Fundamentos da Biologia: Da Célula aos Sistemas Vivos

Objetivos

• Compreender as características gerais dos seres vivos.
• Identificar os níveis de organização dos seres vivos.
• Conhecer os procedimentos gerais da investigação científica.

Neste capítulo, vamos analisar as características dos seres vivos e o método pelo qual essas características são estudadas – o método científico.

Características dos Seres Vivos

Composição química complexa, alto grau de organização, nutrição, crescimento, metabolismo, irritabilidade, reprodução, hereditariedade e evolução são características que, em conjunto, diferenciam os seres vivos da matéria sem vida (também chamada de matéria bruta).

Composição Química Complexa

Toda matéria existente no universo é feita de átomos. Alguns podem se ligar a outros e formar moléculas. A fórmula molecular da água — H₂O — representa os átomos que compõem a molécula. Outros átomos podem se ligar e formar compostos iônicos. A força que mantém os átomos unidos é chamada de ligação química.

Água, gás carbônico, oxigênio e sais minerais, como o cloreto de sódio, são compostos relativamente simples e fazem parte do grupo das substâncias inorgânicas. Elas são chamadas também de substâncias minerais, pois são encontradas em rochas, no solo, no ar e na água. Na fórmula estrutural, os traços indicam as ligações químicas entre os átomos. A fórmula molecular indica apenas o número de cada átomo por molécula. Hoje, inúmeras substâncias orgânicas são fabricadas em laboratório.

Enquanto a matéria bruta é formada por átomos que podem reunir-se e formar moléculas e, às vezes, cristais, nos seres vivos as moléculas organizam-se de modo extremamente complexo, formando unidades denominadas células. Estas formam os órgãos, que se organizam em sistemas. Vários sistemas reunidos e trabalhando em harmonia formam um organismo. Os organismos de uma mesma espécie se reúnem em populações e as diversas populações de uma mesma região (como todos os seres vivos que habitam um lago) constituem uma comunidade. Esta influi nos fatores físicos e químicos do ambiente — como a chuva, o solo e a temperatura — e é influenciada por eles. Forma-se assim um conjunto — constituído por seres vivos e pelos fatores físicos e químicos — chamado de ecossistema. Esse nível de organização pode ser exemplificado por uma floresta inteira (os seres vivos, o tipo de solo e de clima, a quantidade de água, etc.).

Nutrição, Crescimento e Metabolismo

O processo pelo qual os seres vivos conseguem novas moléculas do ambiente é chamado de nutrição. Boa parte dessas moléculas é usada na reconstrução do corpo, que se desgasta continuamente, ou para permitir o crescimento e o desenvolvimento do organismo. Por esse processo, chamado de respiração celular, é produzida a energia necessária às diversas transformações que ocorrem no ser vivo, incluindo a formação de novas moléculas. A energia extraída do alimento é utilizada nas atividades do corpo.

Citologia

A Citologia é a ciência que estuda as células, estruturas que compõem os órgãos e tecidos dos seres vivos. Célula: é a menor unidade estrutural básica do ser vivo. Foi descoberta em 1667 pelo inglês Robert Hooke, que observou uma célula de cortiça (tecido vegetal morto) usando o microscópio. São os principais componentes das:

Membranas Celulares

A região do fosfato ("cabeça") se encontra eletricamente carregada (região polar), enquanto as duas cadeias de ácidos graxos (pertencentes ao lipídio) não apresentam carga elétrica (região apolar). Os glicídios recobrem as células como "pelos", protegendo-as contra agressões do meio ambiente e retendo substâncias, como nutrientes e enzimas, constituindo o glicocálix. No retículo rugoso, onde se encontram aderidos à sua superfície externa os ribossomos, ocorre a produção de proteínas, as quais serão transportadas internamente para o Complexo de Golgi. Como se origina na membrana plasmática, apresenta também na sua constituição lipídios e proteínas.

Ribossomos

São grânulos de ribonucleoproteínas produzidos a partir dos nucléolos. A função dos ribossomos é a síntese proteica pela união de aminoácidos, em processo controlado pelo DNA. Quando os ribossomos encontram-se no hialoplasma, unidos pelo RNAm, e só assim são funcionais, denominam-se polissomos. Dentro das mitocôndrias se realiza o processo de extração de energia dos alimentos (respiração celular) que será armazenada em moléculas de ATP (adenosina trifosfato). Apresentam forma de bastonete ou esférica. Possuem DNA, RNA e ribossomos próprios, tendo assim capacidade de autoduplicar-se. Quanto maior a atividade metabólica da célula, maior será a quantidade de mitocôndrias em seu interior. Apresentam capacidade de movimentação, concentrando-se nas regiões da célula com maior necessidade energética. Alguns cientistas sugerem terem sido "procariontes" que passaram a viver simbioticamente no interior das células no início evolutivo da vida.

Lisossomos

Estrutura que apresenta enzimas digestivas capazes de digerir um grande número de produtos orgânicos. Apresenta-se de três formas: lisossomo primário, que contém apenas enzimas digestivas; lisossomo secundário ou vacúolo digestivo, que resulta da fusão de um lisossomo primário e um fagossomo ou pinossomo; e o lisossomo terciário ou residual, que contém apenas sobras da digestão intracelular. É responsável pela formação do acrossomo do espermatozoide, estrutura que contém hialuronidase que permite a fecundação do óvulo.

Centríolos

São estruturas cilíndricas, geralmente encontradas aos pares. É uma estrutura muito reduzida, de difícil observação ao microscópio óptico (M.O.). Apresenta-se como uma formação de 9 jogos de 3 microtúbulos dispostos em círculo, formando uma espécie de cilindro oco. Outro papel que os peroxissomos exercem é converter gorduras em glicose, para ser usada na produção de energia.

Célula Vegetal

Cloroplasto

Organela formada por duas membranas e por estruturas discoidais internas. Apresentam seu próprio DNA, RNA e ribossomos, a exemplo do que acontece com as mitocôndrias. A celulose forma fibras, enquanto as outras substâncias constituem uma espécie de cimento; juntas formam uma estrutura muito resistente.

Vacúolo de Suco Celular

Estrutura derivada do retículo endoplasmático que pode conter líquidos e pigmentos, além de diversas outras substâncias. Está relacionado com armazenamento e equilíbrio osmótico, sendo que sua membrana é denominada de Tonoplasto. O tamanho do vacúolo de suco celular pode ser associado à idade da célula, sendo que em células envelhecidas chega a ocupar até 95% do volume celular.

Núcleo Celular

Uma das principais características da célula eucarionte é a presença de um núcleo de forma variável, porém bem individualizado e separado do restante da célula. Ao microscópio óptico, o núcleo tem contorno nítido, sendo o seu interior preenchido por elementos figurados. Dentre os elementos, distinguem-se o nucléolo e a cromatina.

Quando uma célula se divide, seu material nuclear (cromatina) perde a aparência relativamente homogênea típica das células que não estão em divisão e condensa-se numa série de organelas em forma de bastão, denominadas cromossomos. Nas células somáticas humanas são encontrados 46 cromossomos. A divisão mitótica resulta normalmente em duas células-filhas, cada uma com cromossomos e genes idênticos aos da célula-mãe. A meiose resulta na formação de células reprodutivas (gametas), cada uma das quais tem apenas 23 cromossomos.

Os Cromossomos Humanos

Nas células somáticas humanas são encontrados 23 pares de cromossomos. Destes, 22 pares são semelhantes em ambos os sexos e são denominados autossomos. O par restante compreende os cromossomos sexuais, de morfologia diferente entre si, que recebem o nome de X e Y. No sexo feminino existem dois cromossomos X e no masculino existem um cromossomo X e um Y. O número de cromossomos das diversas espécies biológicas é muito variável.

O estudo morfológico dos cromossomos mostrou que há dois exemplares idênticos de cada em cada célula diploide. Portanto, nos núcleos existem pares de cromossomos homólogos. Denominamos n o número básico de cromossomos de uma espécie; portanto, as células diploides apresentarão em seu núcleo 2n cromossomos e as haploides n cromossomos. Cada cromossomo mitótico apresenta uma região estrangulada denominada centrômero ou constrição primária, que é um ponto de referência citológico básico dividindo os cromossomos em dois braços: p (de petit) para o braço curto e q para o longo. Os braços são indicados pelo número do cromossomo seguido de p ou q; por exemplo, 11p é o braço curto do cromossomo 11.

Além da constrição primária, certos cromossomos apresentam estreitamentos que aparecem sempre no mesmo lugar: são as constrições secundárias. De acordo com a posição do centrômero, distinguem-se alguns tipos gerais de cromossomos:

• Metacêntrico: Apresenta um centrômero mais ou menos central e braços de comprimentos aproximadamente iguais.
• Submetacêntrico: O centrômero é excêntrico e apresenta braços de comprimento nitidamente diferentes.
• Acrocêntrico: Apresenta centrômero próximo a uma extremidade. Os cromossomos acrocêntricos humanos (13, 14, 15, 21, 22) têm pequenas massas de cromatina conhecidas como satélites fixadas aos seus braços curtos.
• Telocêntrico: Apresenta o centrômero na extremidade, de modo que ocorre uma única cromátide. Não ocorre na espécie humana.

Reprodução dos Seres Vivos

Uma das características que melhor distingue os seres vivos da matéria bruta é sua capacidade de se reproduzir. A grande diversidade de seres vivos reflete-se nas formas de reprodução, agrupadas em duas categorias principais: a reprodução assexuada e a reprodução sexuada.

Reprodução Assexuada

É a forma mais simples de reprodução, envolvendo apenas um indivíduo. No caso de organismos unicelulares, a reprodução é feita a partir da fissão da célula que se divide em duas. Em organismos pluricelulares também há reprodução assexuada. Alguns vegetais, como as gramíneas, possuem raízes especiais, os rizomas, que geram novos brotos. Na Folha da Fortuna, surgem pequenos brotos nas folhas que dão origem a novos indivíduos.

Diversos grupos animais podem se reproduzir desse modo. Esponjas lançam pedaços que geram novos organismos. Celenterados, como a Hydra, realizam o brotamento. Em Equinodermos, como a estrela-do-mar, a partir de um braço pode surgir um novo organismo. Em todos os casos, ocorre uma clonagem natural. Organismos que realizam exclusivamente reprodução assexuada, como as bactérias, apresentam altas taxas de reprodução, o que aumenta a probabilidade de mutações.

Tipos:

• Divisão simples ou cissiparidade: Ocorre em organismos unicelulares, originando dois novos indivíduos geneticamente idênticos.
• Gemação ou Brotamento: Ocorre em organismos que formam colônias, como espongiários e cnidários. A esse conjunto denominamos gêmula.

Reprodução Sexuada

A reprodução sexuada é muito mais complexa, demandando maior gasto de energia. Existem seres com fecundação interna ou externa, desenvolvimento direto ou indireto. Há espécies monoicas (hermafroditas) e dioicas (sexos separados).

Tecidos do Corpo Humano

As células estão organizadas em grupos que trabalham de maneira integrada: os tecidos. Classificam-se em quatro grupos principais:

Tecido Epitelial

Células muito próximas com pouca substância intercelular. Forma a epiderme e reveste órgãos como a boca e o estômago. Também forma as glândulas, que produzem hormônios, suor, lágrima, etc.

Tecido Conjuntivo

Células afastadas com muita substância intercelular. Função de unir e sustentar órgãos. Inclui:

• Tecido Adiposo: Reserva de energia, isolante térmico e proteção contra choques.
• Tecido Cartilaginoso: Resistente e flexível (nariz, orelha, articulações).
• Tecido Ósseo: Rígido devido aos sais de cálcio. O esqueleto humano possui 206 ossos.
• Tecido Sanguíneo: O plasma transporta nutrientes e substâncias.

Tecido Muscular

Células chamadas fibras musculares com capacidade de contratilidade.

• Liso: Contração lenta e involuntária (órgãos internos).
• Estriado Esquelético: Contração rápida e voluntária (ligado aos ossos).

Tecido Nervoso

Formado por neurônios e células da glia (nutrição e proteção). Encontrado no cérebro e medula espinhal.

Sistemas do Corpo Humano

Sistema Digestório

Transforma alimentos por processos mecânicos e químicos em moléculas assimiláveis (digestão). Divide-se em:

• Tubo digestório médio: Estômago e intestino delgado.
• Tubo digestório baixo: Intestino grosso e reto.
• Boca: Início da digestão mecânica e química (enzima ptialina sobre o amido). A faringe e a epiglote garantem que o alimento siga para o esôfago.
• Esôfago: Conduz o alimento via peristaltismo.
• Estômago: Produz suco gástrico (ácido clorídrico e pepsina). A pepsina quebra proteínas em proteoses e peptonas, formando o quimo.
• Intestino Delgado: Dividido em duodeno, jejuno e íleo. Recebe a bile (fígado) e o suco pancreático (pâncreas) para neutralizar a acidez e digerir gorduras e nutrientes.
• Intestino Grosso: Composto por ceco, cólon e reto. Absorve água e forma o bolo fecal. As fibras vegetais são essenciais para este processo.

Sistema Respiratório

Fornece oxigênio e remove gás carbônico. Inclui as fossas nasais (aquecimento do ar), faringe, laringe (epiglote e cordas vocais), traqueia (anéis de cartilagem), brônquios, bronquíolos e alvéolos (trocas gasosas). O diafragma separa o tórax do abdome e auxilia na respiração.

Sistema Cardiovascular

Transporta oxigênio, nutrientes e hormônios. O coração humano possui quatro câmaras: dois átrios e dois ventrículos. O sangue rico em oxigênio sai pela artéria aorta, enquanto o sangue venoso retorna pelas veias cavas. A circulação pode ser simples (peixes) ou dupla (vertebrados terrestres).

Sistema Excretor

Elimina substâncias em excesso e tóxicas (metabolismo). Os rins possuem néfrons para filtragem. A urina é armazenada na bexiga e eliminada pela uretra, controlada por esfíncteres.

Sistema Nervoso

Coordena as atividades corporais. A unidade funcional é o neurônio.

• SNC (Central): Medula espinhal (reflexos) e Cérebro (coordenação, memória, sentidos). Protegido pelas meninges (pia-máter, dura-máter e aracnoide).
• SNP (Periférico): Dividido em Voluntário e Autônomo (Simpático e Parassimpático), controlando ações conscientes e inconscientes via adrenalina e acetilcolina.

Sistema Endócrino

Composto por glândulas que produzem hormônios:

• Hipófise: Produz hormônio do crescimento (GH) e antidiurético (ADH).
• Tireoide: Produz tiroxina (metabolismo). Hipertireoidismo acelera o corpo; hipotireoidismo o torna lento.
• Suprarrenais: Produzem adrenalina (preparação para ação/fuga).
• Pâncreas: Produz insulina (controla glicose) e suco pancreático.
• Gônadas: Ovários (estrogênio/progesterona) e Testículos (testosterona).

Genética e Genoma

A Genética estuda a hereditariedade. O genoma humano é o conjunto de genes contidos nos 23 pares de cromossomos. O DNA tem formato de dupla hélice com bases nitrogenadas: adenina com timina, citosina com guanina. O mapeamento genético permite prevenir doenças e desenvolver tratamentos específicos.

• Genética Molecular: Estudo em nível molecular.
• Genética Clássica: Técnicas pré-biologia molecular.
• Genética Ecológica: Interação com o meio ambiente.

Ecologia

A Ecologia estuda as interações entre os organismos e seu ambiente. O termo foi criado por Ernest Haeckel em 1869. Divide-se em Autoecologia, Demoecologia e Sinecologia, além de ramos modernos como Biologia da Conservação e Agroecologia. Ainda pode-se dividir