A Árvore da Vida: História, Evolução e os Três Domínios

História Evolutiva da Vida na Terra

Conceitos Fundamentais da Vida

• Árvore da vida: os três domínios
• Histórico da vida na Terra
• Vida e Composição da vida
• Surgimento da vida
• Teorias para a origem da vida
• Classificação da vida

Como foi a história evolutiva da vida na Terra?

Complexidade e Idade Evolutiva dos Organismos

Conceitos importantes:

• Não há organismos superiores ou inferiores; primitivos ou evoluídos.
• Apresentam diferentes graus de complexidade.
• Podem ser mais antigos ou mais recentes.
• Todos podem estar bem adaptados ao seu ambiente.

As bactérias, por exemplo, apresentam grande diversidade e capacidade de adaptação a diferentes ambientes.

Darwin propôs que todos os organismos existentes hoje descendem de um mesmo ancestral (grupo de células primordiais).

Hoje existem organismos extremamente diferentes? Por quê?

Diversidade e Variabilidade Genética

Modificações ao longo do tempo resultaram na diversidade que conhecemos hoje.

Mutações

Alterações na sequência de bases nitrogenadas do DNA (p.ex., erros na replicação, instabilidade do DNA).

Origem da variabilidade:

• Trabalho de Mendel
• Trabalho com Drosophila

Diferenças na sequência do mesmo gene levam à variabilidade dos seres vivos.

A Origem Comum da Vida e Relações Evolutivas

Vamos voltar à história da vida na Terra:

• Mundo pré-biota
• Mundo biota
• Replicador ou metabolismo?

A história da vida na Terra mudou quando o DNA passou a ser o componente genético.

Surgimento de diversas formas de vida no planeta.

A vida na Terra tem uma origem comum.

Relações Evolutivas e Ancestralidade

Relações de ancestralidade entre os organismos.

O Uso de Dados Moleculares na Filogenia

• Início na década de 1970.
• Comparação de sequências de nucleotídeos do DNA ou sequências de aminoácidos de proteínas.
• Grande quantidade de informações (cada aminoácido de uma proteína ou nucleotídeo de uma sequência de DNA é uma evidência filogenética).
• Possibilita o estudo de microrganismos.
• Possibilita a comparação entre organismos distantes evolutivamente.

Como Analisar Estes Dados?

Todos os genes mutam. Algumas destas mutações alteram proteínas. Mutações sem efeito ou que as melhorem, se acumulam com o tempo.

Quando duas espécies divergem do ancestral, as sequências dos genes que elas compartilham também divergem. Quanto maior o tempo de divergência, maior a diferença entre os genes.

Comparação entre sequências nucleotídicas:

11 espécies de primatas (camundongo como grupo externo).

RNA Ribossomal (rRNA): O Marcador Universal

Como comparar todos os organismos existentes? O que utilizar nas análises (qual região do DNA ou qual proteína)?

Ribossomos (RNA ribossomal - rRNA):

• Compostos por RNA e proteínas.
• Presente em todos os organismos.
• Taxa de mudança (mutações) do gene é suficientemente lenta para permitir a comparação entre organismos de grupos distantes.

Griffiths et al. Introduction to the Genetic Analysis (2000)

Sequências de rRNA dos diversos organismos podem ser comparadas.

Importância de métodos computacionais (Bioinformática):

• Grande quantidade de informações.
• Inovação extremamente importante.
• Maior conhecimento sobre microrganismos.

A Árvore da Vida: Os Três Domínios

O Surgimento do Conceito de Três Domínios

Nossas semelhanças e diferenças:

Somos parecidos com as bactérias! Até então, o mundo era dividido entre procariotos (bactérias) e eucariotos. Mas os dados moleculares mostraram que haviam bactérias muito diferentes entre si.

A árvore da vida e os três domínios:

Ancestral comum a todos os organismos.

Futuyma, D. J. Evolution (2005)

Eukarya | Archaea | Bacteria

Domínio Eukarya

Eucariotos: Células apresentam núcleo envolvido por membrana.

• Animais
• Plantas
• Fungos
• Protistas

O Surgimento de um Novo Grupo: Archaea

As arqueas são mais próximas dos eucariotos.

Comparação entre Bactérias, Arqueas e Eucariotos

Domínio Bacteria

Procariotos. Parede celular com peptidoglicano. Genoma geralmente organizado em um único cromossomo circular. Grande diversidade de habitats.

Alguns representantes são procariotos extremófilos! Geralmente quimiotróficos.

Sobrevivem em ambientes extremos, onde não há possibilidade de vida para outros seres:

• Locais com altas temperaturas (ex: 100ºC, Thermus aquaticus)
• Locais com baixas concentrações ou sem oxigênio
• Locais com baixo pH
• Lagos ou mares com salinidade altíssima
• Ambientes próximos a vulcões
• Fontes de enxofre, etc.

Domínio Archaea

Acreditava-se que Arqueas só eram capazes de sobreviver em ambientes extremos. No entanto, sabe-se hoje que algumas Arqueas sobrevivem em ambientes normais.

• Morfologicamente e metabolicamente similares a bactérias.
• Sequência e organização da informação genética semelhante a eucariotos:
  • DNA associado a histonas.
  • Genes envolvidos nos processos de transcrição e tradução são similares a eucariotos.

Lipídeos das Arqueas contêm hidrocarbonos de cadeia longa ramificada conectados por ligações éter.

A principal diferença entre Arqueas e outros organismos está na membrana celular.

Os Três Domínios e o Ancestral Comum

Archaea e Eucarya têm um ancestral comum.

* Apesar do nome, Archaea não é o grupo mais antigo.

Nenhum domínio se desenvolveu a partir do outro: os 3 domínios evoluíram por vias diferentes a partir de um ancestral comum.

A maior parte da diversidade existente no planeta é representada por microrganismos.

LUCA: O Último Ancestral Comum Universal

LUCA: The Last Universal Common Ancestor.

Características de LUCA (as moléculas da vida):

• DNA como material genético
• Código genético
• Reações químicas complexas
• Metabolismo do DNA (DNA-RNA-proteína)
• ATP como fonte de energia

A Rede da Vida e a Transferência Horizontal de Genes

Foram identificados genes nucleares em eucariotos que são semelhantes a genes de bactérias. Archaea também apresentam genes bacterianos.

Material genético pode ser transmitido não só verticalmente (para a geração seguinte), mas também horizontalmente (entre organismos de espécies diferentes).

Transferência horizontal (ou lateral)

Doolittle, F. Scientific American, fev. 2000

Classificação e Filogenia de Microrganismos

Projeto Tree of Life

http://www.tolweb.org/tree/

Objetivo: reunir informações sobre todos os organismos existentes e as relações evolutivas entre eles. Participação de pesquisadores de diversos países.

Informações sobre cada grupo de organismos estão dispostas em websites organizados hierarquicamente, formando uma árvore.

Sistemas de Classificação

Pode-se classificar os organismos com base nas relações de parentesco entre eles.

• Classificação: processo de ordenação dos organismos em grupos taxonômicos (ou taxa).
• Identificação: alocação de organismos desconhecidos em taxa já descritos.

Microrganismos encontrados em amostras ambientais ou associadas a plantas e animais (métodos independentes de cultivo).

Atualmente há mais de 50 filos de bactérias identificados, a maioria composto por organismos não cultivados.

Identificação de espécies desconhecidas. Filogenia de bactérias mostrando filos já estabelecidos e filos candidatos.

Metagenoma e o Impacto da THG

Exemplo de Transferência Horizontal:

• Klebsiella super resistente aos antibióticos.

Metagenoma: Microbioma do Estômago

Em japoneses: enzimas capazes de quebrar os carboidratos complexos da alga nori, para serem assimilados e utilizados no metabolismo humano.

Zobellia galactanivorans (vive em associação com algas, principalmente "nori"). Os genes da bactéria marinha foram "engolfados" no genoma de bactérias que vivem no estômago dos japoneses.