1.1: Temas e conceitos de biologia

A biologia é a ciência que estuda a vida. O que exatamente é a vida? Isso pode parecer uma pergunta boba com uma resposta óbvia, mas não é fácil definir a vida. Por exemplo, um ramo da biologia chamado virologia estuda vírus, que exibem algumas das características de entidades vivas, mas carecem de outras. Acontece que, embora os vírus possam atacar organismos vivos, causar doenças e até se reproduzir, eles não atendem aos critérios que os biólogos usam para definir a vida.

Desde seus primórdios, a biologia se deparou com quatro questões: Quais são as propriedades compartilhadas que tornam algo “vivo”? Como esses vários seres vivos funcionam? Quando nos deparamos com a notável diversidade da vida, como organizamos os diferentes tipos de organismos para que possamos entendê-los melhor? E, finalmente — o que os biólogos, em última análise, buscam entender — como essa diversidade surgiu e como ela continua? À medida que novos organismos são descobertos todos os dias, os biólogos continuam buscando respostas para essas e outras questões.

Propriedades da vida

Todos os grupos de organismos vivos compartilham várias características ou funções principais: ordem, sensibilidade ou resposta a estímulos, reprodução, adaptação, crescimento e desenvolvimento, regulação, homeostase e processamento de energia. Quando vistas em conjunto, essas oito características servem para definir a vida.

Encomenda

Organismos são estruturas altamente organizadas que consistem em uma ou mais células. Mesmo organismos unicelulares muito simples são extremamente complexos. Dentro de cada célula, os átomos formam moléculas. Estes, por sua vez, formam componentes celulares ou organelas. Organismos multicelulares, que podem consistir em milhões de células individuais, têm uma vantagem sobre os unicelulares, pois suas células podem ser especializadas para desempenhar funções específicas e até mesmo sacrificadas em determinadas situações para o bem do organismo como um todo. Como essas células especializadas se unem para formar órgãos como coração, pulmão ou pele em organismos como o sapo mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\) será discutido posteriormente.

Figura\(\PageIndex{1}\): Um sapo representa uma estrutura altamente organizada que consiste em células, tecidos, órgãos e sistemas orgânicos. (crédito: “Ivengo (RUS)” /Wikimedia Commons)

Sensibilidade ou resposta a estímulos

Os organismos respondem a diversos estímulos. Por exemplo, as plantas podem se curvar em direção a uma fonte de luz ou responder ao toque (Figura\(\PageIndex{2}\)). Mesmo pequenas bactérias podem se aproximar ou se afastar de substâncias químicas (um processo chamado quimiotaxia) ou da luz (fototaxia). O movimento em direção a um estímulo é considerado uma resposta positiva, enquanto o afastamento de um estímulo é considerado uma resposta negativa.

Figura\(\PageIndex{2}\): As folhas desta planta sensível (Mimosa pudica) cairão e dobrarão instantaneamente quando tocadas. Depois de alguns minutos, a planta volta ao seu estado normal. (crédito: Alex Lomas)

CONCEITO EM AÇÃO

Assista a este vídeo para ver como a planta sensível responde a um estímulo de toque.

Reprodução

Organismos unicelulares se reproduzem primeiro duplicando seu DNA, que é o material genético, e depois dividindo-o igualmente enquanto a célula se prepara para se dividir para formar duas novas células. Muitos organismos multicelulares (aqueles compostos por mais de uma célula) produzem células reprodutivas especializadas que formarão novos indivíduos. Quando a reprodução ocorre, genes contendo DNA é passado para a prole de um organismo. Esses genes são a razão pela qual os filhotes pertencerão à mesma espécie e terão características semelhantes às dos pais, como cor do pelo e tipo sanguíneo.

Adaptação

Todos os organismos vivos apresentam um “ajuste” ao ambiente. Os biólogos se referem a esse ajuste como adaptação e é uma consequência da evolução por seleção natural, que opera em todas as linhagens de organismos reprodutores. Exemplos de adaptações são diversos e únicos, desde Arqueias resistentes ao calor que vivem em fontes termais ferventes até o comprimento da língua de uma mariposa que se alimenta de néctar que corresponde ao tamanho da flor da qual ela se alimenta. Todas as adaptações aumentam o potencial reprodutivo do indivíduo que as exibe, incluindo sua capacidade de sobreviver para se reproduzir. As adaptações não são constantes. À medida que o ambiente muda, a seleção natural faz com que as características dos indivíduos de uma população acompanhem essas mudanças.

Crescimento e desenvolvimento

Os organismos crescem e se desenvolvem de acordo com instruções específicas codificadas por seus genes. Esses genes fornecem instruções que direcionarão o crescimento e o desenvolvimento celular, garantindo que os filhotes de uma espécie (Figura\(\PageIndex{3}\)) cresçam e exibam muitas das mesmas características de seus pais.

Figura\(\PageIndex{3}\): Embora não haja dois parecidos, esses gatinhos herdaram genes de ambos os pais e compartilham muitas das mesmas características. (crédito: Pieter e Renée Lanser)

Regulamentação

Mesmo os organismos menores são complexos e requerem vários mecanismos regulatórios para coordenar as funções internas, como o transporte de nutrientes, a resposta a estímulos e o enfrentamento de estresses ambientais. Por exemplo, sistemas orgânicos, como os sistemas digestivo ou circulatório, desempenham funções específicas, como transportar oxigênio por todo o corpo, remover resíduos, fornecer nutrientes para todas as células e resfriar o corpo.

Homeostase

Para funcionar adequadamente, as células precisam de condições adequadas, como temperatura, pH e concentrações adequadas de diversos produtos químicos. Essas condições podem, no entanto, mudar de um momento para o outro. Os organismos são capazes de manter as condições internas dentro de uma faixa estreita quase constantemente, apesar das mudanças ambientais, por meio de um processo chamado homeostase ou “estado estacionário” - a capacidade de um organismo de manter condições internas constantes. Por exemplo, muitos organismos regulam a temperatura corporal em um processo conhecido como termorregulação. Organismos que vivem em climas frios, como o urso polar (Figura\(\PageIndex{4}\)), têm estruturas corporais que os ajudam a suportar baixas temperaturas e conservar o calor corporal. Em climas quentes, os organismos têm métodos (como transpiração em humanos ou ofegante em cães) que os ajudam a eliminar o excesso de calor corporal.

Figura\(\PageIndex{4}\): Ursos polares e outros mamíferos que vivem em regiões cobertas de gelo mantêm a temperatura corporal gerando calor e reduzindo a perda de calor por meio de pêlos grossos e uma densa camada de gordura sob a pele. (crédito: “longhorndave” /Flickr)

Processamento de energia

Todos os organismos (como o condor da Califórnia mostrado na Figura\(\PageIndex{5}\)) usam uma fonte de energia para suas atividades metabólicas. Alguns organismos capturam energia do Sol e a convertem em energia química nos alimentos; outros usam energia química das moléculas que absorvem.

Figura\(\PageIndex{5}\): É necessária muita energia para um condor da Califórnia voar. A energia química derivada dos alimentos é usada para impulsionar o voo. Os condores da Califórnia são uma espécie ameaçada de extinção; os cientistas se esforçaram para colocar uma etiqueta em cada ave para ajudá-los a identificar e localizar cada ave individual. (crédito: Peixes e vida selvagem da Região Sudoeste do Pacífico dos EUA)

Níveis de organização dos seres vivos

Os seres vivos são altamente organizados e estruturados, seguindo uma hierarquia em uma escala de pequeno a grande. O átomo é a menor e mais fundamental unidade da matéria. Consiste em um núcleo cercado por elétrons. Os átomos formam moléculas. Uma molécula é uma estrutura química que consiste em pelo menos dois átomos mantidos juntos por uma ligação química. Muitas moléculas que são biologicamente importantes são macromoléculas, moléculas grandes que normalmente são formadas pela combinação de unidades menores chamadas monômeros. Um exemplo de macromolécula é o ácido desoxirribonucléico (DNA) (Figura\(\PageIndex{6}\)), que contém as instruções para o funcionamento do organismo que a contém.

Figura\(\PageIndex{6}\): Uma molécula, como essa grande molécula de DNA, é composta por átomos. (crédito: “Brian0918"/Wikimedia Commons)

CONCEITO EM AÇÃO

Para ver uma animação dessa molécula de DNA, clique aqui.

Algumas células contêm agregados de macromoléculas cercadas por membranas; elas são chamadas de organelas. Organelas são pequenas estruturas que existem dentro das células e desempenham funções especializadas. Todos os seres vivos são feitos de células; a própria célula é a menor unidade fundamental de estrutura e função dos organismos vivos. (Esse requisito é o motivo pelo qual os vírus não são considerados vivos: eles não são feitos de células. Para criar novos vírus, eles precisam invadir e sequestrar uma célula viva; só então eles podem obter os materiais de que precisam para se reproduzir.) Alguns organismos consistem em uma única célula e outros são multicelulares. As células são classificadas como procarióticas ou eucarióticas. Os procariontes são organismos unicelulares que não possuem organelas cercadas por uma membrana e não têm núcleos cercados por membranas nucleares; em contraste, as células dos eucariotos têm organelas e núcleos ligados à membrana.

Na maioria dos organismos multicelulares, as células se combinam para formar tecidos, que são grupos de células similares que realizam a mesma função. Órgãos são conjuntos de tecidos agrupados com base em uma função comum. Os órgãos estão presentes não apenas nos animais, mas também nas plantas. Um sistema orgânico é um nível superior de organização que consiste em órgãos funcionalmente relacionados. Por exemplo, animais vertebrados têm muitos sistemas orgânicos, como o sistema circulatório que transporta sangue por todo o corpo e de e para os pulmões; inclui órgãos como o coração e os vasos sanguíneos. Organismos são entidades vivas individuais. Por exemplo, cada árvore em uma floresta é um organismo. Procariontes unicelulares e eucariotos unicelulares também são considerados organismos e são normalmente chamados de microrganismos.

CONEXÃO ARTÍSTICA

Figura\(\PageIndex{7}\): De um átomo a toda a Terra, a biologia examina todos os aspectos da vida. (crédito “molécula”: modificação do trabalho de Jane Whitney; crédito “organelas”: modificação do trabalho de Louisa Howard; crédito “células”: modificação do trabalho de Bruce Wetzel, Harry Schaefer, Instituto Nacional do Câncer; crédito “tecido”: modificação do trabalho de “Kilbad” /Wikimedia Commons; crédito “órgãos”: modificação do trabalho de Mariana Ruiz Villareal, Joaquim Alves Gaspar; crédito “organismos”: modificação da obra de Peter Dutton; crédito “ecossistema”: modificação do trabalho por “Gigi4791"/Flickr; crédito “biosfera”: modificação do trabalho pela NASA)

Qual das seguintes afirmações é falsa?

1. Os tecidos existem dentro de órgãos que existem dentro dos sistemas orgânicos.
2. As comunidades existem dentro de populações que existem dentro dos ecossistemas.
3. As organelas existem dentro das células que existem nos tecidos.
4. As comunidades existem dentro dos ecossistemas que existem na biosfera.

Resposta

B

Todos os indivíduos de uma espécie que vivem em uma área específica são chamados coletivamente de população. Por exemplo, uma floresta pode incluir muitos pinheiros brancos. Todos esses pinheiros representam a população de pinheiros brancos nesta floresta. Populações diferentes podem viver na mesma área específica. Por exemplo, a floresta com pinheiros inclui populações de plantas com flores e também populações de insetos e microbianas. Uma comunidade é o conjunto de populações que habitam uma área específica. Por exemplo, todas as árvores, flores, insetos e outras populações em uma floresta formam a comunidade da floresta. A floresta em si é um ecossistema. Um ecossistema consiste em todos os seres vivos em uma área específica, juntamente com as partes abióticas ou não vivas desse ambiente, como nitrogênio no solo ou na água da chuva. No nível mais alto de organização (Figura\(\PageIndex{7}\)), a biosfera é a coleção de todos os ecossistemas e representa as zonas da vida na Terra. Inclui terra, água e partes da atmosfera.

A diversidade da vida

A ciência da biologia tem um escopo muito amplo porque há uma enorme diversidade de vida na Terra. A fonte dessa diversidade é a evolução, o processo de mudança gradual durante o qual novas espécies surgem de espécies mais antigas. Os biólogos evolucionistas estudam a evolução dos seres vivos em tudo, desde o mundo microscópico até os ecossistemas.

No século 18, um cientista chamado Carl Linnaeus propôs pela primeira vez organizar as espécies conhecidas de organismos em uma taxonomia hierárquica. Nesse sistema, as espécies mais parecidas entre si são reunidas em um agrupamento conhecido como gênero. Além disso, gêneros similares (o plural de gênero) são reunidos dentro de uma família. Esse agrupamento continua até que todos os organismos sejam reunidos em grupos no nível mais alto. O sistema taxonômico atual agora tem oito níveis em sua hierarquia, do mais baixo para o mais alto, são eles: espécie, gênero, família, ordem, classe, filo, reino, domínio. Assim, as espécies são agrupadas em gêneros, os gêneros são agrupados em famílias, as famílias são agrupadas em ordens e assim por diante (Figura\(\PageIndex{8}\)).

Figura\(\PageIndex{8}\): Este diagrama mostra os níveis da hierarquia taxonômica de um cão, da categoria mais ampla — domínio — até a espécie mais específica.

O nível mais alto, domínio, é uma adição relativamente nova ao sistema desde a década de 1990. Os cientistas agora reconhecem três domínios da vida, a Eukarya, a Archaea e a Bactéria. O domínio Eukarya contém organismos que têm células com núcleos. Inclui os reinos dos fungos, plantas, animais e vários reinos dos protistas. Os Archaea são organismos unicelulares sem núcleos e incluem muitos extremófilos que vivem em ambientes hostis, como fontes termais. As bactérias são outro grupo bem diferente de organismos unicelulares sem núcleos (Figura\(\PageIndex{9}\)). Tanto a Archaea quanto a Bactéria são procariontes, um nome informal para células sem núcleo. O reconhecimento na década de 1990 de que certas “bactérias”, agora conhecidas como Archaea, eram tão diferentes genética e bioquimicamente de outras células bacterianas quanto dos eucariotos, motivou a recomendação de dividir a vida em três domínios. Essa mudança dramática em nosso conhecimento da árvore da vida demonstra que as classificações não são permanentes e mudarão quando novas informações forem disponibilizadas.

Além do sistema taxonômico hierárquico, Linnaeus foi o primeiro a nomear organismos usando dois nomes exclusivos, agora chamados de sistema de nomenclatura binomial. Antes de Linnaeus, o uso de nomes comuns para se referir a organismos causava confusão porque havia diferenças regionais nesses nomes comuns. Os nomes binomiais consistem no nome do gênero (que está em maiúsculas) e no nome da espécie (todos em minúsculas). Ambos os nomes são colocados em itálico quando impressos. Cada espécie recebe um binômio único que é reconhecido em todo o mundo, para que um cientista em qualquer local possa saber a qual organismo está sendo referido. Por exemplo, o gaio azul norte-americano é conhecido exclusivamente como Cyanocitta cristata. Nossa própria espécie é o Homo sapiens.

Figura\(\PageIndex{9}\): Essas imagens representam domínios diferentes. A micrografia eletrônica de varredura mostra que (a) as células bacterianas pertencem ao domínio Bactérias, enquanto os (b) extremófilos, vistos juntos como tapetes coloridos nesta fonte termal, pertencem ao domínio Archaea. Tanto o girassol (c) quanto o (d) leão fazem parte do domínio Eukarya. (crédito a: modificação do trabalho dos Laboratórios Rocky Mountain, NIAID, NIH; crédito b: modificação do trabalho de Steve Jurvetson; crédito c: modificação da obra de Michael Arrighi; crédito d: modificação da obra de Frank Vassen)

EVOLUÇÃO EM AÇÃO: Carl Woese e a árvore filogenética

As relações evolutivas de várias formas de vida na Terra podem ser resumidas em uma árvore filogenética. Uma árvore filogenética é um diagrama que mostra as relações evolutivas entre espécies biológicas com base em semelhanças e diferenças em características genéticas ou físicas ou ambas. Uma árvore filogenética é composta por pontos de ramificação, ou nós, e galhos. Os nódulos internos representam ancestrais e são pontos da evolução em que, com base em evidências científicas, acredita-se que um ancestral tenha divergido para formar duas novas espécies. O comprimento de cada ramo pode ser considerado como estimativa do tempo relativo.

No passado, os biólogos agrupavam os organismos vivos em cinco reinos: animais, plantas, fungos, protistas e bactérias. O trabalho pioneiro do microbiologista americano Carl Woese no início dos anos 1970 mostrou, no entanto, que a vida na Terra evoluiu ao longo de três linhagens, agora chamadas de domínios: bactérias, arqueias e eucarias. Woese propôs o domínio como um novo nível taxonômico e Archaea como um novo domínio, para refletir a nova árvore filogenética (Figura\(\PageIndex{10}\)). Muitos organismos pertencentes ao domínio Archaea vivem em condições extremas e são chamados de extremófilos. Para construir sua árvore, Woese usou relações genéticas em vez de semelhanças baseadas na morfologia (forma). Vários genes foram usados em estudos filogenéticos. A árvore de Woese foi construída a partir do sequenciamento comparativo dos genes que são distribuídos universalmente, encontrados em alguma forma ligeiramente alterada em cada organismo, conservados (o que significa que esses genes permaneceram apenas ligeiramente alterados ao longo da evolução) e de um comprimento apropriado.

Figura\(\PageIndex{10}\): Esta árvore filogenética foi construída pelo microbiologista Carl Woese usando relações genéticas. A árvore mostra a separação dos organismos vivos em três domínios: Bactérias, Archaea e Eukarya. Bactérias e Archaea são organismos sem núcleo ou outras organelas cercados por uma membrana e, portanto, são procariontes. (crédito: modificação do trabalho de Eric Gaba)

Ramos do Estudo Biológico

O escopo da biologia é amplo e, portanto, contém muitos ramos e subdisciplinas. Os biólogos podem seguir uma dessas subdisciplinas e trabalhar em um campo mais focado. Por exemplo, a biologia molecular estuda processos biológicos em nível molecular, incluindo interações entre moléculas como DNA, RNA e proteínas, bem como a forma como elas são reguladas. Microbiologia é o estudo da estrutura e função dos microrganismos. É um ramo bastante amplo e, dependendo do assunto do estudo, também existem fisiologistas microbianos, ecologistas e geneticistas, entre outros.

Outro campo de estudo biológico, a neurobiologia, estuda a biologia do sistema nervoso e, embora seja considerado um ramo da biologia, também é reconhecido como um campo de estudo interdisciplinar conhecido como neurociência. Devido à sua natureza interdisciplinar, essa subdisciplina estuda diferentes funções do sistema nervoso usando abordagens moleculares, celulares, de desenvolvimento, médicas e computacionais.

Figura\(\PageIndex{11}\): Pesquisadores trabalham na escavação de fósseis de dinossauros em um local em Castellón, Espanha. (crédito: Mario Modesto)

A paleontologia, outro ramo da biologia, usa fósseis para estudar a história da vida (Figura\(\PageIndex{11}\)). Zoologia e botânica são o estudo de animais e plantas, respectivamente. Os biólogos também podem se especializar como biotecnólogos, ecologistas ou fisiologistas, para citar apenas algumas áreas. Os biotecnólogos aplicam o conhecimento da biologia para criar produtos úteis. Os ecologistas estudam as interações dos organismos em seus ambientes. Os fisiologistas estudam o funcionamento das células, tecidos e órgãos. Esta é apenas uma pequena amostra dos muitos campos que os biólogos podem seguir. Do nosso próprio corpo ao mundo em que vivemos, as descobertas em biologia podem nos afetar de maneiras muito diretas e importantes. Dependemos dessas descobertas para nossa saúde, nossas fontes de alimentos e os benefícios proporcionados por nosso ecossistema. Por causa disso, o conhecimento da biologia pode nos beneficiar na tomada de decisões em nosso dia-a-dia.

O desenvolvimento da tecnologia no século XX que continua até hoje, particularmente a tecnologia para descrever e manipular o material genético, o DNA, transformou a biologia. Essa transformação permitirá que os biólogos continuem a entender a história da vida com mais detalhes, como o corpo humano funciona, nossas origens humanas e como os humanos podem sobreviver como espécie neste planeta, apesar do estresse causado por nossos números crescentes. Os biólogos continuam decifrando grandes mistérios sobre a vida, sugerindo que apenas começamos a entender a vida no planeta, sua história e nossa relação com ela. Por esse e outros motivos, o conhecimento de biologia adquirido por meio deste livro didático e de outras mídias impressas e eletrônicas deve ser um benefício em qualquer campo em que você entre.

CARREIRAS EM AÇÃO: Cientista forense

A ciência forense é a aplicação da ciência para responder questões relacionadas à lei. Biólogos, bem como químicos e bioquímicos, podem ser cientistas forenses. Cientistas forenses fornecem evidências científicas para uso em tribunais, e seu trabalho envolve examinar vestígios associados a crimes. O interesse pela ciência forense aumentou nos últimos anos, possivelmente por causa de programas de televisão populares que apresentam cientistas forenses trabalhando. Além disso, o desenvolvimento de técnicas moleculares e o estabelecimento de bancos de dados de DNA atualizaram os tipos de trabalho que os cientistas forenses podem fazer. Suas atividades profissionais estão relacionadas principalmente a crimes contra pessoas, como assassinato, estupro e agressão. Seu trabalho envolve a análise de amostras como cabelo, sangue e outros fluidos corporais e também o processamento de DNA (Figura\(\PageIndex{12}\)) encontrado em muitos ambientes e materiais diferentes. Cientistas forenses também analisam outras evidências biológicas deixadas em cenas de crimes, como partes de insetos ou grãos de pólen. Os estudantes que desejam seguir carreiras em ciências forenses provavelmente precisarão fazer cursos de química e biologia, bem como alguns cursos intensivos de matemática.

Figura\(\PageIndex{12}\): Este cientista forense trabalha em uma sala de extração de DNA no Laboratório de Investigação Criminal do Exército dos EUA. (crédito: Relações Públicas do Comando CID do Exército dos EUA)

Resumo

A biologia é a ciência da vida. Todos os organismos vivos compartilham várias propriedades essenciais, como ordem, sensibilidade ou resposta a estímulos, reprodução, adaptação, crescimento e desenvolvimento, regulação, homeostase e processamento de energia. Os seres vivos são altamente organizados seguindo uma hierarquia que inclui átomos, moléculas, organelas, células, tecidos, órgãos e sistemas orgânicos. Os organismos, por sua vez, são agrupados como populações, comunidades, ecossistemas e biosfera. A evolução é a fonte da enorme diversidade biológica na Terra hoje. Um diagrama chamado árvore filogenética pode ser usado para mostrar relações evolutivas entre organismos. A biologia é muito ampla e inclui muitos ramos e subdisciplinas. Os exemplos incluem biologia molecular, microbiologia, neurobiologia, zoologia e botânica, entre outros.

Glossário

átomo

uma unidade básica de matéria que não pode ser decomposta por reações químicas normais

biologia

o estudo dos organismos vivos e suas interações entre si e com seus ambientes

biosfera

uma coleção de todos os ecossistemas da Terra

célula

a menor unidade fundamental de estrutura e função em seres vivos

comunidade

um conjunto de populações que habitam uma área específica

ecossistema

todos os seres vivos em uma área específica junto com as partes abióticas e não vivas desse ambiente

eucarioto

um organismo com células que têm núcleos e organelas ligadas à membrana

evolução

o processo de mudança gradual em uma população que também pode levar a novas espécies decorrentes de espécies mais antigas

homeostase

a capacidade de um organismo de manter condições internas constantes

macromolécula

uma molécula grande normalmente formada pela união de moléculas menores

molécula

uma estrutura química que consiste em pelo menos dois átomos mantidos juntos por uma ligação química

órgão

uma estrutura formada por tecidos operando juntos para realizar uma função comum

sistema de órgãos

o nível mais alto de organização que consiste em órgãos funcionalmente relacionados

organela

um compartimento ou saco ligado à membrana dentro de uma célula

organismo

uma entidade viva individual

árvore filogenética

um diagrama mostrando as relações evolutivas entre espécies biológicas com base em semelhanças e diferenças em características genéticas ou físicas ou ambas

população

todos os indivíduos de uma espécie que vivem em uma área específica

procariota

um organismo unicelular que não tem um núcleo ou qualquer outra organela ligada à membrana

lenço de papel

um grupo de células similares realizando a mesma função

Contribuidores e atribuições

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