Paleoceanografia e as idades do gelo

A paleoceanografia trata da história do oceano, incluindo o desenvolvimento da forma das bacias oceânicas, correntes superficiais e profundas e produtividade biológica. Um dos objetivos principais da paleoceanografia é compreender o papel dos processos oceânicos nas alterações climáticas e no ambiente global, através da reconstrução das condições ambientais para vários intervalos de tempo e níveis de precisão.

Mamute

Powerpoint (Paleoambientes e isótopos)Geologia – Arquivos no Gelo

Para a realização de reconstruções paleoceanográficas utilizam-se proxies, isto é, descritores mensuráveis que podem ser usados como variáveis desejadas (mas não observáveis) como a temperatura, salinidade, nutrientes, oxigénio, concentração de dióxido de carbono, velocidade do vento e produtividade.

Isótopos de oxigénio 

Os isótopos são variantes de um elemento químico diferindo apenas no seu peso atómico, mais especificamente no seu número de neutrões. Existem três isótopos de oxigénio: 16O, 17O e 18O, Figura 1.

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Figura 1 – O 16O é o mais abundante e a maioria dos estudos, concentra-se no rácio dos isótopos mais abundantes: o 16O e 18O.

A composição isotópica de qualquer substância é dada em termos da variação da razão entre diferentes isótopos em comparação com a razão isotópica de uma substância de composição conhecida, sendo apresentada na forma da notação δ (delta), Figura 2.

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Figura 2 – Uma amostra apresentando δ (delta) positivo representa uma composição enriquecida no isótopo mais pesado, em relação ao padrão, enquanto δ=0 indica que a composição isotópica da amostra é igual a do padrão.

A variação da composição isotópica de oxigénio está diretamente relacionadas a mudanças paleoambientais e, devido a isso, representa uma ferramenta para a interpretação de paleoambientes, especialmente na obtenção de parâmetros tais como paleotemperatura, paleoprodutividade, variações do nível do mar, Figura 3.

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Figura 3 – Para a obtenção de um valor de isótopos estáveis é realizada a comparação relativa do valor da razão isotópica medida com o valor obtido em um material de referência ou padrão arbitrário, por exemplo, SMOW (Standard Mean Ocean Water). A unidade aceita para medidas de isótopos é o valor delta (δ), expresso em per mil (‰). O valor δ é definido na Equação. As moléculas de água mais pesadas terão pressão de vapor menor e, consequentemente, o vapor de água resultante da evaporação da água líquida é enriquecido nos isótopos mais leves (16O). Da mesma forma, a condensação do vapor de água em nuvens, produzindo chuva, causa o enriquecimento da fase líquida nos isótopos mais pesados, uma vez que a molécula O18 passa mais facilmente para a fase líquida devido à sua menor pressão de vapor.

Se o valor de δ for maior que o zero ou positivo, a amostra está enriquecida no isótopo pesado (em relação ao material de referência utilizado). Se o valor δ for menor que o zero ou negativo, indica que a amostra está empobrecida no isótopo pesado (em relação ao material de referência utilizado). No caso do oxigénio pode ser utilizado o padrão SMOW (Standard Mean Ocean Water).  Os resultados são apresentados graficamente gerando curvas em relação ao valor do material de referência (zero). Os resultados estão sempre relacionados ao isótopo pesado.

Quando a água do mar evapora ocorre um processo de fracionamento natural e mais moléculas de água com 16O são evaporadas (por serem leves), enriquecendo a água atmosférica, nuvens e chuvas com o 16O. Em um ambiente não glacial o balanço de 18O para 16O é mantido porque a água da chuva caindo sobre o continente, rapidamente retorna para os oceanos pelos rios,  Figura 4.

Gelo

Figura 4 – Durante o período de glaciação o balanço de 18O para 16O é o contrário porque a mistura atmosférica não regressa rapidamente para o oceano, mas cai como neve e é armazenada nas calotes de gelo. Como consequência, durante o período glaciário o oceano é enriquecido em 18O. A formação dessas calotas de gelo aprisiononam uma elevada quantidade de água enriquecida em 16O aumentando a concentração de 18O nos oceanos (valores da razão δ18O elevados).

A existência de glaciações a cobrir todas as massas continentais foram pouco frequentes ao longo da História da Terra. Estão hoje identificadas no registo estratigráfico provas da existência de importantes períodos glaciários durante o Pré-Câmbrico, um há mais de 2000 milhões de anos e outro à cerca de 600 milhões de anos. Também durante a Era Paleozóica se encontraram vestígios de episódios de glaciação que afetaram muitas regiões do Globo.

Scala Naturae

Até ao final do século XVIII considerava-se que as “espécies naturais” eram imutáveis desde a criação, e que se podiam ordenar numa escala de perfeição crescente desde os minerais até ao Homem ( e acima deles, os anjos), numa Grande Cadeia de Seres (ou Scala Naturae).

Cão

Galeria da Biodiversidade (Porto) – Um espaço onde a arte se cruza com a biologia e a história natural, estimulando uma panóplia de experiências sensoriais, propositada e cuidadosamente concebidas para celebrar a diversidade da vida, a Galeria da Biodiversidade é o primeiro espaço museológico do mundo criado de raiz segundo a filosofia da museologia total. (https://mhnc.up.pt/galeria-da-biodiversidade/)

Carl Von Linne ou Lineu (1707-1778), ao criar o sistema binominal de nomenclatura científica que ainda é utilizado,  mostrou que a ideia de uma cadeia única não estava de acordo com os factos. Dá-se o nome de nomenclatura ao conjunto de regras utilizadas na designação dos taxa (níveis taxonómicos). Algumas das regras de nomenclatura atualmente utilizadas foram inicialmente propostas por Lineu. Uma das mais importantes é a nomenclatura binominal, que acabou por substituir complicadas designações polinominais na designação da espécie. Cada espécie passou a ser designada por dois termos, por exemplo, Canis lupus (lobo), assumindo cada um deles um significado definido. O primeiro indica o nome do género (Canis) a que a espécie pertence, devendo ser iniciado por maiúscula. Este nome pode ser usado isoladamente para designar o género. O segundo- restritivo ou epíteto específico – complementará sempre o primeiro, de forma a identificar determinada espécie dentro desse género, devendo ser integralmente escrito em minúsculas. O nome da espécie, habitualmente impresso em itálico, deverá ser sublinhado quando manuscrito. A designação do género e da espécie, bem como de outras categorias taxonómicas, é, por convenção, expressa em latim, o que garante a estabilidade e a universalidade desta nomenclatura.

O nome do autor e a data da classificação poderão estar associados ao nome da espécie, daí resultando uma classificação mais completa. Neste caso, o nome do classificador pode ser escrito por extenso ou, se abreviado (Gadus morhua Linn.), imediatamente a seguir à designação da espécie sem interposição de qualquer sinal ortográfico, escrevendo-se a data após uma vírgula.

 

É a Lineu que se deve um dos primeiros sistemas de classificação com um grau de estruturação assinalável. Estes sistemas apesar de terem evoluído e de se terem diversificado mantêm parte da hierarquização proposta por Lineu. Nestes, os grupos hieraquicamente relacionados, categorias taxonómicas, níveis taxonómicos ou taxa (plural de taxon), tornam evidente o grau de semelhança entre eles.

A categoria mais restrita, entendida como unidade biológica de classificação e agrupamento natural, com menor capacidade de inclusão, mas mais uniforme, é a espécie. O reino é a categoria mais abrangente ou com maior amplitude, sendo por isso mais heterogénea. Entre estes dois extremos consideram-se o género, a família, a ordem, a classe e o filo (divisão nas plantas), sendo que um género agrupa espécies semelhantes, uma família géneros semelhantes, etc. Assim, ao longo desta hierarquia (da espécie para o reino) vai aumentando o grau de parentesco entre eles.

A possibilidade desta classificação hierárquica, em que conjuntos de organismos são obviamente mais semelhantes entre si do que outros conjuntos, não suporta a ideia da Scala Naturae.

No tempo de Darwin, a classificação lineana era aceite, mas não tinha explicação.

SARS-CoV-2 e a Engenharia Genética

O PCR pode ser usado para amplificar quantidades infinitesimais de material genético de agentes patogénicos que possam estar presentes em amostras de sangue, células, água, alimentos e outras amostras biológicas ou ambientais. Testes baseados em técnicas de PCR podem ser postos em prática para deteção de agentes infeciosos que são extremamente difíceis de cultivar em laboratório.

Além desta técnica, muitas outras têm sido desenvolvidas com vista à manipulação do material genético.

Biologia 12 – Engenharia Genética (Powerpoint)

São várias as aplicações da Engenharia Genética (biotecnologia) na saúde, tais como a produção de vacinas e antibióticos, o desenvolvimento de novas drogas, técnicas de diagnóstico molecular, terapias regenerativas e o desenvolvimento da engenharia genética para tratar doenças através de manipulação genética.

A Engenharia Genética permite manipular diretamente os genes de determinados organismos com objetivos práticos. São várias as aplicações da Engenharia Genética e as técnicas utilizadas.

Escherichia coli: o sistema hospedeiro por eleição

A Escherichia coli continua a ser o hospedeiro preferido para a expressão de proteínas recombinantes e as razões do seu uso são bem conhecidas: facilidade de manipulação genética, culturas de baixo custo e uma expressão rápida, com as proteínas a serem normalmente produzidas num só dia. Estes organismos apresentam plasmídeos que podem ser utilizados como vetores. Um vetor é uma entidade constituída por DNA, que transfere de uma célula ou de um organismo dador para uma célula de um organismo recetor.

Tecnologia do DNA recombinante

Permite combinar ma mesma molécula de DNA genes provenientes de fontes diferentes, mas não necessariamente de espécies diferentes, dando origem a uma molécula de DNA recombinante (rDNA).

A obtenção e expressão de uma molécula de rDNA processa-se do seguinte modo:

  1. Seleciona-se uma molécula de DNA dadora, contendo gene com interesse que se pretende transferir e clonar, e um vetor (utilização de plasmídeos) adequado.
  2. A molécula de DNA e o vetor são tratados com a mesma enzima de restrição, que corta as duas moléculas em regiões com a mesma sequência de nucleótidos.
  3. Misturam-se os fragmentos de restrição da molécula de DNA e o vetor e juntam-se ligases(enzimas) do DNA.
  4. O vetor contendo o DNA dador, é transferido para uma célula ou organismo recetor.
  5. O DNA dador é incorporado no genoma da célula ou do organismo recetor, que passa a possuir um DNA recombinante.

DNA complementar (cDNA)

O cDNA é uma molécula de DNA sem intrões que é diretamente transcrita numa molécula de RNA funcional.  No processo de obtenção de cDNA isola-se uma molécula de mRNA funcional da célula à qual é adicionada uma transcriptase reversa (enzima) e nucleótidos de DNA. A transcriptase cataliza  síntese de uma cadeia simples de DNA a partir do molde de mRNA. Na fase final tem de ser adicionada a enzima DNA polimerase à cadeia molde permitindo assim a formação da cadeia complementar. O fragmento de DNA obtido pode agora ser inserido num vetor utilizando a tecnologia do DNA recombinante.

Reacções de Polimerização em cadeia (PCR)

Este processo permite amplificar qualquer porção de DNA fora das células. O fragmento de DNA algo começa por ser aquecido de modo a separar as duas cadeias da dupla hélice. Adicionam-se nucleótidos e DNA polimerase resistente ao calor (obtida a partir de microrganismos termófilos). A DNA polimerase cataliza a formação das cadeias complementares reconstituindo a dupla hélice. Este procedimento é repetido e em cada ciclo a quantidade de DNA duplica. Esta técnica permite a obtenção de biliões de cópias de uma porção de DNA em poucas horas e é executada por aparelhos.

Geologia no processo de Polymerase Chain Reaction (PCR)

A PCR começou a ser desenvolvida na década de 80 por Kary Mullis, o qual recebeu em 1993 o prémio Nobel da química precisamente por esse trabalho. As reações originais eram feitas em tubos contendo os componentes necessários e eram manualmente mudados entre banhos de água maria para se obter as temperaturas adequadas a cada etapa da reação. A enzima que fazia a amplificação, a DNA polimerase da E. coli era termossensível o que obrigava à adição de nova enzima no final de cada ciclo.

Mais tarde, a descoberta de polimerases termoestáveis revelou ser o maior avanço na tecnologia de automatização do PCR, não havendo a perda de enzima em cada ciclo Esta polimerase de bactérias (Thermus aquaticus) que habitam nascentes termais com águas extremamente quentes permitiram solucionar o problema uma vez que resistia a todos os ciclos  de aquecimento e arrefecimento.

DNA fingerprint ou impressões digitais genéticas

Esta técnica é utilizada não só para resolver problemas relacionados com a filiação biológica mas, sobretudo, em ciência forense, na investigação criminal. Identifica indivíduos pelo número de fragmentos em que o DNA é dividido, após ser cortado pela enzima de restrição. A visualização é feita em gel. Os fragmentos de diferentes tamanhos, podem ser separados por eletroforese, isto é, quando o DNA é sujeito a uma campo elétrico, migra para o polo positivo, pois as cargas negativas dos grupos fosfato que compõem os nucleótidos são atraídas para este pólo. Fragmentos de DNA com menores dimensões movem-se mais rapidamente no gel do que fragmentos maiores. Como cada indivíduo (com exceção dos gémeos verdadeiros) possui um património genético único, quando o seu DNA é cortado com enzimas de restrição, gera-se um padrão de bandas típico. Este padrão de fragmentos funciona como um “código de barras” genético único para cada organismo.

O desenvolvimento da ciência e da tecnologia tem permitido produzir vacinas, medicamentos e alimentos geneticamente modificados para uma população crescente. No campo da ciência forense, as técnicas desenvolvidas permitem identificar um indivíduo com recurso a uma ínfima quantidade de material biológico.

Referências:

Biodesafios 12º ano. Edições Asa

Evolucionismo

Nós, humanos, somos como um recém-nascido deixado na soleira da porta, sem um bilhete a explicar quem é, de onde veio, que carga hereditária de qualidades e defeitos traz consigo ou que seriam os seus antepassados. Estamos ansiosos por ver a ficha do órfão. 

Carl Sagan

Para explicar cientificamente quaisquer fenómenos, não basta observar e experimentar. É necessário descobrir os processos que o motivam. A análise da relação entre o ambiente e os organismos constitui parte preponderante das teorias evolutivas.

As teorias sobre evolução biológica começaram a tomar corpo como doutrinas científicas a partir do momento em que se inicia o estudo da morfologia dos seres vivos, tentativa para a sua classificação e o estudo de evolução geológica da Terra.  Ao longo dos últimos dois séculos novos dados foram acrescentados aos argumentos inicialmente utilizados a favor do Evolucionismo.

Que mecanismos determinaram essa Evolução?

Se recuarmos aos princípios do século XIX, época em que o evolucionismo deu os seus primeiros passos, pode colocar-se a seguinte questão: de que elementos dispunham os naturalistas para elaborarem as teorias da evolução?

As leis de Mendel (sobre a transmissão dos caracteres hereditários) ainda não eram conhecidas. Um facto preponderante das teorias evolucionistas foi a influência do ambiente sobre os seres vivos.

Darwin

Museu de História Natural de Londres. Segundo Lamarck, existe uma força que tende a aperfeiçoar progressivamente os seres vivos, transformando as espécies mais simples em espécies cada vez mais complexas, numa cadeia basicamente linear, semelhante à Scala Naturae. Uma das implicações dessa ideia era que não há extinção porque os seres vivos não se extinguem, transformam-se.  A Origem das Espécies de Darwin tornou-se célebre como nenhum outro livro científico. Neste livro Darwin tentou demonstrar que ocorrera evolução devido a um processo de descendência com ramificações sucessivas (“Árvore da Vida”), e  a demonstração que a seleção natural era o mecanismo evolutivo.

Lamarckismo

Jean Baptiste de Lamarck (1744-1829), um dos pioneiros das ideias sobre a evolução, propôs na sua obra Philosophie Zoologique, em 1801, uma teoria para explicar a evolução, baseada nos seguintes princípios:

  • lei do uso e desuso;
  • lei da herança dos caracteres adquiridos;

Segundo o Lamarquismo, a evolução das espécies seria explicada do seguinte modo: perante um novo ambiente, a espécie sente uma “necessidade” de se adaptar, tendo que adquirir (desenvolver) ou atrofiar determinada característica – lei do uso e desuso. Esta característica adquirida pelo uso/perdida pelo desuso é transmitida à descendência ao longo das gerações – lei da herança dos caracteres adquiridos.

Darwinismo

Charles Darwin (1809-1882) propôs na sua obra “A Origem das Espécies”, em 1859, uma teoria para explicar a evolução, conhecida por teoria da seleção natural, baseada em muitos dados recolhidos ao longo da sua vida:

  • Viagem de circum-navegação (no Beagle) em que observou, nas diferentes ilhas do arquipélago das Galápagos, uma grande diversidade de formas (diferentes formas de bicos de tentilhões, diferentes tamanhos do pescoço das tartarugas);
  • Leitura do livro Ensaio sobre a População do economista inglês Thomas Malthus, defensor da teoria segundo a qual as populações crescem em progressão geométrica, ao passo que o alimento cresce em progressão aritmética.

Segundo o Darwinismo, numa população há variações. Perante a alteração do ambiente, a população pode ficar sujeita a nichos ecológicos semelhantes ou diferentes. As populações portadoras de variações favoráveis são naturalmente selecionadas (seleção natural), por estarem melhor adaptadas, e assim preservadas (sobrevivem). As portadoras de variações desfavoráveis são também selecionadas, mas negativamente, sendo eliminadas por estarem em desvantagem competitiva . Pela reprodução (reprodução diferencial), estas variações favoráveis são transmitidas à descendência ao longo de gerações, passando a existir em maior número na nova população modificada por seleção natural.

Quando Darwin morreu, a “Revolução Darwiniana” apenas mudara as ideias relativamente à evolução por descendência comum. A seleção natural, a contribuição mais revolucionária de Darwin, tinha pouca aceitação, em parte devido a problemas não resolvidos como o da hereditariedade, mas sobretudo devido ao carácter automático, imediatista e contingente da seleção. Assim, muitos cientistas preferiram invocar tendências intrínsecas que levariam os seres vivos em direções determinadas, relegando a seleção natural para um papel eliminador.

As descobertas científicas do século XX permitiram  ampliar e consolidar o conceito de evolução proposto por Darwin. 

Continua…

Ser ou não ser

Cada indivíduo é único do ponto de vista bioquímico. Por este motivo, o sistema imunitário é capaz de reconhecer aquilo que pertence ao organismo e o que lhe é estranho. Na superfície de cada célula existem glicoproteínas (proteínas associadas a glícidos) que são diferentes das moléculas presentes nas células de outras espécies e mesmo de outros membros da mesma espécie.

O complexo major de histocompatibilidade ou MHC (do inglês Major Histocompatibility Complex) é talvez a região cromossómica mais importante do genoma humano em relação ao desenvolvimento e funcionamento do sistema imunológico.

As diferenças que existem entre as superfícies celulares de cada organismo  residem na variabilidade genética. De facto, a expressão de diferentes formas alélicas produz proteínas distintas, algumas das quais se encontram na superfície das membranas celulares, funcionando como um sistema de identificação. Por esta razão, as glicoproteínas da superfície membranar que permitem identificar uma célula como pertencente ou não a um determinado organismo tomam a designação de marcadores. Estes marcadores são codificados por um conjunto de genes ligados que se encontram no cromossoma 6 e constituem o MHC.

Atualmente sabe-se que o sistema imunitário deteta marcadores diferentes dos que são próprios do organismo, ou quando deteta sinais de perigo, desencadeia uma resposta imunitária.

Uma resposta imunitária é um conjunto de processos que permite ao organismo reconhecer a presença de substâncias estranhas ou anormais, de forma a que sejam neutralizadas e eliminadas.

No ser humano, pode considerar-se a existência de dois tipos de resposta imunitária ou mecanismos de defesa:

  • Mecanismos de defesa não específicos (imunidade inata);
  • Mecanismos de defesa específicos (imunidade adquirida);

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