Ciência da Terra

Objectivos da lição

• Descrição de como os primeiros continentes se uniram.
• Entender o que foi necessário para a primeira vida e as várias formas de o fazer.
• Discutir a atmosfera inicial e como e porquê o oxigénio livre finalmente aumentou.
• Conhecer as características e vantagens dos organismos multicelulares.

Vocabulário

• ácidoamino
• craton
• cyanobacteria
• eukaryote
• extinto
• greenstone
• LUCA (último antepassado comum universal)
• metabolismo
• microbe
• microcontinente
• ácido nucleico
• paleogeografia
• fotossíntese
• plataforma
• prokaryote
• hipótese mundial de RNA
• protecção
• stromatólitos
• supercontinente
• symbiotic

Introdução

O maior período de tempo é a Era Pré-Cambriana, que inclui o Proterozóico, Arqueano, e Pré-Arqueano (também chamado de Hadeano). O Pré-Cambriano começou quando a Terra se formou e terminou no início do período Cambriano, há 570 milhões de anos. Os acontecimentos narrados na secção anterior fizeram todos parte da história mais antiga da Terra, o Hadeano. Mas ainda havia muito mais por vir na Era Pré-Cambriana. Os princípios geológicos explicados nos capítulos anteriores deste livro aplicam-se à compreensão da história geológica destes tempos antigos (Figura abaixo).

Continentes precoces

A primeira crosta foi feita de rocha basáltica, como a actual crosta oceânica. A fusão parcial da porção inferior da crosta basáltica começou há mais de 4 mil milhões de anos. Isto criou a crosta rica em sílica que se tornou nos continentes felsicos.

Cratões e Escudos

A crosta continental felsica mais antiga encontra-se agora nos antigos núcleos dos continentes, chamados cratões. Os movimentos rápidos das placas fizeram com que os cratões sofressem muitas colisões continentais. Pouco se sabe sobre a paleogeografia, ou a antiga geografia, do planeta primitivo, embora os continentes mais pequenos pudessem ter-se juntado e quebrado.

Os cratões são colocados à superfície como um escudo. Os cratões datam do Pré-Cambriano e são chamados escudos pré-cambrianos. Muitos escudos pré-cambrianos têm cerca de 570 milhões de anos (Figura abaixo).

Os geólogos podem aprender muitas coisas sobre o Pré-Archean estudando as rochas dos cratões.

• Cratões também contêm rochas ígneas félicas, que são remanescentes dos primeiros continentes.
• As rochas catónicas contêm grãos sedimentares arredondados. De que importância é este facto? Os grãos arredondados indicam que os minerais corroídos de um tipo de rocha anterior e que os rios ou mares também existiam.
• Um tipo de rocha comum nos cratões é a pedra verde, uma rocha vulcânica metamorfosada (Figura abaixo). Uma vez que as pedras verdes se encontram hoje em dia em trincheiras oceânicas, o que significa a presença de pedras verdes? Estas antigas pedras verdes indicam a presença de zonas de subducção.

p>Durante o Pré-Arqueano e o Arqueano, o interior da Terra era mais quente do que hoje. A convecção do manto era mais rápida e os processos tectónicos das placas eram mais vigorosos. Uma vez que as zonas de subducção eram mais comuns, as primeiras placas de crosta eram relativamente pequenas.

Na maioria dos locais as crateras eram cobertas por rochas mais jovens, que juntas são chamadas uma plataforma. Por vezes as rochas mais jovens erodiam para expor o cratão pré-câmbrico (Figura abaixo).

Desde o tempo em que foi completamente fundido, a Terra tem estado a arrefecer. Ainda assim, cerca de metade do calor interno que foi gerado quando a Terra se formou permanece no planeta e é hoje a fonte do calor no núcleo e manto.

Tectónica de Placas Pré-Cambrianas

No final do Arqueano, há cerca de 2,5 mil milhões de anos, os processos tectónicos de placas eram completamente reconhecíveis. Pequenos continentes proterozóicos conhecidos como microcontinentes colidiram para criar supercontinentes, o que resultou na elevação de maciças cadeias de montanhas.

A história do cratão norte-americano é um exemplo do que geralmente aconteceu aos cratões durante o Pré-Cambriano. À medida que o cratão se desviava, colidiu com microcontinentes e arcos de ilhas oceânicas, que foram adicionados aos continentes. A convergência foi especialmente activa entre 1,5 e 1,0 mil milhões de anos atrás. Estas terras juntaram-se para criar o continente de Laurentia.

A cerca de 1,1 mil milhões de anos atrás, Laurentia tornou-se parte do supercontinente Rodínia (Figura abaixo). A Rodínia continha provavelmente toda a massa terrestre na altura, que era cerca de 75% da massa terrestre continental presente hoje.

Rodinia separou-se há cerca de 750 milhões de anos. As provas geológicas desta ruptura incluem grandes fluxos de lava que se encontram nos locais onde se verificou a fractura continental. A propagação do fundo do mar acabou por começar e criou os oceanos entre os continentes.

A ruptura da Rodínia pode ter despoletado a Terra Bola de Neve há cerca de 700 milhões de anos atrás. A Bola de Neve Terra é a hipótese de que grande parte do planeta estava coberta de gelo no final do Pré-Cambriano. Quando o gelo derreteu e o planeta se tornou habitável, a vida evoluiu rapidamente. Isto explica a rápida evolução da vida nos períodos Ediacaran e Cambriano.

Este vídeo explora a origem dos continentes e a tectónica das placas precoces na jovem Terra (1c): http://www.youtube.com/watch?v=QDqskltCixA (5:17).

A presença de água na Terra antiga é revelada num cristal de zircónio (1c): http://www.youtube.com/watch?v=V21hFmZP5zM (3:13).

A Origem da Vida

Ninguém sabe como ou quando a vida começou na turbulenta Terra primitiva. Há poucas provas concretas de há tanto tempo. Os cientistas pensam que é extremamente provável que a vida tenha começado e sido dizimada mais de uma vez; por exemplo, pelo impacto que criou a Lua.

Para procurar informação sobre a origem da vida, os cientistas:

• perfazer experiências para recriar as condições ambientais encontradas nessa altura.
• estuda os seres vivos que fazem as suas casas nos tipos de ambientes extremos típicos dos primórdios da Terra.
• procura vestígios de vida deixados por microrganismos antigos, também chamados micróbios, tais como características microscópicas ou rácios isotópicos indicativos de vida. Quaisquer vestígios de vida deste período de tempo são tão antigos que é difícil ter a certeza se são originados por meios biológicos ou não biológicos.

O que é que uma molécula precisa de ser e fazer para ser considerada viva? A molécula deve:

• ser orgânica. As moléculas orgânicas necessárias são os aminoácidos, os blocos de construção da vida.
• têm um metabolismo.
• ser capaz de se reproduzir (ser capaz de se reproduzir).

Aminoácidos

Aminoácidos são os blocos de construção da vida porque criam proteínas. Para formar proteínas, os aminoácidos estão ligados entre si por ligações covalentes para formar polímeros chamados cadeias de polipeptídeos (Figura abaixo).

Estas cadeias estão dispostas numa ordem específica para formar cada tipo diferente de proteína. As proteínas são a classe mais abundante de moléculas biológicas. Uma questão importante que os cientistas enfrentam é a de onde vieram os primeiros aminoácidos: tiveram origem na Terra ou voaram a partir do espaço exterior? Independentemente da sua origem, a criação de aminoácidos requer as matérias-primas certas e alguma energia.

Para ver se os aminoácidos poderiam ter origem no ambiente que se pensava estar presente nos primeiros anos de existência da Terra, Stanley Miller e Harold Urey realizaram uma famosa experiência em 1953 (Figura abaixo). Para simular a atmosfera inicial, colocaram hidrogénio, metano e amoníaco num frasco de água aquecida que criou vapor de água, a que chamaram a sopa primordial. As faíscas simularam raios, que os cientistas pensavam que poderia ter sido a energia que impulsionou as reacções químicas que criaram os aminoácidos. Funcionou! Os gases combinados para formar compostos orgânicos solúveis em água, incluindo aminoácidos.

Uma encenação dramática desta experiência é realizada neste vídeo do programa de televisão Cosmos de 1980: http://www.youtube.com/watch?v=yet1xkAv_HY. No final pode aprender sobre o possível papel do RNA.

Os aminoácidos também podem ter tido origem em fontes hidrotermais ou nas profundezas da crosta onde o calor interno da Terra é a fonte de energia. Os meteoritos que contêm aminoácidos entram actualmente no sistema terrestre e por isso os meteoritos poderiam ter fornecido aminoácidos ao planeta a partir de outras partes do sistema solar (onde teriam sido formados por processos semelhantes aos aqui delineados).

Metabolismo

As moléculas orgânicas também devem realizar o trabalho químico das células; ou seja, o seu metabolismo. As reacções químicas num organismo vivo permitem a esse organismo viver no seu ambiente, crescer, e reproduzir-se. O metabolismo obtém energia de outras fontes e cria estruturas necessárias nas células. As reacções químicas ocorrem numa sequência de passos conhecidos como vias metabólicas. As vias metabólicas são muito semelhantes entre as bactérias unicelulares que existem há milhares de milhões de anos e as formas de vida mais complexas na Terra de hoje. Isto significa que elas evoluíram muito cedo na história da Terra.

Replicação

As células vivas precisam de moléculas orgânicas, conhecidas como ácidos nucleicos, para armazenar informação genética e passá-la para a geração seguinte. O ácido desoxirribonucleico (ADN) é o ácido nucleico que transporta informação para quase todas as células vivas de hoje em dia, e que o fez durante a maior parte da história da Terra. O ácido ribonucleico (RNA) fornece instruções genéticas para a localização numa célula onde a proteína é sintetizada.

A famosa estrutura de dupla hélice do ADN é vista nesta animação: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/81/ADN_animation.gif.

Muitos cientistas pensam que o RNA foi o primeiro replicador. Como o RNA catalisa a síntese de proteínas, a maioria dos cientistas pensa que o RNA veio antes das proteínas. O RNA também pode codificar instruções genéticas e transportá-lo para células filhas, tais como DNA.

A ideia de que o RNA é a molécula orgânica mais primitiva é chamada a hipótese do mundo do RNA, referindo-se à possibilidade de o RNA ser mais antigo do que o ADN. O RNA pode transmitir instruções genéticas como o ADN pode, e algum RNA pode levar a cabo reacções químicas como as proteínas can.

Um vídeo que explica a hipótese do mundo do RNA é visto aqui: http://www.youtube.com/watch?v=sAkgb3yNgqg. Peças de muitos cenários podem ser reunidas para se chegar a uma sugestão plausível de como a vida começou.

Simples Cells Evolve

Simples organic molecules such as proteins and nucleic acids eventually became complex organic substances. Os cientistas pensam que as moléculas orgânicas aderiram a minerais de argila, o que forneceu a estrutura necessária para que estas substâncias se organizassem. As argilas, juntamente com os seus cátions metálicos, catalisaram as reacções químicas que levaram as moléculas a formar polímeros. Os primeiros fragmentos de RNA poderiam também ter-se juntado em argilas antigas.

Para que uma molécula orgânica se torne uma célula, ela deve ser capaz de se separar do seu ambiente. Para encerrar a molécula, uma membrana lipídica cresceu à volta do material orgânico. Eventualmente, as moléculas poderiam sintetizar o seu próprio material orgânico e replicar-se. Estas tornaram-se as primeiras células.

As primeiras células eram procariotas (Figura acima). Embora os procariotas tenham uma membrana celular, faltam-lhes um núcleo celular e outras organelas. Sem um núcleo, o RNA estava solto dentro da célula. Com o tempo, as células tornaram-se mais complexas.

Evidência para bactérias, as primeiras formas de vida unicelulares, remontam a 3,5 mil milhões de anos (Figura acima).

A vidaventual começou a diversificar-se a partir destas células extremamente simples. A última forma de vida que foi o antepassado de toda a vida que veio depois chama-se LUCA, que significa o Último Ancestral Comum Universal. A LUCA era um procariote, mas diferente das primeiras células vivas porque o seu código genético era baseado no ADN. A LUCA viveu há 3,5 a 3,8 mil milhões de anos. Os fósseis mais antigos são pequenos objectos semelhantes a micróbios com 3,5 mil milhões de anos.

Fotossíntese e a Atmosfera em Mudança

Sem fotossíntese, o que comiam as primeiras células? Muito provavelmente absorveram os nutrientes que flutuavam na sopa orgânica que as rodeava. Após centenas de milhões de anos, estes nutrientes ter-se-iam tornado menos abundantes.

Há cerca de 3 mil milhões de anos (cerca de 1,5 mil milhões de anos após a formação da Terra!), a fotossíntese começou. A fotossíntese permitiu aos organismos utilizar a luz solar e moléculas inorgânicas, como o dióxido de carbono e a água, para criar energia química que poderiam utilizar na alimentação. Para fotossíntese, uma célula necessita de cloroplastos (Figura abaixo).

Em que duas formas a fotossíntese tornou o planeta muito mais favorável à vida?

1. A fotossíntese permitiu que os organismos criassem energia alimentar para que não precisassem de depender de nutrientes a flutuar no ambiente. Os organismos fotossintetizadores poderiam também tornar-se alimento para outros organismos.

2. Um subproduto da fotossíntese é o oxigénio. Quando a fotossíntese evoluiu, de repente, o oxigénio estava presente em grandes quantidades na atmosfera. Para organismos habituados a um ambiente anaeróbico, o gás era tóxico, e muitos organismos morreram.

Terceira Atmosfera da Terra

A adição de oxigénio é o que criou a terceira atmosfera da Terra. Este acontecimento, que ocorreu há cerca de 2,5 mil milhões de anos atrás, é por vezes chamado de catástrofe do oxigénio, porque muitos organismos morreram. Embora muitas espécies tenham morrido e se tenham extinguido, este evento também é chamado de Grande Evento de Oxigenação porque foi uma grande oportunidade. Os organismos que sobreviveram desenvolveram um uso de oxigénio através da respiração celular, o processo pelo qual as células podem obter energia a partir de moléculas orgânicas.

Que provas têm os cientistas de que grandes quantidades de oxigénio entraram na atmosfera? O ferro contido nas rochas combinado com o oxigénio para formar óxidos de ferro avermelhados. No início do Proterozóico, estavam a formar-se formações de ferro em bandas (BIF). Os BIFs mais antigos têm 3,7 mil milhões de anos, mas são muito comuns durante o Grande Evento de Oxigenação há 2,4 mil milhões de anos (Figura abaixo). Há 1,8 mil milhões de anos atrás, a quantidade de BIF diminuiu. Em tempos recentes, o ferro nestas formações foi minado, e isso explica a localização da indústria automóvel na parte superior do Midwest.

Com mais oxigénio na atmosfera, a radiação ultravioleta poderia criar ozono. Com a formação de uma camada de ozono para proteger a superfície da Terra da radiação UV, formas de vida mais complexas poderiam evoluir.

Organismos precoces

O que foram estes organismos que mudaram completamente a progressão da vida na Terra ao mudar a atmosfera de anaeróbica para aeróbica? Os fósseis mais antigos conhecidos que provêm de organismos conhecidos pelo photosynthesize são as cianobactérias (Figura abaixo). As cianobactérias estavam presentes há 2,8 mil milhões de anos, e algumas podem ter estado presentes há 3,5 mil milhões de anos.

As cianobactérias modernas também são chamadas algas azul-verde. Estes organismos podem ser constituídos por uma ou muitas células e são encontrados em muitos ambientes diferentes (Figura abaixo). Mesmo agora as cianobactérias são responsáveis por 20% a 30% da fotossíntese na Terra.

Cyanobacteria eram as formas de vida dominantes no Arqueano. Porque é que uma forma de vida tão primitiva teria sido dominante no Pré-Cambriano? Muitas cianobactérias viviam em estruturas semelhantes a recifes conhecidas como estromatólitos (Figura abaixo). Os estromatólitos continuaram no Cambriano mas os seus números diminuíram.

Eukaryotes

Cerca de 2 mil milhões de anos atrás, os eukaryotes evoluíram. As células eucariotas têm um núcleo que encerra o seu ADN e ARN. Todas as células complexas e quase todos os animais multicelulares são eucariotas.

A evolução dos eucariotas a partir dos procariotas é um assunto interessante no estudo da vida precoce. Os cientistas pensam que as pequenas células procariotas começaram a viver juntas numa relação simbiótica; ou seja, diferentes tipos de pequenas células eram benéficas umas para as outras e nenhuma prejudicava a outra. Os tipos de células pequenas assumiram cada um uma função especializada e tornaram-se as organelas dentro de uma célula maior. As organelas forneciam energia, decompunham resíduos, ou faziam outros trabalhos que eram necessários para que as células se tornassem mais complexas.

O que se pensa ser o fóssil eukaryote mais antigo encontrado até agora tem 2,1 mil milhões de anos. As células eucariotas eram muito mais capazes de viver e reproduzir-se, pelo que continuaram a evoluir e tornaram-se a forma de vida dominante sobre as células procariotas.

Vida multicelular

Prokariotas e eucariotas podem ser ambas multicelulares. Os primeiros organismos multicelulares eram provavelmente cianobactérias procarióticas. A multicelularidade pode ter evoluído mais de uma vez na história da vida, provavelmente pelo menos uma vez para as plantas e uma vez para os animais.

Os organismos multicelulares precoces eram de corpo mole e não fossilizavam bem, tão poucos restos da sua existência. Os organismos multicelulares serão discutidos na lição, History of Earth’s Complex Life Forms.

Lesson Summary

• Após o derretimento parcial da crosta basáltica original, as rochas ricas em silca formaram a crosta continental inicial.
• A crosta continental felsica mais antiga é encontrada nos cratões. Um cratão encontrado à superfície é um escudo; um cratão coberto de sedimentos é uma plataforma.
• As rochas pré-cambrianas ajudam os cientistas a reconstituir a geologia daquela época.
• Os continentes formados à medida que os cratões colidiam com microcontinentes e arcos insulares para formar grandes continentes.
• Rodinia era um supercontinente composto por Laurentia e outros continentes.
• A Terra bola de neve pode ter ocorrido durante o final do Pré-Cambriano e o seu fim pode ter levado à explosão de formas de vida que se desenvolveram durante o Ediacaran e o Cambriano.
• Os aminoácidos foram essenciais para a origem da vida. Eles ligam-se para formar proteínas.
• RNA pode ter sido o primeiro e único ácido nucleico no início da vida.
• Uma célula precisa de uma forma de se replicar, um metabolismo, e uma forma de se separar do seu ambiente.
• Uma atmosfera que contenha oxigénio é importante devido à camada de ozono e à respiração celular.
• Organismos multicelulares evoluíram muito depois de os procariotas terem evoluído e podem ter evoluído mais de uma vez.

Perguntas de revisão

1. Qual é a diferença entre um cratão, escudo, e plataforma?
2. Se uma rocha contém grãos arredondados de sedimentos, o que se pode dizer sobre essa rocha?
3. O que é que uma pedra verde indica sobre o ambiente tectónico da placa em que se formou?
4. O que aconteceu a todo o calor que a Terra tinha quando se formou?
5. O que era Laurentia e de que terras era composta? O que lhe aconteceu?
6. Como era Rodínia como Pangaea?
7. Quais eram as possíveis fontes de aminoácidos na Terra antiga?
8. Qual era o significado da experiência Miller-Urey?
9. Qual era a hipótese do mundo RNA e porque se chama isso?
10. Qual era a diferença entre procariotas e eucariotas?
11. O que era LUCA? A LUCA ainda está viva?
12. Porquê são importantes as formações de ferro em banda?
13. Porquê eram importantes as cianobactérias no início da Terra?
14. Como se pensa que os eucariotas tiveram origem?

Outras Leituras / Links Suplementares

li>Leia sobre o material mais antigo ainda encontrado no Sistema Solar: http://news.nationalgeographic.com/news/2010/08/100823-oldest-solar-system-two-million-years-older-science/.

Pontos a considerar

>li> Como seria a vida na Terra se não houvesse oxigénio livre?
• Porque demorou tanto tempo para os organismos eucariotas ou multicelulares evoluírem?
• Como é que a evolução da vida afectou as partes não-biológicas do planeta?