Viata. Ce este viata si care sunt principalele faze ale aparitiei vietii pe Terra.

Viata. Ce este viata si care sunt principalele faze ale aparitiei vietii pe Terra. Logica evolutiei si cele 4 momente ale dinamicii biosferei. Primele organisme vii identificate ca fosile. Ce varsta are Terra si cand au aparut primele organisme vii ?. Denumiti cele 4 elemente ce caracterizeaza unitatea lumii vii. Enuntati momentele timpului geologic : eon, ere, perioade

Ce este viata ?. Cum si cand a aparut viata ?

Biologia considera viata ca proprietatea intrinseca si specifica o organizarii si interactiunii macromoleculelor (in special proteine si aminoacizi). Viata inseamna in primul rand miscare (de la miscarea protoplasmei, la miscarea cililor si flagelilor, la contractia fibrei musculare, la circulatia sevei la plante, la alergare).Viata este deci o forma biologica de miscare a materiei.

"Viata este acea forma de miscare a materiei care se desfasoara in sisteme deschise si autoreglabile (Jacob 1981; Segal 1982; Wittemberger 1983; Pauling 1987; Moore 1989; Murphy si O'Neill, 1999).

"Viata este productia continua de entropie, de ordine" (Schrodinger 1980).. Intre "viu" si "neviu" nu s-a facut niciodata o distintie clara, iar viata trebuie conceputa ca un mod de existenta definit prin insusiri cuantificabile, ea fiind gradabila - "ceva poate fi mai mult sau mai putin viu" (Wittemberger 1983).

A raspunde la intrebarea - ce este viata ?, implica un aspect mai complicat. Raspunsul poate fi de tipul celui dat de L. Armstrong la intrebarea unui fan care i-a cerut sa dea o definitie jazz-ului: "omule, daca este nevoie sa intrebi, nu vei sti niciodata"

Intr-un biosistem viata este legata de substanta, energie si informatie ceea ce reprezinta "triada existentiala a vietii" (triada metodologica) (Sahleanu 1973).

"Viata este o continua ajustare a relatiilor interne la cele externe. Este o coordonare a actiunilor" (Spencer) "Viata reprezinta o succesiune de evenimente, intre continuu - discontinuu, evenimente ce au loc in sisteme de felurite dimensiuni si structuri (de la agregate moleculare la biogeosfera), prin coordonarea a trei categorii de fluxuri, calitativ si cantitativ deosebite: fluxul de substante biostructuratoare si biometamorfozatoare, fluxul energetic si fluxul de informatie genetica si paragenetica ." (Soran si colab. 2003).

"Viata este un sistem in care proteinele si acizii nucleici interactioneaza intr-un asemenea mod incat definesc o structura care creste si se reproduce" "Viata este un fenomen capabil de evolutie darwinista"(Knoll 1999)

Dintre sumedenia de "definitii" date vietii, poate ca cea mai aproape de realitatea este cea a paleontologului Andrew Knoll (Harvard University , citat si mai sus, care spune ca "viata este chimie si este o reproducere a elementelor chimice".

Dinamica si evolutia vietii

In ceea ce priveste aparitia vietii, in dinamica biosferei au existat 4 momente deosebit de importante:

1. Dinamizarea materiei din ecosfera si aparitia viului. Astazì stim ca aparitia vietii este legata de aparitia moleculelor biologice si pentru aceasta a fost necesar sa fie parcurs un lung drum de la chimism la biologic. Inainte de aparitia vietii (acum cca. 3,6-3,7 miliarde de ani) (Fig. 3-5), tanara planeta Pamant - Terra primitiva - a fost caracterizata asadar de un imens vulcanism, bombardata de comete, radiatii de toate tipurile si descarcari electrice (Fig. 3-2).

Toate acestea au asigurat o atmosfera puternic reducatoare (dominata de apa, amoniac, hidrogen, metan, azot). Pornind de la acesti compusi, in cca. 1 miliard de ani s-a ajuns la aparitia vietii, primordial sub forma unor mici si primitive molecule organice care pe parcurs s-au complicat (structurat si organizat) prin coacervare (Fig. 3-3)

Fig. 3-3. Ilustrarea a 3 faze principale de constituire a coacervatului: (a) - delimitarea unei picaturi de miceliu coloidal de mediul extern printr-o picatura mai concentrata de solvent; (b) - formarea unui perete de delimitarea (inel de hidratare = membrana de solvatare); (c) - aglomerarea de picaturi de micelii coloidale sub o aceeasi "membrana:; (d) - reprezentare de detaliu a unui coacervat = microstructura sferica nevie, denumit sferoid, care a dat nastere la o mare diversitate de cocoide (1) capabile de diviziune dar fara a contine material genetic; se mai distinge un perete despartitor = membrana de solvatare (2) care delimiteaza sferoidul si evoca membrana biologica; in mijloc este un prenucleu (3), rezultat al aglomerarii altor cococide (aceasta formatiune a fost descoperita in roci precambriene din Mali; diametrul 1 micrometru si a fost denumit ca specie - Asterosphaeroides darsii; 3,5 miliarde ani) (orig; d - dupa Encyclop. Larousse, 1993).

Pentru ca biosfera sa-si poata trai viata a fost necesara o forta care sa dinamizeze materia organizata la nivel molecular in ecosfera. Aceasta materie, caracterizata la inceput de inertie a primit un aport energetic exterior de la Soare. De aici au venit insa radiatii extrem de nocive. Desi Terra se afla in ecosfera, sansa de aparitie a vietii nu ar fi existat daca ea nu era inconjurata de 3 centuri de radiatii plus doua filtre puternice constituite din ionosfera (exosfera) si ozonosfera.

2. Aparitia organismului vegetal fotosintetizant (producatorii). Este al doilea moment important. Evident, si aceasta aparitie a implicat o evolutie de durata foarte lunga. Multe aspecte nu sunt lamurite, dar un lucru este cert: aparitia vegetalelor este cea care a deschis calea acumularilor si transformarilor si a oferit sansa evolutiei. Tocmai de aceea, biologii considera ca planta = marele organizator cu influente multiple asupra evolutiei si vietii.

3. Aparitia si constituirea in timp a lantului trofic, marcat in continuare de consumatori (primari = fitofagii; secundar = zoofagii; tertiari = carnivorele de varf; saprofagele);

4. Aparitia lantului de transformatori a substantelor organice (descompunatorii = bioreducatorii). Este o etapa extrem de importanta, cea care impiedica acumularea substantelor organice ci asigura mineralizarea lor si reintroducerea lor in circuitul meteriei.

Din momentul nasterii Pamantului si pani azi, pe o perioada de 4,7 miliarde de ani se poate vorbi de o spirala a timpului (Fig. 3-4), in care a aparut si biota, s-a diversificat si a cunoscut o dinamica si o evolutie remarcabila

Fig. 3-4. Spirala timpului. Este redat extrem de sugestiv evolutia vietii pe Terra, de la nasterea Terrei (cca. acum 4 miliarde de ani) si pana in Holocen (perioada cuaternara) (dupa Miller 2006).

Referitor la aparitia si dinamica biosferei, desi nu se cunosc prea multe se pot sintetiza urmatoarele:

- a existat un caracter progresiv al biosferei;

- motorul evolutiei progresive a fost contradictia dintre organic si anorganic;

- evolutia biosferei a fost in spirala (cu perturbari, cu cresteri si descresteri);

- viteza de evolutie a fost in functie de gradul de organizare (la nivele inferioare - ex. in cambrian - evolutia a fost cu mult mai lenta);

- in evolutie a existat o logica evolutiva (intai au aparut producatorii si apoi consumatorii).

Limitele geochimice si biogeochimice ale biosferei se extind pe Terra mult mai departe decat se extinde viata. Dupa Vernadski (1778) "biosfera se extinde in spatiu pana acolo unde se gasesc substante biogene (porfirine, AA)". Acestea patrund in scoarta mult mai departe decat ajung bacteriile.

Marturii ale inceputului

Pamantul nostru are o varsta frumoasa si venerabila - 4,6-4,8 milairde ani. Terra timpurie a fost total diferita de cea de azi. O caracteriza o atmosfera reducatoare, numai gaze toxice erau peste tot, era brazdata de cutremure, descarcari electrice, vulcanism si bombardata de meteoriti. Aparitia ulterioara a vaporilor de apa si a apei in oceanul primitiv, au favorizat

a. Celula prokariota. Primele fosile au fost stromatolitii (aparuti in perioada Arheana: 3,6 miliarde-620 milioane ani a erei precambriana: 3600-542 milioane ani) (pentru detalii vezi: Gardstein et al. 2004; www.stratigraphy.org).

Fosile de stromatoliti au fost descoperite in putine locuri, Australia (Shark Bay) sau Canada (Red Lake - Ontario; Steep Rock Lake - Ontario; Yellowknife - NWT).

Ce sunt stromatolitii ?. Sunt formatiuni caracteristice (Fig. 3-5), constituite ca gramezi, coloane sau straturi, in roci, rezultat al depunerii strat-dupa-strat a cianobacteriilor.

Fig. 3-5. Formatiuni moderne de stromatoliti. Shark Bay, Australia (foto: Marjory Martin, Deakin Univ, Australia; www.biology.brookscole.com/miller11).

Cianobacteriile denumite impropriu - alge albastre) cu structura lor extrem de interesanta, constituita la unele specii din cele 3 tipuri de celule: heterociste (celule mari, putin pigmentate, incapabile de fotosinteza si specializate in reducerea azotului atmosferic), akinete (celule mari, voluminoase, bagate in substante de rezerva) si necridii = disjunctorii celule mici care se gelifica si fragmenteaza colonia). Unele dintre cianobacterii sunt unicelulare dar unele au structura de mai sus, din siruri din cele 3 celule (hormogonie), dispuse alternativ si formand colonii = trichome= "alge filamentoase". Asemenea formatiuni si la baza ipotezelor pluricelularitatii.

Alaturi de cianobacterii au aparut ulterior si alte bacterii fotosintetice: rhodobacteriile (anaerobe; utilizau hidrogenul sulfurat si eliminand sulf si oxigen) si chlorobacteriile (utilizau hidrogenul sulfurat dar sulful ramane in afara celulei si se asimileaza gazul carbonic). Nu sunt excluse bacteriile chimiotrofe si chimioorganotrofe.

Contributia stromatolitilor a fost uriasa: prin activitatea fotosintetica au schimbat gradual atmosfera Terrei: de la una bogatia in CO₂ la una bogata in O₂.

Retineti: singurele organisme vii de pe Terra in urmatorii 3 miliarde de ani au fost bacteriile !!.

b. Celula eukariota. Organismele eucariote unicelulare. Varsta medie = 1,5 miliarde ani. Perioada este marcata de doua evenimente mari: (1) - diferentierea dintre plante si animale; (2) - aparitia celulei eucariote.

Celula eucariota este o celula bazata pe carbon iar cianobacteria din stromatolite este cea mai simpla forma de celula bazata pe carbon.

Viata pe terra este bazata pe atomul de carbon care se afla in legatura cu H₂, O₂, N₂ si alte elemente. In caz de fosilizare, elementele volatile sunt eliminate si ramane numai carbonul (C). In acest mod, organismul pe care l-a edificat poate fi "vazut" ca strat de C si compresiune carbonatata.

Asemenea fosile carbonatate s-au gasit in roci avand vechimea de 2 miliarde ani, reprezentate de colonii de procariote, eucariote unicelulare si alge.

Primele 2 specii de eucariote unicelulare fosilizate, descoperite in Canada (Norman Wells, NWT) au fost: Tawuia dalensis si Chuaria circularis (Fig. 3-6).

Cele doua specii s-au gasit mereu in asociatie cu stromatolitii si unii specialisti considera si faptul ca ar putea fi stadii diferite (de inotator sau planctonic) ale aceleiasi specii, probabil, o alga eucariota.

(a) (b)    (c)

Fig. 3-6. Primele 2 specii de eucariote unicelulare, sub forma de fosile din era precambriana, descoperite in Canada: Chuaria circularis = "sferoid" (a) si Tawuia dalensis (b) si cel mai primitiv vierme evidentiat in roci precambriene: Helminthopsis sp. (c) (www.biology.brookscole.com/milleri11

c. Stadiul eucariot pluricelular (metazoare). Varsta primelor metazoare = 600 milioane ani (www.biology.brookscole.com/milleri11 . Dupa alte surse = 800 milioane ani (Encyclop. Larousse 1993). Era sfarsitul perioadei arhean din precambrian si incepea perioada vendian (denumita dupa secventa stratigrafica din Rusia) (620-542 milioane ani).

Cele mai vechi metazoare: spongieri, cnidari (corali si anemone) si viermi. Ca urmare a "diviziunii muncii" apar celulele specializate: 11 (la spongieri si cnidari) si peste 55 (la viermi si celelalte metazoare).

☻- Primele fosile descoperite in roci precambriene (545 milioane ani): Ediacara Hills (Australia) (1946). Biota de la Ediacara cuprindea specii care toate erau mai tinere decat glaciatiunea de acum 550 milioane de ani.

De retinut: alte surse afirma varsta biotei pluricelulare de la Ediacara la 680 milioane ani (Encyclop. Larousse 1993). In acest caz a aparut inainte de glaciatiune !. Un aspect sugestiv este redat in Fig. 3-7.

(a) (b)

Fig. 3-7.(a) - Biota de la Ediacara: mai mult de 1400 fosile dintre care mai mult de jumatate erau metazoare (varsta = 680 milioane ani). Reprezentata de viermi segmentati (probabil Annelida), meduze, corali, echinoderme, un artropod primitiv si organisme engmatice (coltul din dreapta-jos). Toate erau nevertebrate, doar unele aveau probabil spiculi sau altele un invelis moale de natura organica; primele animale metazoare cu schelet extern rezistent au aparut in cambrian. (b) - Celulele de Gunflint (Canada) (3,5 miliarde ani) - reprezentate de microfosile procariote, analoage cianobacteriilor actuale (dupa Encyclop. Larousse 1993).

☻- Sunt descoperite cele mai vechi metazoare cunoscute: Twitya, muntele Mackenzie, NWT, Canada) (1990) (600 milioane de ani; deci mai "batrane" decat glaciatiunea). Interesant este ca si aici s-au gasit si cele doua specii de eucariote de la Ediacara.

Prin ce se caracterizeaza fauna de metazoare cunoscuta peste tot (ulterior in alte 30 de localizari) ca si Biota de la Ediacara ?.

In primul rand, s-au gasit corali, meduze si viermi (Fig. 3-6,c; 3-7,a). Unii specialisti considera aceste organisme ca si stramosii celor actuale; altii considera ca acestea au avut parte de extinctie totala acum 545-550 milioane ani. Dar trebuie precizat un adevar biologic: in urmatorii 35 milioane de ani, reprezentanti ai tuturor increngaturilor moderne de animale au fost prezenti in marile perioadei urmatoare - cambriana (542-488 milioane ani).

Biota ediacariana din Canada a fost evidentiata in mai multe stationare: NWT, British Columbia, Yukon, Newfoundland, Montains Mackenzie (Fig. 3-8; 3-9).

Fig. 3-8. Biota ediacariana din Canada. Este reprezentata de fosile in forma de disc (Ediacaria sp., Cyclomedusa sp.), de anemone tentaculate (Hiemalova sp.) de forme metagerizate (segmentate) (Windermeria sp.) de forme fusiforme, de forme viermiforme (Helminthopsis sp.) (www.biology.brookscole.com/milleri11)

Fig. 3-9. Biota ediacariana din Canada: Imagini cu speciide Ediacaria si Cyclomedusa.

Imparatia bacteriilor

Chiar daca inceputurile vietii pe Terra sunt variabile ca plasare in timp (3 - 3,7 miliarde ani), un aspect care trebuie inteles de catre OM este acela ca "a aparut ultimul si are pretentia de a fi primul" chiar daca se dovedeste ca nu merita acest favor. Si aceasta deoarece spatiul sau de nisa (spatiul vital) este extrem de ingust in cadrul regnului Animalia, comparativ cu al celorlate organisme (Fig. 3-10). Realitatea este ca "traim intr-o lume a bacteriilor, iar ele sunt prajitura vietii. marele organisme de azi sunt doar glazura de pe aceasta prajitura" (prof. Andrew Knoll, Univ. Harvard).

Fig. 3-10. Dimensiunea spatiului de nisa (spatiul vital) la nivelul celor 5 regnuri ale viului. Se remarca vechimea (cca. 3,7 miliarde ani) a regnului Monera (Bacteria) si suprafata de cca. 92 % ocupata actualmente din nisa spatiala a viului (dupa Hori 1992; Solbrig si colab. 1992).

Daca azi ne gandim la ciclurile biogeochimice, bacteriile au un rol esential; pentru fiecare ciclu al oricarui element chimic important din punct de vedere biologic sunt necesare bacteriile

O privire retrospectiuva a inceputurilor vietii pe Terra (bazat pe descoperiri paleontologice si pe baza secventelor de nucleotide) (Fig. 3-11), evidentiaza urmatoarele momente importante:

Fig. 3-11. Arborele filogenetic simplificat, cu evidentierea legaturilor filetice dintre principalele grupe de organisme, la inceputurile evolutiei viului pe Terra, dedus pe baza secventelor de nucleotide 558 5S rARN (timpul de pe abscisa a fost exprimat in ani, bazat pe momentul de desprindere a drojdiilor si animalelor - cca. 1 miliarde de ani) (marcat pe desen de sageata groasa; celelalte sageti marcheaza celelalte momente de desprindere a unor grupe de vietuitoare) (dupa Hori 1992).

Scurt istoric al vietii in ere, perioade si epoci

Daca inceputul vietii pe Tamant este inconjurat de mister, drumul de la bacterii si pana la Om este marcat de o biodiversitate fantastica. In aceasta consta farmecul si unicitatea planetei noastre.

Indiferent de diversitate, un aspect este caracteristic: unitatea viului. Acest plan de unitate a viului este definit de 4 aspecte fundamentale:

- un plan de detaliu genetic comun (existenta ADN); viata se bazeaza pe aceasta molecula fundamentala care poarta codul genetic ["unitatile mostenirii" - genele, au fost descrise de Mendell (1822-1884), iar descifearea structurii ADN (Watson si Crick 1953) a constituit un punct de cotitura in biologie];

- o unitate de baza organizatorica comuna = celula;

- forte comune ale evolutiei, care influenteaza forma, functia si mediul (habitatul);

- un acelasi mediu de viata comun = pamantul.

Toate formele de viata au asadar o structura fundamentala comuna:

☻- si noi si bacteriile avem un singur stramos comun (Knoll 2004);

☻- si celula bacteriana si cea umana au aceeasi proportie de O₂ si H₂;

☻- biochimismul celulei bacteriene este similar cu cel al celulei uname;

☻- si flagelul de la Euglena sp. si coada spermatozoidului uman, au aceeasi structura microscopica ;

O privire retrospectiva asupra istoricului vietii pe Terra, evaluata in ere, perioade si epoci (Fig. 3-12), raportat la varsta planeteii de 4,6-4,7 miliarde de ani, arata ca Viata este putin mai "tanara" - 3,6-3,8 miliarde ani. Daca am considera varsta Pamantului de 24 ore, se poate spune ca civilizatia umana primara a aparut cu cca 1 secunda inainte de miezul noptii (Fig. 3-13). Nu prea stim ce s-a intamplat in primele circa 9 ore din cele 24, dupa care viata a cucerit marile si oceanele iar mai tarziu si uscatul.