as maravilhas no mundo invisível: os micróbios e a vida no planeta
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As maravilhas no mundo invisível: Os micróbios e a vida no planeta
Maria Isabel Madeira Liberto Instituto de Microbiologia Prof. Paulo de Góes (IMPPG) - UFRJ [email protected]
Maulori Curié Cabral Instituto de Microbiologia Prof. Paulo de Góes (IMPPG) - UFRJ [email protected]
Advi Catarina Barbachan Moraes Escola de Enfermagem Anna Nery - UFRJ [email protected]
Juliana Martins Ferro Instituto de Nutrição Josué de Castro - UFRJ [email protected]
Isidório Mebinda Zuco Quitoco Instituto de Microbiologia Prof. Paulo de Góes - UFRJ [email protected]
Resumo
Micróbios são organismos essenciais para os demais seres vivos.
Registros fósseis mostram que os micróbios foram os primeiros
organismos vivos que habitaram a Terra há, pelo menos, 3,6 bilhões
de anos. Desde então, dominam os fenômenos relacionados à vida e à
morte dos demais organismos, vegetais ou animais, que surgiram no
Planeta. Os benefícios dos micróbios ou suas enzimas para a
humanidade podem ser percebidos nas seguintes situações: a) na
fabricação de pão; b) na fabricação de queijo; c) na digestão dos
ruminantes; d) na fabricação de vinhos; e) na produção de
antibióticos; f) na fabricação do linho, da cerveja e do chocolate; g)
nos processos de biorremediação e tratamento de efluentes; h) no
suprimento intestinal de vitaminas do complexo B. Participam ainda
para o sabor típico das carnes salgadas e da bioluminescência no
ambiente marinho. Micróbios engenheirados produzem hormônios
(insulina, eritropoietina e somatotrofina) e enzimas, utilizadas em
biologia molecular.
Palavras-Chaves: A vida na Terra; Biorremediação; Ciclos
biogeoquímicos na Natureza.
Wonders in the invisible world: microbes and life on the planet
Abstract
Microbes are essential organisms for all other living beings. Fossil
records show that the microbes were the first living organisms that
inhabited the Earth for at least 3.6 billion years. Since then, dominate
the phenomena related to life and death of other organisms, plants or
animals, which appeared on the planet.The benefits of microbes or
their enzymes to humanity can be seen in the following situations: a)
in making bread, b) in the manufacture of cheese, c) in the digestion of
ruminants d) in wine production; e) antibiotics producion; f) in the
manufacture of linen, beer and chocolate, g) in bioremediation
processes and effluent treatment; h) in the intestinal supply of B
vitamins They also contribute to the distinctive taste of salted meat
and bioluminescence in the marine environment. Microbes engineered
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produce hormones (insulin, erythropoietin and somatotropin) and
enzymes used in molecular biology.
Keywords: Life on the Earth; Bioremediation; Biogeochemical cycles
on the Nature
Neste ensaio é apresentada uma reflexão acerca do papel que os
micróbios exercem no cotidiano dos seres vivos na Natureza e, em
particular, da humanidade. As considerações a seguir apresentadas
representam a forma como os autores compreendem os fenômenos
da natureza, relacionados com os micróbios. Foi graças aos célebres
trabalhos desenvolvidos por Louis Pasteur, na França e Robert Koch,
na Alemanha, que a humanidade passou a compreender os micróbios
e os fenômenos da Microbiologia de maneira racional. As repercussões
desses trabalhos são notáveis nos campos da Medicina (cirurgias
assépticas), da Agricultura (simbiose nas leguminosas) e na
Alimentação (pasteurização). Com base nessas premissas, orientamos
a apresentação das idéias para conduzir o leitor deste ensaio ao
maravilhoso mundo dos micróbios.
Estima-se, com base em achados fósseis que registram a evolução
dos seres vivos, que os micróbios foram os primeiros organismos
vivos que habitaram a Terra, provavelmente há 3,6 bilhões de anos
atrás e persistem até agora, dominando plenamente os fenômenos
relacionados à vida e à morte dos demais organismos, vegetais ou
animais, que surgiram no Planeta. Em qualquer museu de ciências, no
setor de arqueologia, é possível perceber que muitas das espécies,
das quais só restam os registros fósseis, habitaram o planeta por um
certo período de tempo. A figura 1 apresenta uma visão da seqüência
evolutiva dos seres vivos e nela estão representadas artisticamente as
eras, períodos e épocas da história geológica do nosso planeta e é
evidenciado o tempo de permanência dos micróbios, que habitaram
quase que sozinhos o planeta Terra por aproximadamente 3 bilhões de
anos até o aparecimento dos seres multicelulares no período
Cambriano.
Figura 1- Representação Cronológica da Existência dos Seres Vivos no Planeta Fonte: http://www.esecodivelas.rcts.pt/BioGeo/ficha_foss.htm (modificado)
Essencialmente, a sobrevivência de qualquer espécie é regulada pela
disponibilidade de água, alimentos e condições ambientais. Destacam-
se, nesta última categoria, as variações climáticas, acompanhadas ou
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não de catástrofes naturais, resultantes das acomodações geológicas
da crosta terrestre. Em suma, habitamos um planeta de superfície
dinâmica e, por isso, estamos à mercê das forças da Natureza e
submetidos a um permanente processo de seleção natural.
No que tange à organização estrutural, os micróbios podem ser
classificados como eucarióticos (célula com núcleo definido) ou
procarióticos (sem núcleo definido, portanto, com os componentes
nucleares dispersos no protoplasma). Como exemplos de procariontes
temos as bactérias e as arqueias. O tamanho destes seres é, em
média, de um Micrômetro (1 µM).
É mister supor que os micróbios que primeiro chegaram à Terra
apresentavam processos metabólicos independentes de oxigênio, ou
sejam, eram anaeróbicos e adotavam a litotrofia, como caráter
nutricional, característica esta que lhes permitia utilizar a matéria
inorgânica (carbono, sob a forma de CO2 ou carbonatos, além de
outros elementos minerais) como fonte nutricional e energética, no
ambiente aquático.
À medida que esses micróbios proliferavam, aumentava a quantidade
de matéria orgânica no planeta. Posteriormente, com o aparecimento
e proliferação dos seres procarióticos fotossintetizantes, conhecidos
como cianobactérias, teve início uma grande mudança na atmosfera
do nosso planeta, ou seja, começou a aparecer e aumentar o teor de
oxigênio no ar. Esse gás, por ser extremamente tóxico para os seres
anaeróbicos, passou a atuar como verdadeiro poluente para os outros
micróbios que existiam na época.
A comprovação da existência dos micróbios primitivos no nosso
planeta está nas rochas denominadas estromatólitos (Figura 2).
Estromatólitos compactados deram origem ao mármore. Observando
uma pedra de mármore é fácil acompanhar as linhas de contorno das
várias camadas do biofilme bacteriano cuja calcificação teve início há
3,6 bilhões de anos. Por outro lado os mais antigos registros fósseis de
organismos macroscópicos datam de apenas 600 milhões de anos.
Diante desses números, fica fácil deduzir que durante, pelo menos,
três bilhões de anos os únicos habitantes da Terra foram os micróbios.
Maré alta Maré baixa
Figura 2 - Imagens de estromatólitos encontrados na Austrália, antes confundidos com
pedras. Fonte: http://www.discoverwest.com.au/western_australia/hamlin_pool_stromatolites.html
Na história evolutiva da vida, os micróbios mantiveram um convívio
harmonioso com os diferentes seres vivos que surgiram,
seqüencialmente, na biosfera do planeta, conforme pode ser
observado na figura 1. Nós humanos não somos exceção à regra, pois,
as superfícies externa e interna do nosso corpo são cobertas de
micróbios (Figura 3), As diversas populações microbianas que co-
habitam o nosso corpo constituem a chamada microbiota. A nossa
microbiota vive em simbiose com as células da superfície da epiderme
e das diversas mucosas que revestem o nosso corpo. No intestino
realizam funções importantes na reciclagem dos nutrientes. Nosso
contato com os micróbios começa ao nascermos e só termina quando
morremos. A ação dos micróbios promove a reciclagem dos elementos
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químicos que constituem o corpo, liberando os átomos para a
Natureza.
Figura 3 – Demonstração da presença da microbiota no sulco gengival. Notar a diferença de tamanho entre as células da mucosa (em rosa) e as bactérias (em roxo)
• Contribuições dos micróbios para o bem estar da humanidade
Os micróbios, graças a seus produtos (Figura 4), vêm sendo utilizados
como “escravos” pela humanidade, desde os seus primórdios, muitas
vezes como forma de garantir a sobrevivência da espécie no Planeta.
Como exemplos da participação microbiana no nosso cotidiano, temos
as situações descritas a seguir:
ü Alimentos, tais como queijos, iogurtes, chocolates e vinagre são
obtidos por processos industriais que envolvem, diretamente, a
participação de micróbios;
ü O álcool utilizado como combustível ou encontrado nas bebidas
destiladas (cachaça, uísque, vodca) e não destiladas, como vinhos
e cervejas, é produzido a partir da fermentação microbiana de
açúcares extraídos de cereais, frutas ou cana-de-açúcar;
ü Os antibióticos, que conhecemos como medicamentos (penicilina,
estreptomicina, anfotericina B e muitos outros) utilizados para
combater infecções, são produzidos pelas células microbianas
cultivadas nos laboratórios farmacêuticos;
ü Produtos de natureza protéica, como as enzimas que são
adicionadas ao sabão em pó para melhorar a remoção de sujeira,
ou hormônios, como a insulina, são resultantes da biotecnologia
industrial aplicada aos micróbios;
ü Vitaminas, como aquelas do complexo B, são produzidas pela
massa microbiana que constitui a microbiota do intestino humano.
Figura 4 – Produtos do metabolismo bacteriano
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Os micróbios também exercem suas ações promovendo a dissociação
dos átomos e moléculas da matéria morta existente nas florestas e
cemitérios, que contribui para a reciclagem da matéria orgânica do
Planeta. Na agricultura são usados tanto como fixadores de nitrogênio
como insumos para controlar pragas de insetos. Estes bioinseticidas
são constituídos, basicamente, de corpos bacterianos sob a forma de
esporos.
Como agentes despoluentes, os micróbios transformam os produtos
que estão dissolvidos na água de esgoto, tais como os dejetos
humanos, produtos industriais ou resíduos das empresas de
mineração e das refinarias de petróleo, em substâncias atóxicas para
o meio ambiente. Este tipo de atividade constitui a base dos
processos denominados biorremediação.
Todas essas situações são possíveis, graças à grande versatilidade
metabólica dos micróbios e, por isto, eles participam dos vários
fenômenos que regem o estado de vida e morte dos demais seres
vivos.
• Participação dos micróbios como agentes de transformação,
nos ciclos biogeoquímicos do Planeta:
Figura 5 - Esquema artístico do ciclo geoquímico do carbono na Natureza
A participação dos micróbios nos ciclos biogeoquímicos (Figura 5) pode
ser considerada a contribuição mais abrangente exercida pelos
micróbios para a manutenção da vida do Planeta. Vale salientar que os
micróbios representam 50% de toda a biomassa existente na biosfera.
Em função da versatilidade metabólica que possuem, os micróbios
agem como produtores de matéria orgânica. Como decompositores,
são responsáveis pela reciclagem dos átomos de carbono, nitrogênio,
hidrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre no Planeta.
A situação descrita a seguir serve para demonstrar como os micróbios
possibilitam a transição de elementos químicos da matéria orgânica
para a inorgânica e vice-versa: Imagine-se plantando uma semente de
feijão (planta leguminosa). Você escolheu um solo adubado, ou seja,
rico em elementos orgânicos e inorgânicos. Esse solo está repleto de
micróbios. Esse fato pode ser comprovado pelo fenômeno percebido
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quando se rega o solo e dele exala o “cheiro de chuva”. Esse cheiro
provém dos produtos voláteis, elaborados pelos micróbios, durante a
transformação da matéria orgânica. Ao mesmo tempo em que a água
encharca o solo, também expulsa os produtos gasosos nele dispersos.
As moléculas desses gases, ao se misturarem com o ar que você
respira, sensibilizam seu sentido de olfato e você passa a sentir o odor
característico. Com o passar do tempo, a semente germina e as folhas
fazem fotossíntese capturando CO2 do ar. A raiz, extraindo elementos
minerais e água, cresce no solo úmido. Alguns dos micróbios do solo
são incorporados à raiz da leguminosa, onde se desenvolvem,
internamente, formando nódulos. Esses nódulos representam uma
profícua associação planta-micróbio. O tipo de micróbio em questão
consegue capturar o nitrogênio do ar, sob a forma de N2, e
transformá-lo em amoníaco (NH3) que depois é convertido para
amônia (NH4+). Nesta condição tetravalente, os átomos de nitrogênio
podem ser aproveitados pela planta para a síntese de aminoácidos,
ácidos nucléicos e vitaminas (Figura 6).
Figura 6 - Esquema artístico do ciclo do nitrogênio na Natureza
Enquanto isso, os micróbios livres do solo vão degradando os resíduos
de matéria orgânica e, assim, disponibilizam os átomos de fósforo,
magnésio, enxofre e outros elementos químicos. Dessa forma, a planta
poderá continuar crescendo até produzir as vagens que, depois de
secas serão colhidas. As cascas das vagens, as folhas e os ramos da
planta agora servem como adubo ao serem misturados com o solo
pelo processo conhecido como compostagem, utilizado pela
humanidade desde os primórdios da agricultura. Parte dos grãos será
reservada para o plantio de nova safra e o restante será utilizado para
a alimentação. Durante o processo de cozimento, os cotilédones dos
grãos amolecem e, quando ingeridos, as moléculas de amido,
componentes do cereal começam a ser digeridas pelas amilases
presentes na saliva (ptialina).
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A hidrólise, promovida por essas enzimas, libera as moléculas de
glicose que serão aproveitadas, pelas células do corpo, para obtenção
de energia. Nesse processo bioquímico, as moléculas de glicose
(C6H12O6) são transformadas em CO2, H2O e energia (Figura 7). A
água excedente será eliminada do corpo sob a forma de urina e suor e
o gás carbônico será exalado dos pulmões, durante a respiração. A
partir do ambiente atmosférico, esses dois tipos de moléculas podem
ser novamente aproveitados pelos seres fotossintetizantes, dando
início a um novo ciclo biogeoquímico.
O processo de fotossíntese envolve a participação de um ou mais dos
seguintes pigmentos: clorofilas, carotenóides, cianinas, ficoeritrina e
ficoxantina. Os dois últimos são encontrados em macroalgas
marinhas,o que lhes assegura maior eficiência fotossintetizante, em
razão da absorção de maior espectro da radiação solar.
Figura 7 - Conversão de energia em matéria e matéria em energia
Em suma, os seres vivos e a matéria inanimada são constituídos pelos
mesmos elementos químicos. Compreendendo dessa maneira, fica
fácil deduzir que o crescimento natural de todos os seres vivos é
decorrente do acúmulo de elementos químicos, a partir da nutrição.
Depois da morte, os átomos presentes nos diversos organismos são
devolvidos para a mãe Natureza, pela ação dos micróbios dos
ambientes aeróbicos e anaeróbicos.
A participação benéfica dos micróbios pode então ser percebida, de
maneira mais concreta, principalmente, em situações tais como:
a) a fabricação de pão – neste processo a adição de leveduras à massa
possibilita uma prévia fermentação, liberando gás carbônico que faz a
massa crescer e ficar fofa depois de assada (Figura 8).
Figura 8 – Pão francês
b) a fabricação de queijo – a partir da fermentação microbiana do
açúcar do leite com produção de ácido lático. Esta acidificação coagula
as proteínas do leite que depois de precipitadas são processadas.
Outra forma de produção, mais rápida, é utilizar enzimas de um tipo
de fungo, que irão desnaturar a caseína do leite, promovendo a
coagulação (Figura 9).
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Figura 9 – Queijo de Minas
c) a digestão dos ruminantes – nesses animais, a digestão é feita em
duas etapas: na primeira a matéria vegetal ingerida fica armazenada
no rúmen e, neste órgão, existe uma diversidade populacional de
micróbios, que degradam a celulose dos vegetais, liberando as
moléculas de glicose, que tornam o bolo alimentar adocicado. Esse
material é várias vezes regurgitado, mastigado e deglutido. Na
segunda etapa, esse material vai para o ambiente ácido do estômago
(abomaso), onde as enzimas proteolíticas continuam a digestão, que
possibilita a liberação dos nutrientes necessários ao desenvolvimento
do animal. Está assim garantido o churrasco do fim de semana (Figura
10).
Figura 10 - aparelho digestório de bovino
d) a fabricação de vinhos – a partir das uvas esmagadas, os micróbios
presentes na casca fermentam o açúcar da fruta com a produção de
álcool (Figura 11).
Figura 11 – Uvas e vinho
e) a produção de antibióticos – a partir da descoberta dos fungos
produtores da penicilina, foi possível cultivá-los em escala industrial e
obter as moléculas de antibióticos que, para torná-las mais eficientes,
são modificadas quimicamente (Figura 12)
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Figura 12 – Cápsulas com antibiótico
Além das situações descritas acima, os micróbios ou suas enzimas
estão envolvidos nos processos de fabricação do linho, da cerveja e do
chocolate. O sabor típico das carnes salgadas é fruto da ação de
micróbios que vivem nesse ambiente hiperssalínico. Grande parte da
bioluminescência observada no mar, de grande importância para a
cadeia alimentar nesse ambiente marinho, é resultante do
metabolismo bacteriano. Como fruto da tecnologia de recombinação
genética, produtos bacterianos de natureza protéica estão disponíveis
sob a forma de hormônios (insulina, eritropoietina e somatotrofina) e
enzimas, principalmente aquelas utilizadas nas técnicas de biologia
molecular.
Do ponto de vista ambiental, a contribuição dos micróbios é
reconhecida nos processos de biorremediação e tratamento de
efluentes.
No intestino dos animais, incluindo os seres humanos, os micróbios
são responsáveis pelo suprimento de grande parte das vitaminas do
complexo B.
A pressão, seletiva exercida ao longo do tempo, pela diversidade
metabólica das células microbianas sobre os demais seres vivos, tem
proporcionado a evolução das espécies na natureza, onde a condição
de sobrevivência está condicionada diretamente com a genética de
resistência e inversamente relacionada com o caráter de
susceptibilidade. Nos seres humanos a situação não é diferente,
portanto, embora as infecções microbianas tragam tanta preocupação,
o fenômeno de doença está associado ao caráter genético da
predisposição, por isso só tem doença quem pode, ou seja,
sobrevivem aqueles cujas células conseguem devorar os micróbios.
Este é um processo contínuo exercido pelo corpo dos organismos
multicelulares enquanto vivos. Uma doença se estabelece quando o
organismo não consegue sobrepor, com suas enzimas, o espectro
metabólico dos micróbios. E, na Natureza, só há duas opções: matar
ou morrer.
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Sobre os autores
Maulori Curié Cabral, professor da UFRJ, é formado em Farmácia e
Bioquímica pela UFRJ, mestre e doutor em Virologia pela UFRJ. Estuda
as viroses transmitidas por mosquitos (Febre Amarela, Dengue e
encefalites), às viroses aviarias de impacto econômico (Gripe e
doença de Newcastle) e às viroses bacterianas responsáveis pelo
potencial patogênico destes organismos. Em paralelo, dedica-se à
formação continuada de professores de modo a alcançar a divulgação
das ciências microbianas nas escolas de ensino médio e fundamental.
Maria Isabel Madeira Liberto é graduada em Farmácia e Bioquímica
pela UFRJ, mestrado e doutorado em Ciências (Microbiologia) pela
UFRJ. Professora associada da UFRJ, avaliadora do Ministério da
Educacao INEP/SESu/SINAES, coordenadora de disciplina no ensino
presencial e no semi-presencial (CEDERJ/UFRJ). Professora associada
- IMPPG/UFRJ. Experiência em Microbiologia, com ênfase em Virologia,
com interesses voltados principalmente para os temas: interferoses,
vacinas e vacinoses, dengue, hepatite, influenza. Atuação em projeto
de extensão universitária, promovendo a popularização dos
conhecimentos em Microbiologia e Virologia.
Advi Catarina Barbachan Moraes é acadêmica de Enfermagem e
Obstetrícia da Escola de Enfermagem Anna Nery da UFRJ.
Juliana Martins Ferro é acadêmica de Nutrição do Instituto de Nutrição
Josué de Castro da UFRJ.
Isidório Mebinda Zuco Quitoco é acadêmico de Ciências Biológicas,
modalidade Microbiologia e Imunologia, do Instituto de Microbiologia
Prof. Paulo de Góes da UFRJ.
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