesmo; As cópias celulares resultantes são idênticas entre si e à célula original (exceto por mutações), e ambas são capazes de dividir mais após um período interfásico.

Os organismos multicelulares podem ter evoluído pela primeira vez através da formação de colônias de células idênticas. Essas células podem formar organismos de grupo através da adesão celular. Os membros individuais de uma colônia são capazes de sobreviver por conta própria, enquanto os membros de um verdadeiro organismo multi-celular desenvolveram especializações, tornando-os dependentes do restante do organismo para a sobrevivência. Tais organismos são formados clonalmente ou a partir de uma única célula germinativa capaz de formar as várias células especializadas que formam o organismo adulto. Essa especialização permite que organismos multicelulares explorem recursos com mais eficiência do que as células únicas. Em janeiro de 2016, os cientistas relataram que, cerca de 800 milhões de anos atrás, uma pequena mudança genética em uma única molécula, chamada GK-PID, pode ter permitido que os organismos passassem de um único organismo celular para uma de muitas células.

As células desenvolveram métodos para perceber e responder ao seu microambiente, aumentando assim sua adaptabilidade. A sinalização celular coordena as atividades celulares e, portanto, governa as funções básicas dos organismos multicelulares. A sinalização entre as células pode ocorrer através do contato direto da célula usando sinalização de justacrina ou indiretamente através da troca de agentes como no sistema endócrino. Em organismos mais complexos, a coordenação de atividades pode ocorrer através de um sistema nervoso dedicado.

Extraterrestre

Embora a vida seja confirmada apenas na Terra, muitos pensam que a vida extraterrestre não é apenas plausível, mas provável ou inevitável. Outros planetas e luas no sistema solar e em outros sistemas planetários estão sendo examinados quanto à evidência de ter apoiado a vida simples, e projetos como o Seti estão tentando detectar transmissões de rádio de possíveis civilizações alienígenas. Outros locais dentro do sistema solar que podem hospedar a vida microbiana incluem a subsuperfície de Marte, a atmosfera superior de Vênus e os oceanos subterrâneos em algumas das luas dos planetas gigantes. Além do sistema solar, a região em torno de outra estrela da sequência principal que poderia apoiar a vida semelhante à Terra em um planeta semelhante à Terra é conhecida como zona habitável. Os raios interno e externo desta zona variam com a luminosidade da estrela, assim como o intervalo de tempo durante o qual a zona sobrevive. Estrelas mais massivas que o sol têm uma zona habitável maior, mas permanecem na "sequência principal" do sol da evolução estelar por um intervalo de tempo mais curto. Pequenas anãs vermelhas têm o problema oposto, com uma zona habitável menor que está sujeita a níveis mais altos de atividade magnética e aos efeitos do bloqueio das marés de órbitas próximas. Portanto, as estrelas na faixa de massa intermediária, como o Sol, podem ter uma maior probabilidade de se desenvolver. A localização da estrela dentro de uma galáxia também pode afetar a probabilidade de se formar a vida. Estrelas em regiões com uma maior abundância de elementos mais pesados ​​que podem formar planetas, em combinação com uma baixa taxa de eventos de supernova potencialmente danificados por habitats, prevê-se ter uma maior probabilidade de hospedar planetas com vida complexa. As variáveis ​​da equação de Drake são usadas para discutir as condições nos sistemas planetários onde é mais provável que a civilização exista. O uso da equação para prever a quantidade de vida extraterrestre, no entanto, é difícil; Como muitas das variáveis ​​são desconhecidas, a equação funciona como mais um espelho para o que seu usuário já pensa. Como resultado, o número de civilizações na galáxia pode ser estimado até 9,1 x 10-13, sugerindo um valor mínimo de 1 ou até 15,6 milhões (0,156 x 109); Para os cálculos, consulte a equação de Drake.

Uma escala de "confiança na detecção de vida" (frio) para relatar evidências de vida além da Terra foi proposta.

Artificial

A vida artificial é a simulação de qualquer aspecto da vida, como através de computadores, robótica ou bioquímica. O estudo da vida artificial imita a biologia tradicional recriando alguns aspectos dos fenômenos biológicos. Os cientistas estudam a lógica dos sistemas vivos, criando ambientes artificiais - buscando entender o complexo processamento de informações que define esses sistemas. Embora a vida seja, por definição, viva, a vida artificial é geralmente chamada de dados confinados a um ambiente e existência digital.

A biologia sintética é uma nova área de biotecnologia que combina engenharia científica e biológica. O objetivo comum é o design e a construção de novas funções e sistemas biológicos não encontrados na natureza. A biologia sintética inclui a ampla redefinição e expansão da biotecnologia, com os objetivos finais de poder projetar e construir sistemas biológicos projetados que processassem informações, manipulam produtos químicos, fabricam materiais e estruturas, produzem energia, fornecem alimentos e mantêm e aprimoram a saúde humana e o ambiente.

Morte

A morte é o término de todas as funções vitais ou processos de vida em um organismo ou célula. Pode ocorrer como resultado de um acidente, violência, condições médicas, interação biológica, desnutrição, envenenamento, senescência ou suicídio. Após a morte, os restos mortais de um organismo entram novamente no ciclo biogeoquímico. Os organismos podem ser consumidos por um predador ou um limpador e o material orgânico restante podem ser decompostos ainda mais por detritivores, organismos que reciclam detritos, devolvendo -o ao meio ambiente para reutilização na cadeia alimentar.

Um dos desafios na definição da morte é distingui -la da vida. A morte parece se referir ao momento em que a vida termina, ou quando o estado que segue a vida começa. No entanto, determinar quando a morte ocorreu é difícil, pois a cessação das funções da vida geralmente não é simultânea entre os sistemas orgânicos. Essa determinação, portanto, requer desenhar linhas conceituais entre vida e morte. Isso é problemático, no entanto, porque há pouco consenso sobre como definir a vida. A natureza da morte por milênios tem sido uma preocupação central das tradições religiosas do mundo e da investigação filosófica. Muitas religiões mantêm a fé em um tipo de vida após a morte ou reencarnação para a alma, ou a ressurreição do corpo em uma data posterior.

Extinção

Extinção é o processo pelo qual um grupo de táxons ou espécies se apaga, reduzindo a biodiversidade. O momento de extinção é geralmente considerado a morte do último indivíduo dessa espécie. Como a faixa potencial de uma espécie pode ser muito grande, determinar esse momento é difícil e geralmente é feito retrospectivamente após um período de aparente ausência. As espécies se extinguem quando não são mais capazes de sobreviver na mudança do habitat ou contra a competição superior. Na história da Terra, mais de 99% de todas as espécies que já viveram são extintas; No entanto, as extinções em massa podem ter acelerado a evolução, oferecendo oportunidades para novos grupos de organismos para diversificar.

Fósseis

Os fósseis são os restos preservados ou vestígios de animais, plantas e outros organismos do passado remoto. A totalidade dos fósseis, descobertos e não descobertos, e sua colocação em formações rochosas contendo fósseis e camadas sedimentares (estratos) é conhecida como registro fóssil. Um espécime preservado é chamado de fóssil se for mais antigo que a data arbitrária de 10.000 anos atrás. Portanto, os fósseis variam em idade dos mais jovens no início da época do Holoceno até os mais antigos do eon archaean, até 3,4 bilhões de anos.

Veja também

Leitura adicional

Walker, Martin G. (2006). LIFE! Why We Exist ... And What We Must Do to Survive. Dog Ear Publishing. ISBN 978-1-59858-243-7. Archived from the original on 24 July 2011.