História evolutiva da vida
A história evolutiva da vida na Terra traça os processos pelos quais organismos vivos e fósseis evoluíram. A Terra se formou há cerca de 4,5 bilhões de anos e as evidências sugerem que a vida surgiu antes de 3,7 Ga. As semelhanças entre todas as espécies atuais conhecidas indicam que elas divergiram ao longo do processo de evolução de um ancestral comum. Aproximadamente 1 trilhão de espécies vivem atualmente na Terra, das quais apenas 1,75-1,8 milhões foram nomeadas e 1,8 milhões documentadas em um banco de dados central. Essas espécies vivas atualmente representam menos de um por cento de todas as espécies que já viveram na Terra.
Os mais antigos fragmentos de meteorito encontrados na Terra têm cerca de 4,54 bilhões de anos de idade; isto, junto principalmente com a datação de depósitos de chumbo antigos, colocou a estimada idade da Terra por volta deste tempo. A Lua tem a mesma composição da crosta terrestre mas não contém um núcleo planetário rico em ferro como o da Terra. Muitos cientistas pensam que cerca de apenas 40 milhões de anos depois um planetoide atingiu a Terra, lançando para o espaço material da crosta que acabou por formar a Lua. Uma outra hipótese é que a Terra e a Lua começaram a coalescer ao mesmo tempo, mas a Terra, tendo uma gravidade muito mais forte, atraiu quase todas as partículas de ferro na área. Até recentemente, as rochas mais antigas encontradas na Terra foram estimadas possuírem cerca de 3,8 bilhões de anos de idade, levando cientistas a acreditar durante décadas que a superfície da Terra estava fundida até essa altura. De acordo com isto, nomearam esta parte da história da Terra de éon Hadeano, significando "infernal". No entanto, análises de zircons formados entre 4,0 a 4,4 bilhões de anos indicam que a crosta solidificou cerca de 100 milhões de anos depois da formação do planeta e que o planeta rapidamente adquiriu oceanos e uma atmosfera, que podem ter sido capazes de suportar vida.
Os organismos mais antigos que já foram identificados eram diminutos e com relativamente poucas características, e os seus fósseis parecem-se com pequenos bastonetes, que são difíceis de diferenciar de estruturas que surgem através de processos físicos abióticos. A evidência mais antiga indisputável da vida na Terra, interpretada como bactérias fossilizadas, data de há 3 mil milhões de anos. Outras descobertas em rochas datadas em cerca de 2,5 mil milhões de anos têm sido também interpretadas como bactérias, com evidências geoquímicas aparentemente mostrando a presença de vida há 3,8 mil milhões de vida. Contudo estas análises foram escrutinadas cuidadosamente, e foram encontrados processos não-biológicos que poderiam produzir todos estes "sinais de vida" que foram relatados. Embora isto não prove que as estruturas encontradas tenham uma origem não-biológica, elas não podem ser tomadas como evidências claras para a presença de vida. Assinaturas geoquímicas de rochas depositadas há 3,4 mil milhões de anos foram interpretadas como evidências de vida, embora estas afirmações não tenham sido examinadas pormenorizadamente por críticos.
Todos os organismos vivos na Terra devem ter um único ancestral universal, porque seria virtualmente impossível para duas ou mais linhagens separadas serem capazes de desenvolver independentemente os muitos mecanismos bioquímicos complexos comuns a todos os organismos vivos.
Vida "semeada" de outro lugar
A ideia de que a vida na Terra foi "semeada" de outras partes do universo data pelo menos do século V. No século XX foi proposto pelo químico físico Svante Arrhenius, pelos astrónomos Fred Hoyle e Chandra Wickramasinghe, e pelo biólogo molecular Francis Crick e pelo químico Leslie Orgel. Há três versões principais para a hipótese de "sementeira de outro local": vindo de outro lugar do nosso Sistema Solar via fragmentos lançados para o espaço por um impacto de um meteoro de grandes dimensões, sendo a única fonte credível Marte; por visitantes extra-terrestres, possivelmente por contaminação acidental com microorganismos que trouxeram com eles; e de fora do Sistema Solar mas por meios naturais. Experimentos em órbitas baixas da Terra, como EXOSTACK, mostraram que alguns esporos de microrganismos podem sobreviver ao choque de serem catapultados para o espaço e alguns podem sobreviver à exposição à radiação do espaço exterior por pelo menos 5,7 anos (duração do experimento). Os cientistas estão divididos quanto à probabilidade de que a vida se originou independentemente em Marte, ou em outros planetas em nossa galáxia.
Aparição independente na Terra
A vida na Terra é baseada em carbono e água. O carbono fornece estruturas estáveis para produtos químicos complexos e pode ser facilmente extraído do meio ambiente, especialmente do dióxido de carbono. Não há nenhum outro elemento químico cujas propriedades sejam semelhantes o suficiente às do carbono para ser chamado de análogo; silício, o elemento diretamente abaixo do carbono na tabela periódica, não forma muitas moléculas estáveis complexas, e porque a maioria de seus compostos são insolúveis em água e porque o dióxido de silício é um sólido duro e abrasivo em contraste com o dióxido de carbono em temperaturas associadas com seres vivos, seria mais difícil para os organismos extrair. Os elementos boro e fósforo possuem químicas mais complexas, mas apresentam outras limitações em relação ao carbono. A água é um excelente solvente e tem duas outras propriedades úteis: o fato de que o gelo flutua permite que os organismos aquáticos sobrevivam sob ele no inverno; e suas moléculas têm extremidades eletricamente negativas e positivas, o que permite que ele forme uma gama mais ampla de compostos do que outros solventes. Outros bons solventes, como a amônia, são líquidos apenas em temperaturas tão baixas que as reações químicas podem ser muito lentas para sustentar a vida e não têm as outras vantagens da água. Organismos baseados em bioquímica alternativa podem, entretanto, ser possíveis em outros planetas.
Esteiras microbianas são colônias multicamadas e multiespécies de bactérias e outros organismos que geralmente têm apenas alguns milímetros de espessura, mas ainda contêm uma ampla variedade de ambientes químicos, cada um favorecendo um conjunto diferente de microrganismos. Até certo ponto, cada esteira forma sua própria cadeia alimentar, já que os subprodutos de cada grupo de microrganismos geralmente servem como "alimento" para grupos adjacentes. Estromatólitos são pilares atarracados construídos como microorganismos em esteiras que migram lentamente para cima para evitar serem sufocados por sedimentos depositados neles pela água. Houve um debate vigoroso sobre a validade de alegados fósseis anteriores a 3 Ga, com os críticos argumentando que os chamados estromatólitos poderiam ter sido formados por processos não biológicos. Em 2006, outro achado de estromatólitos foi relatado na mesma parte da Austrália que os anteriores, em rochas datadas de 3,5 Ga.
Archaeplastida (plantas terrestres, algas verdes, algas vermelhas, e glaucophytas) SAR (estramenofilos, alveolata, e rhizaria)
Cromatina, núcleo, sistema endomembranoso e mitocôndrias
Os eucariotos podem estar presentes muito antes da oxigenação da atmosfera, mas a maioria dos eucariotos modernos requer oxigênio, que suas mitocôndrias usam para alimentar a produção de ATP, o suprimento interno de energia de todas as células conhecidas. Na década de 1970, foi proposto e após muito debate, amplamente aceito que os eucariotos surgiram como resultado de uma sequência de endossimbiose entre procariotos. Por exemplo: um micro-organismo predatório invadiu um grande procarionte, provavelmente um arqueano, mas o ataque foi neutralizado, e o atacante fixou residência e evoluiu para a primeira das mitocôndrias; uma dessas quimeras tentou mais tarde engolir uma cianobactéria fotossintetizante, mas a vítima sobreviveu dentro do atacante e a nova combinação se tornou a ancestral das plantas; e assim por diante. Após o início de cada endossimbiose, os parceiros teriam eliminado a duplicação improdutiva das funções genéticas reorganizando seus genomas, um processo que às vezes envolvia a transferência de genes entre eles. Outra hipótese propõe que as mitocôndrias eram originalmente endossimbiontes que metabolizam enxofre ou hidrogênio e se tornaram consumidoras de oxigênio posteriormente. Por outro lado, as mitocôndrias podem ter feito parte do equipamento original dos eucariotos.
Plastídios
Pensa-se que os plastídios, a superclasse de organelas das quais os cloroplastos são os exemplares mais conhecidos, tenham se originado de cianobactérias endossimbióticas. A simbiose evoluiu em torno de 1,5 Ga e permitiu que os eucariotos realizassem a fotossíntese oxigenada. Três linhagens evolutivas de plastídios fotossintéticos surgiram desde então, nas quais os plastídios são nomeados de forma diferente: cloroplastos em algas verdes e plantas, rodoplastos em algas vermelhas e cianelas nas glaucófitas.
Evolução da reprodução sexual
As características definidoras da reprodução sexuada em eucariotos são a meiose e a fertilização. Nesse tipo de reprodução há muita recombinação genética, na qual os descendentes recebem 50% dos genes de cada um dos pais, ao contrário da reprodução assexuada, na qual não há recombinação. As bactérias também trocam DNA por conjugação bacteriana, com a qual podem adquirir, por exemplo, genes de resistência a antibióticos e outras toxinas e a capacidade de usar novos metabólitos. No entanto, a conjugação não é um meio de reprodução e não se limita a membros da mesma espécie. Existem casos em que bactérias transferem DNA para plantas e animais. Por outro lado, a transformação bacteriana é claramente uma adaptação para a transferência de DNA entre bactérias da mesma espécie. A transformação bacteriana é um processo complexo que envolve os produtos de vários genes bacterianos e pode ser considerada uma forma de sexo em bactérias. Este processo ocorre naturalmente em pelo menos 67 espécies procarióticas (de sete filos diferentes). A reprodução sexual em eucariotos pode ter evoluído a partir da transformação bacteriana.
Multicelularidade
Definições mais simples de "multicelular" ou "multicelular", por exemplo "tendo células múltiplas", podem incluir cianobactérias coloniais, como Nostoc. Mesmo uma definição técnica como "ter o mesmo genoma, mas diferentes tipos de células" ainda incluiria alguns gêneros de algas verdes Volvox, que têm células especializadas em reprodução. A multicelularidade evoluiu independentemente em organismos tão diversos quanto esponjas e outros animais, fungos, plantas, algas marrons, cianobactérias, fungos mucilaginosos e mixobactérias. Para não tornar este artigo muito extenso, este artigo concentra-se em organismos que apresentam a maior especialização de células e variedade de tipos de células, embora esta abordagem da evolução da complexidade biológica possa ser considerada "bastante antropocêntrica".
Evidência fóssil
Os fósseis da biota franceviliana, datados de 2 100 Ma, são os organismos fósseis mais antigos conhecidos que são claramente multicelulares. Eles podem ter células diferenciadas. Outro fóssil multicelular muito antigo é Qingshania, datado de 1 700 Ma, que parece consistir em células virtualmente idênticas. A alga vermelha chamada Bangiomorpha, datada de 1 200 Ma, é o primeiro organismo conhecido a ter células diferenciadas especializadas com certeza, e também é o organismo mais antigo conhecido a se reproduzir sexualmente. Fósseis de 1 430 Ma interpretados como fungos parecem ter sido multicelulares com células diferenciadas. O organismo "cadeia de dois" Horodyskia, encontrado em rochas que datam de 1 500 Ma a 900 Ma, pode ter sido um dos primeiros metazoários, no entanto, também foi interpretado como um foraminífero colonial.
Deuterostomia (cordados, hemicordados, echinodermos) Ecdysozoa (artrópodes, nematódeos, tardigrados, etc.) Lophotrochozoa (moluscos, anelídeos, braquiópodes, etc.) Cnidaria (águas-vivas, anêmonas-do-mar, corais) Os animais são eucariotos multicelulares,[nota 1] e se distinguem das plantas, algas e fungos por não possuírem paredes celulares. Todos os animais são móveis, mesmo que apenas em certos estágios da vida. Todos os animais, exceto as esponjas, têm corpos diferenciados em tecidos separados, incluindo músculos, que movem partes do animal ao se contrair, e tecido nervoso, que transmite e processa sinais. Em novembro de 2019, pesquisadores relataram a descoberta da Caveasphaera, um organismo multicelular encontrado em rochas de 609 milhões de anos, que não é facilmente definido como um animal ou não animal, o que pode estar relacionado a uma das primeiras instâncias de animal evolução. Estudos de fósseis de Caveasphaera sugeriram que o desenvolvimento embrionário semelhante ao animal surgiu muito antes dos fósseis de animais claramente definidos mais antigos. e pode ser consistente com estudos que sugerem que a evolução animal pode ter começado há cerca de 750 milhões de anos.
Deuterostômios e os primeiros vertebrados
A maioria dos animais no centro do debate sobre a explosão cambriana são [[Protostomia|protostômios], um dos dois grupos principais de animais complexos. O outro grupo principal, os deuterostômios, contém invertebrados como estrelas do mar e ouriços-do-mar (equinodermos), bem como cordados (veja abaixo). Muitos equinodermos têm "conchas" duras de calcita, que são bastante comuns da pequena fauna de conchas do início do Cambriano em diante. Outros grupos de deuterostômios são de corpo mole, e a maioria dos fósseis de deuterostômios cambrianos significativos vêm da fauna de Chengjiang, um lagerstätte na China. Os cordados são outro grupo importante de deuterostômios: animais com um cordão nervoso dorsal distinto. Os cordados incluem invertebrados de corpo mole, como tunicados, bem como vertebrados—animais com espinha dorsal. Enquanto os fósseis de tunicado são anteriores à explosão cambriana, os fósseis de Chengjiang Haikouichthys e Myllokunmingia parecem ser verdadeiros vertebrados, e Haikouichthys tinha vértebras distintas, que podem ter sido ligeiramente mineralizadas. Vertebrados com mandíbulas, como os acantodianos, apareceram pela primeira vez no Ordoviciano Superior.
A adaptação à vida na terra é um grande desafio: todos os organismos terrestres precisam evitar o ressecamento e todos aqueles acima do tamanho microscópico devem criar estruturas especiais para suportar a gravidade; os sistemas de respiração e troca gasosa precisam mudar; sistemas reprodutivos não podem depender de água para transportar ovos e espermas uns para os outros. Embora as primeiras evidências de plantas e animais terrestres datem do período Ordoviciano (488 a 444 Ma), e uma série de linhagens de micro-organismos tenham chegado à terra muito antes, os ecossistemas terrestres modernos só apareceram no final do Devoniano, cerca de 385 a 359 Ma. Em maio de 2017, a evidência da vida mais antiga conhecida na terra pode ter sido encontrada em géiserita de 3,48 bilhões de anos e outros depósitos minerais relacionados (frequentemente encontrados em torno de fontes termais e gêiseres) descobertos no Cráton de Pilbara, na Austrália Ocidental. Em julho de 2018, os cientistas relataram que a vida mais antiga na terra pode ter sido bactérias que viviam na terra há 3,22 bilhões de anos. Em maio de 2019, cientistas relataram a descoberta de um fungo fossilizado, chamado Ourasphaira giraldae, no Ártico canadense, que pode ter crescido em terras há um bilhão de anos, bem antes das plantas viverem na terra.
Evolução de antioxidantes terrestres
O oxigênio é um potente oxidante cujo acúmulo na atmosfera terrestre resultou do desenvolvimento da fotossíntese ao longo de 3 Ga, em cianobactérias (algas verde-azuladas), que foram os organismos fotossintéticos oxigenados mais primitivos. As algas marrons acumulam antioxidantes minerais inorgânicos como rubídio, vanádio, zinco, ferro, cobre, molibdênio, selênio e iodo, que se concentra mais de 30 000 vezes a concentração deste elemento na água do mar. Enzimas antioxidantes endógenas protetoras e antioxidantes dietéticos exógenos ajudaram a prevenir o dano oxidativo. A maioria dos antioxidantes minerais marinhos atua nas células como oligoelementos essenciais em oxirredução de metaloenzimas e antioxidantes.
Evolução do solo
Antes da colonização da terra, o solo, uma combinação de partículas minerais e matéria orgânica decomposta, não existia. As superfícies da terra seriam de rocha nua ou areia instável produzida pelo intemperismo. A água e quaisquer nutrientes nela teriam sido drenados muito rapidamente. Na peneplanície sub-câmbrica na Suécia, por exemplo, a profundidade máxima de caulinitização por intemperismo no Neoproterozoico é de cerca de 5 m, em contraste, os depósitos de caulim próximos desenvolvidos no Mesozoico são muito mais espessos. Argumentou-se que no final do Neoproterozoico a lavagem de lençóis era um processo dominante de erosão do material de superfície devido à falta de plantas na terra.
Plantas e a crise de madeira no Devoniano Médio
Nas algas aquáticas, quase todas as células são capazes de fotossíntese e são quase independentes. A vida na terra exigia que as plantas se tornassem internamente mais complexas e especializadas: a fotossíntese era mais eficiente no topo; raízes eram necessárias para extrair água do solo; as partes intermediárias tornaram-se suportes e sistemas de transporte de água e nutrientes. Esporos de plantas terrestres, possivelmente como hepáticas, foram encontrados em rochas do Ordoviciano Médio datadas de cerca de 476 milhões de anos. Nas rochas do Siluriano Médio de 430 Ma, existem fósseis de plantas reais, incluindo musgos como Baragwanathia; a maioria tinha menos de 10 cm (3,9 in) e alguns parecem intimamente relacionados às plantas vasculares, o grupo que inclui as árvores.
Invertebrados terrestres
Os animais tiveram que mudar seus sistemas de alimentação e excretor, e a maioria dos animais terrestres desenvolveu a fertilização interna de seus ovos. A diferença no índice de refração entre a água e o ar exigia mudanças em seus olhos. Por outro lado, de certa forma, o movimento e a respiração tornaram-se mais fáceis, e a melhor transmissão de sons de alta frequência no ar estimulou o desenvolvimento da audição. O mais antigo animal que respira ar é o Pneumodesmus, um arquipolipodano milípede do Siluriano Médio, com cerca de 428 milhões de anos. Sua natureza terrestre com respiração aérea é evidenciada pela presença de espiráculos, as aberturas dos sistemas traqueais. No entanto, alguns vestígios de fósseis anteriores da fronteira Cambriana-Ordoviciana cerca de 490 Ma são interpretados como rastros de grandes artrópodes anfíbios em dunas de areia costeiras e podem ter sido feitos por euticarcinoides, que são consideradas "tias" evolucionárias de miriápodes. Outros vestígios de fósseis do Ordoviciano Superior com pouco mais de 445 Ma provavelmente representam invertebrados terrestres, e há evidências claras de numerosos artrópodes nas costas e planícies aluviais pouco antes da fronteira Siluriana-Devoniana, cerca de 415 Ma, incluindo sinais de que alguns artrópodes comeu plantas. Os artrópodes foram bem pré-adaptados para colonizar a terra, porque seus exoesqueletos articulados existentes forneciam proteção contra a dessecação, suporte contra a gravidade e um meio de locomoção que não dependia de água.
Primeiros vertebrados terrestres
Os tetrápodes, vertebrados com quatro membros, evoluíram de outros peixes rhipidistianos em um período de tempo relativamente curto durante o Devoniano Superior (370 a 360 Ma). Os primeiros grupos são agrupados como labirintodonte. Eles mantiveram girinos aquáticos semelhantes a alevins, um sistema ainda visto em anfíbios modernos. O iodo e o T4/T3 estimulam a metamorfose anfíbia e a evolução do sistema nervoso transformando o girino aquático vegetariano em sapo carnívoro "mais evoluído" terrestre com melhores habilidades neurológicas, visuoespaciais, olfativas e cognitivas para a caça. A nova ação hormonal do T3 foi possibilitada pela formação de receptores T3 nas células dos vertebrados. Primeiramente, cerca de 600-500 milhões de anos atrás, na primitiva Chordata apareceram os receptores alfa T3 com ação metamorfosante e então, cerca de 250-150 milhões de anos atrás, nas aves e Mammalia apareceram os receptores beta T3 com ações metabólicas e termogenéticas.
Dinossauros, aves e mamíferos
Anapsida; se tartarugas pertencem aqui é debatido Captorhinidae e Protorothyrididae (extinto) Os amniotas, cujos ovos podem sobreviver em ambientes secos, provavelmente evoluíram no período do Carbonífero Superior (330 a 298,9 Ma). Os primeiros fósseis dos dois grupos sobreviventes de amniota, sinapsídeos e sauropsídeos, datam de cerca de 313 milhões de anos. Os pelicossauros sinapsídeos e seus descendentes, os terapsídeos, são os vertebrados terrestres mais comuns nos leitos fósseis mais conhecidos do Permiano (298,9 a 251,902 Ma). No entanto, na época, todas estavam em zonas temperadas em latitudes médias, e há evidências de que ambientes mais quentes e secos próximos ao Equador foram dominados por sauropsídeos e anfíbios.
A vida na Terra sofreu extinções em massa ocasionais pelo menos desde 542 milhões de anos. Embora fossem desastres na época, as extinções em massa às vezes aceleraram a evolução da vida na Terra. Quando o domínio de nichos ecológicos específicos passa de um grupo de organismos para outro, raramente é porque o novo grupo dominante é "superior" ao antigo e geralmente porque um evento de extinção elimina o antigo grupo dominante e abre caminho para o novo. O registro fóssil parece mostrar que as lacunas entre as extinções em massa estão se tornando mais longas e as taxas médias e de fundo de extinção estão diminuindo. Ambos os fenômenos podem ser explicados de uma ou mais maneiras: Biodiversidade no registro fóssil, que é "... o número de gêneros distintos vivos em um determinado momento; isto é, aqueles cuja primeira ocorrência é anterior e cuja última ocorrência é posterior àquela época" mostra uma tendência diferente: uma tendência bastante rápida subir de 542 para 400 Ma; um ligeiro declínio de 400 para 200 Ma, no qual o evento devastador de extinção Permiano-Triássico é um fator importante; e um rápido aumento de 200 Ma até o presente.
