sábado, 18 de novembro de 2017

INTRODUÇÃO PARA O BANCO DE DADOS DE
MINERAIS
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O termo mineralogia deriva da palavra latina MINERA, de provável origem céltica, (mina, jazida de minério, filão), de provável origem céltica, que forma o adjetivo do Latim  mineralis, “relativo às minas” e o substantivo do Latim minerale (produto das minas), que deu origem ao  adjetivo e substantivo português mineral, acrescido do sufixo Grego logia (ciência, tratado, estudo); portanto mineralogia é o estudos dos minerais em todos os seus aspectos.

A definição de MINERAL possui algumas controvérsias: para alguns é toda substância homogênea, sólida ou líquida, de origem inorgânica e que surge, naturalmente, na crosta terrestre, normalmente com composição química definida e, que se formado em condições favoráveis, terá estrutura atômica ordenada condicionando sua forma cristalina e suas propriedades físicas; para outros, trata-se de substância com estrutura interna ordenada (cristais), de composição química definida, origem inorgânica e que ocorre naturalmente na crosta terrestre ou em outros corpos celestes. ametista(druza), malaquita(verde), calcita(branco) e aragonita(marrom)
âmbar
As substâncias originadas por atividades ou processos biológicos (animal ou vegetal), a exemplo do carvão, âmbar, marfim, pérola, petróleo, que não se incluem em nenhuma das definições, devem ser denominadas mineralóides, como também as substâncias não cristalinas, excluídas na segunda definição. 
Os minerais são caracterizados pela maneira com que os átomos (cátions e ânions) estão dispostos (estrutura interna) e pela composição química, expressa por fórmula química. A composição química dos minerais pode variar dentro de limites definidos e previsíveis pelas características atômicas, gerando os diferentes grupos de minerais ou soluções sólidas.
basalto
Fotomicrografia - basalto
Os minerais constituem os diferentes tipos de rochas, mono ou poliminerálicas, sedimentares, metamórficas, magmáticas, hidrotermais ou pneumatolíticas. Algumas dessas rochas, devido à granulação muito fina, a exemplo de alguns tipos de  basaltos, mostram-se em um exame a olho nu, com aparência de um único mineral (massas homogêneas). Todavia, quando observado ao microscópio petrográfico e em casos extremos ao microscópio eletrônico, verifica-se que são constituídos por várias substâncias cristalinas e, às vezes, também por material amorfo (vidro).    
As substâncias produzidas em laboratório, com estrutura interna ordenada e composições químicas definidas, são denominadas cristais ou minerais artificiais ou sintéticos, e as sem estrutura interna, de vidro. Atualmente o homem consegue reproduzir em laboratório, com bastante semelhança, praticamente todos os minerais e gemas naturais. Desta forma, em laboratórios são produzidos o diamante, a safira, o rubi, o quartzo, o espinélio, a esmeralda etc. 

 CLASSIFICAÇÃO DOS MINERAIS: Os minerais, a exemplo dos animais e vegetais, necessitam serem ordenados ou classificados de acordo com princípios científicos para racionalizar o estudo. O princípio básico de classificação elaborado por Linné (1758) no livro “In Nature” serviu de base para outras classificações, como a elaborada por: Berzelius (1827), que estabeleceu o sistema puramente químico;  Niggli o sistema cristalográfico ou classificação isotípica, onde agrupou os minerais com base na sua morfologia (cúbico, hexagonal, ortorrômbico etc.); Machatscki o sistema paragenético (associação de minerais naturais que cristalizam-se juntos).
A classificação mais usada na mineralogia, por melhor atender à necessidades científicas, uma vez que considera a estrutura e composição química dos minerais, foi elaborada por Strunz (1935). Esta classificação subdivide os minerais em 12 grandes grupos, baseando-se na composição química, sendo que esses grupos são subdivididos com base na organização estrutural. Dessa forma tem-se: elementos nativos; sulfetos; sulfossais; óxidos e hidróxidos; halogenetos; carbonatos; nitratos; boratos; sulfatos e cromatos; fosfatos, arsenietos e vanadatos; tungstatos e molibdatos, e silicatos (nesossilicatos, sorossilicatos, ciclossilicatos, inossilicatos, filossilicatos e tectossilicatos).
Existem muitas outras classificações mineralógicas desenvolvidas para atender necessidades específicas,  tais como a do elemento constituinte mais importante presente nos minerais, o modo de ocorrência deles na natureza, gêneses e associações paragenéticas, bem como as propriedades físicas. Dentre estas destacam-se:

 Classificação de acordo com o elemento constituinte: Nesse caso os minerais são agrupados de acordo com o elemento químico mais importante, não levando em consideração a composição química dos minerais, as propriedades cristalográficas e físicas. Assim, todos os minerais de Fe importantes vão estar reunidos em uma mesma classe: hematita - Fe2 O3 (trigonal romboédrico), magnetita Fe3O4 (isométrico), siderita FeCO3 (trigonal romboédrico), goethita HFeO2 (ortorrômbico), pirita FeS2 (isométrico), marcassita  FeS2 (ortorrômbico),  troillita (FeS) (hexagonal), pirrotita Fe1-xS (hexagonal/ortorrômbico) etc. No caso do cobre, tem-se no mesmo grupo antlerita Cu3(OH)4SO4 (ortorrômbico); atacamita Cu2Cl(OH)3 (ortorrômbico); malaquita Cu2(CO3 )(OH)2 (monoclínico), azurita Cu3(CO3)2 (OH) 2 (monoclínico), bornita Cu5FeS4 (isométrico), calcocita Cu2S (ortorrômbico), calcopirita CuFeS2 (tetragonal), covelita CuS (hexagonal), cuprita Cu2O (isométrico), enargita Cu3AsS4 (ortorrômbico), tetraedrita (Cu,Fe,Zn,Ag)12Sb4S13 (isométrico); etc.  
  
Classificação segundo a gênese e tipo de ocorrência do mineral: Esta maneira de agrupar os minerais, baseando-se no modo de formação e tipo de ocorrência, foi bastante usada pelos mineralogistas e geólogos e ainda hoje vem sendo usada especialmente na área da Geologia Econômica. Aqui, os minerais são classificados em magmáticos, metamórficos, sublimados, pneumatolíticos, hidrotermais e/ou formados a partir de soluções quentes ou frias.

Minerais magmáticos são aqueles que resultam da cristalização do magma e constituem as rochas ígneas ou magmáticas. Os magmas podem ser considerados soluções químicas em temperaturas muito elevadas, que originam fases cristalinas de acordo com as leis das soluções, sendo extremamente rara a cristalização de um magma gerar apenas uma fase cristalina; o normal é a presença de vários minerais com composições e propriedades diferentes. De um modo geral, a formação dos minerais nos magmas com o resfriamento e mudanças no ambiente de pressão litostática ou de fluídos, entre outros fatores, é controlada especialmente pela concentração dos elementos e solubilidade dos constituintes na solução magmática. Quanto mais rápido for o processo de cristalização, menores serão as fases cristalinas e maior o volume de material não cristalino (obsidianas ou vidros vulcânicos), podendo chegar a resultar apenas vidro; por outro lado quanto mais lenta a cristalização maiores serão os constituintes, gerando os pegmatitos. arsenopirita - Mineral magmático
A cristalização dos magmas resultam nas diferentes rochas magmáticas (basaltos, gabros, granitos, dioritos, peridotitos, dunitos, sienitos, piroxenitos etc.) e, às vezes, também alguns depósitos minerais importantes, contendo magnetita, ilmenita, cromita, pirrotita, calcopirita, pentlandita etc. resultantes de segregação devido a insolubilidade (especialmente no caso dos sulfetos) e/ou diferenças de densidade do mineral ou líquido imissível em relação ao magma de origem. Para alguns pesquisadores, esses minerais de segregação, formam uma classe à parte, denominada minerais acumulados por segregação magmática. 
cianita - mineral metamórfico
Minerais metamórficos originam-se principalmente  pela ação da temperatura, pressão litostática e pressão das fases voláteis sobre rochas magmáticas, sedimentares e também sobre outras rochas metamórficas. Os processos metamórficos (regional, contato, dinâmico, termal, de fundo oceânico, carga, impacto etc.) geram uma grande quantidade de minerais, dentre os quais muitos dificilmente seriam formados por outros processos, como é o caso do diopsídio, wollastonita, idocrásio, granada, estaurolita, andaluzita, cianita, sillimanita, epidoto, tremolita, actinolita etc. 
Minerais sublimados são aqueles formados diretamente da cristalização de um vapor, como também da interação entre vapores e destes com as rochas dos condutos por onde passam. O exemplo mais comum de sublimação é a formação da neve, cristalização do gelo a partir de vapor d’água, já associado as atividades ígneas, pelo fato dos magmas possuírem voláteis como a água; o enxofre, o gás carbônico, o cloro, o flúor, o boro e seus compostos voláteis, além de outros constituintes menores, aparecem muitos minerais sublimados. enxofre - mineral sublimado
Os voláteis contidos nos magmas concentram-se nas fases residuais e quando os magmas chegam próximo ou na superfície terrestre, as fases voláteis tendem a escapar, aspecto que ocorre nas erupções vulcânicas ou nas fumarolas e aí podem depositar minerais por sublimação direta, formando halita (NaCl - sal-gema ou sal de cozinha), sal amoníaco (NH4Cl), enxofre, silvita (KCl), boratos, cloretos e fluoretos. Outros minerais, a exemplo da hematita, podem aparecer em cavidades vulcânicas, gerados por processos de sublimação, resultante da interação do FeCl3 com o vapor de água, conforme a reação: 2FeCl3 + 3H2O = Fe2O3 + 6HCl.
cassiterita - mineral pneumatolítico Minerais pneumatolíticos são formados pela reação dos constituintes voláteis oriundos  da cristalização magmática, desgaseificação do interior terrestre ou de reações metamórficas sobre as rochas adjacentes. Nesse processo podem ser formados topázio, berilo, turmalina, fluorita, criolita, cassiterita, wolframita, flogopita, apatita, escapolita etc. Na formação da cassiterita, o composto volátil SnF4 rege com o vapor d’água, segundo a reação: SnF4 + 2(H2O) = SnO2 + 4HF.
Minerais formados a partir de soluções originam-se pela deposição devido a evaporação, variações de temperatura, pressão, porosidade, pH e/ou eH. Esse processo ocorre na superfície da terra e em diferentes profundidades. Na superfície da Terra as soluções quando não diretamente ligadas a atividades magmáticas, normalmente possuem temperaturas do ambiente, sendo consideradas frias e diluídas, enquanto que aquelas que circulam lentamente em profundidades e/ou estão associadas a atividades vulcânicas são quentes e possuem grande quantidade de cátions e ânions dissolvidos, e podem gerar importantes depósitos minerais. Os principais processos de formação de minerais a partir de soluções estão relacionados abaixo.
-           Evaporação do solvente: neste processo a precipitação ocorre devido à concentração ultrapassar o coeficiente de solubilidade pelo processo de evaporação, fato que ocorre principalmente em regiões quentes e secas, formando sulfatos (anidrita, gipsita etc.), halogenetos (halita, silvita etc.) etc.
-           Perda de gás agindo como solvente: processo que ocorre quando uma solução contendo gases entra em contados com rochas provocando reação a exemplo do que ocorre quando solução aquosa contendo bióxido de carbono entra em contato com rochas calcárias,  caso em que o carbonato de cálcio é parcialmente dissolvido formando o bicarbonato de cálcio (CaH2(CO3)2), composto solúvel na solução. O bicarbonato de cálcio é instável e, por causa do aumento de concentração resultante de evaporação e/ou devido a desgaseificação da solução e a outros fatores, ocorre a reversão da reação de dissolução precipitando o carbonato de cálcio [CaCO3 + H2O +CO2 =>  CaH2(CO3)2]. Esse processo pode dar origem às estalactites e estalagmites, ao mármore ônix, ônix das cavernas e  mármore travertino.
-           Diminuição da temperatura e/ou pressão: as soluções de origem profunda resultantes de transformações metamórficas (desidratação, descarbonatação, etc.) ou de cristalizações magmáticas normalmente contêm significativas quantidade de material dissolvido. Quando essas soluções esfriam ou a pressão diminui, formam-se minerais hidrotermais, depositados na forma de veios ou filões. As fontes termais e os géiseres possuem uma grande quantidade de minerais depositados (carbonatos, sulfetos, arsenietos, halogenetos etc.), constituindo-se em evidências da atuação desse processo.
-           Interação de soluções: O encontro de soluções aquosas com solutos diferentes, ao se interagirem, pode   formar composto insolúvel ou com coeficiente de solubilidade bem mais baixo, que se precipita. Como exemplo pode ser citado o encontro de uma solução com sulfato de cálcio (CaSO4) com outra contendo carbonato de bário (BaCO3), resultando na formação de um precipitado de barita (BaSO4).
-           Interação de soluções e cristais: Nesse caso uma solução com determinado composto solúvel reage com minerais originando outras fases minerais, como o que ocorre quando uma solução com sulfato de zinco entra em contato com calcita, contida em mármores ou calcários, originando  smithsonita (ZnCO3) e a anidrita (CaSO4) ou gipsita (CaSO4.2H2O).
-           Interação de gases com soluções: A passagem de gás por uma solução contendo íons pode gerar precipitados, a exemplo do que ocorre com a passagem de H2S (gás sulfídrico) por uma solução contendo cátions de Fe, Cu, Zn etc.,   formando sulfetos de ferro (pirita FeS2), calcopirita (CuFeS2), esfalerita (ZnS), etc..
-           Ação de organismos sobre soluções: Esse processo resulta da ação dos organismos vivos, animais ou vegetais, sobre as soluções. Dessa forma um grande número de seres marinhos (corais, crinóides, moluscos etc.) extraem o carbonato de cálcio das águas salgadas para formar suas conchas e partes duras de seus corpos, resultando na formação de calcita (CaCO3) e em menor quantidade aragonita (CaCO3) e dolomita [MgCa(CO3)2]. Da mesma forma as esponjas, os radiolários e as diatomáceas provocam a precipitação da sílica amorfa. Algumas bactérias precipitam o ferro (limonita, goethita) ou promovem a deposição do enxofre, nitratos etc.

Classificação química: Neste caso os minerais estão arranjados de acordo com as suas composições químicas, resultando nos grupos: elementos nativos, sulfetos, sulfossais, óxidos etc.

Classificação quanto à coloração: Quanto à coloração os minerais classificam-se em: Minerais máficos ou fêmicos, aqueles que possuem cores escuras por conterem ferro, magnésio, titânio, manganês etc., a exemplo da olivina, piroxênios, anfibólios etc., e Minerais félsicos ou siálicos, os que são incolores ou brancos, compostos à base de sílica e/ou alumina, tais como quartzo, feldspato, zeólita etc.

Classificação quanto à densidade:

            Leves: são aqueles que bóiam no bromofórmio por terem densidade menor que esse composto químico (2,89).

            Pesados: são os que possuem densidade superior a 2,89, portanto afundam no bromofórmio.

Minerais de minério são aqueles que constituem os minérios substâncias das quais podem ser extraídos um ou mais elementos úteis com finalidades lucrativas (econômicas). Neste contexto, aparecem a denominação de mineral de ganga e mineral de canga cromita - mineral de minério
opala - gema  
Minerais de gemas ou pedras preciosas são minerais que são usados para a confecção de jóias e bijuterias, sendo que nos livros especializados os minerais de gemas podem ser classificados quanto à coloração, dureza, brilho e outras propriedades físicas.
 

Minerais de rochas ocorrem formando as rochas e são frequentes.

feldspato - mineral formador de rocha

Minerais de ganga: minerais presentes nas jazidas juntos com os minerais de minério que devido a aspectos econômicos, tecnológicos ou composicionais, não são utilizados, e incorporam-se ao rejeito.

Minerais de canga: minerais que recobrem os depósitos minerais formados pela oxidação ou laterização superficial; dominam os hidróxidos e óxidos de Fe, Al e Mn.
 Os minerais podem ser classificados ainda de acordo com as suas propriedades físicas, volatilidade; coloração, brilho; solubilidade; magnetismo e suscebilidade magnética; densidade (leves e pesados); fusibilidade; radiatividade, tenacidade, etc.    
  
©Fábio Braz Machado

quinta-feira, 16 de novembro de 2017

Human evolution: The Neanderthal in the family

Thirty years after the study of ancient DNA began, it promises to upend our view of the past.

Photo Adapted from: Tetra Images/Alamy

Before ancient DNA exposed the sexual proclivities of Neanderthals or the ancestry of the first Americans, there was the quagga.

An equine oddity with the head of a zebra and the rump of a donkey, the last quagga (Equus quagga quagga) died in 1883. A century later, researchers published1 around 200 nucleotides sequenced from a 140-year-old piece of quagga muscle. Those scraps of DNA — the first genetic secrets pulled from a long-dead organism — revealed that the quagga was distinct from the mountain zebra (Equus zebra).
More significantly, the research showed that from then on, examining fossils would no longer be the only way to probe extinct life. “If the long-term survival of DNA proves to be a general phenomenon,” geneticists Russell Higuchi and Allan Wilson of the University of California, Berkeley, and their colleagues noted in their quagga paper1, “several fields including palaeontology, evolutionary biology, archaeology and forensic science may benefit.”

At first, progress was fitful. Concerns over the authenticity of ancient-DNA research fuelled schisms in the field and deep scepticism outside it. But this has faded, thanks to laboratory rigour that borders on paranoia and sequencing techniques that help researchers to identify and exclude contaminating modern DNA.

These advances have fostered an ancient-genomics boom. In the past year, researchers have unveiled the two oldest genomes on record: those of a horse that had been buried in Canadian permafrost for around 700,000 years2, and of a roughly 400,000-year-old human relative from a Spanish cavern3. A Neanderthal sequence every bit as complete and accurate as a contemporary human genome has been released4, as has the genome of a Siberian child connecting Native Americans to Europeans5.

Enabling this rush are technological improvements in isolating, sequencing and interpreting the time-ravaged DNA strands in ancient remains such as bones, teeth and hair. Pioneers are obtaining DNA from ever older and more degraded remains, and gleaning insight about long-dead humans and other creatures. And now ancient DNA is set to move from the clean-rooms of specialists to the labs of archaeologists, population geneticists and others. Thirty years after the quagga led the way, Nature looks to the field's future.

A million-year-old genome

Ludovic Orlando, an evolutionary biologist at the University of Copenhagen, had low expectations when he started sequencing DNA from a 560,000-to-780,000-year-old horse leg bone. His colleague, Eske Willerslev, had discovered the bone buried in the permafrost of the Canadian Yukon in 2003. Then he had chucked it into a freezer, waiting for technological improvements that would allow the bone's degraded DNA to be read. (Freezers in ancient-DNA labs brim with such 'wait and see' samples.)
On a Sunday evening in 2010, Willerslev called Orlando to say that the time had come. Orlando was unconvinced: “I started the project with the firm intention of proving that it was not possible,” he says.

Sequencing ancient DNA is a battle against time. After an organism dies, the long strands of its DNA fissure into ever shorter pieces, helped along by DNA-munching enzymes. Low temperatures slow this process, but eventually the strands become so short that they contain little information.
To read the horse's genome, Orlando needed to shepherd useful DNA fragments through the harsh enzymatic treatments used to extract them and ready them for sequencing. Orlando and his team found that the preparation lost vast quantities of fragments. But with a few tweaks to the experimental protocol, such as reducing the extraction temperature, the researchers captured ten times more scraps of DNA than before — and produced a draft of the oldest genome on record2.
Photos (L–R): Javier Trueba/MSF/SPL; Markus Schieder/Alamy; Ref. 3; D. Reich et al. Nature 468, 1053–1060 (2010)
Using a similar approach, Svante Pääbo, a geneticist at the Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology in Leipzig, Germany, and his team turned their attention to 400,000-year-old remains from the Sima de los Huesos cavern in northern Spain, which may have been a burial pit for recent relatives of modern humans called hominins (see 'Hidden heritage'). In the pit, the bones remained at stable, low temperatures, slowing the breakdown of DNA. “If you could have told the hominins where to leave their bones, you may have chosen that site,” says Matthias Meyer, a molecular biologist at Pääbo's institute who is leading the efforts.

Last December, the team reported3 roughly 16,300 letters of a Sima de los Huesos individual's mitochondrial genome — the DNA from power-generating structures in its cells. The sequence revealed an unexpected relationship between the Sima de los Huesos remains and the Denisovans, an archaic group of humans that Pääbo's team had discovered in Russia's Altai Mountains thousands of kilometres away. Meyer and his colleagues hope to improve their methods enough to obtain some or all of the Sima de los Huesos individual's nuclear genome, the DNA from the nuclei of its cells. “It must be possible,” says Meyer. “I won't rest until this has been done.”

It is now a matter of when, not if, someone will produce a genome from an Arctic animal buried in permafrost for longer than 1 million years, says Meyer. But he and Pääbo want to push the limits of ancient DNA in hominin specimens from warmer locales, such as fossils of Homo erectus, the common ancestor of humans and Neanderthals, found in Asia. And Orlando says that researchers may have luck using new extraction techniques on previously vexing remains such as Egyptian mummies or Homo floresiensis, a small hominin at least 18,000 years old that was found in a cave on the Indonesian island of Flores. “It opens a great number of places where there are lots of important stories going on, such as the Middle East or the tropics,” he says.

Ghosts in the code

A few years ago, David Reich discovered a ghost. Reich, a population geneticist at Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, and his team were reconstructing the history of Europe using genomes from modern people, when they found a connection between northern Europeans and Native Americans. They proposed that a now-extinct population in northern Eurasia had interbred with both the ancestors of Europeans and a Siberian group that later migrated to the Americas6. Reich calls such groups ghost populations, because they are identified by the echoes that they leave in genomes — not by bones or ancient DNA.

Ghost populations are the product of statistical models, and as such should be handled with care when genetic data from fossils are lacking, says Carlos Bustamante, a population geneticist at Stanford University in California. “When are we reifying something that's a statistical artefact, versus when are we understanding something that's a true biological event?”
Sometimes these statistical spectres get a body. Last year, Willerslev's team reported5 the genome from 24,000-year-old remains dubbed the Mal'ta boy. The results showed that the boy, who had been found in central Siberia, came from a population related to both modern Native Americans and modern Europeans, matching Reich's prediction (see Nature http://doi.org/r2b; 2013). “It's a spectacular find,” he says.

Ghost populations also lurk in ancient DNA. While analysing high-quality genomes of a Neanderthal and a Denisovan, a team led by Reich and Montgomery Slatkin at the University of California, Berkeley, noticed a peculiar pattern: present-day sub-Saharan Africans are more closely related to Neanderthals than they are to Denisovans4. But evidence from other ancient genomes suggested that the two archaic groups were equally related to present-day Africans. After weighing the possibilities, the scientists realized that they might have uncovered another ghost population.

The puzzle could be solved, they theorized, if Denisovans had interbred with a species that had left Africa perhaps more than 1 million years ago and branched off from the common ancestor of humans, Neanderthals and Denisovans. Subsequent Denisovans would have inherited DNA sequences that present-day Africans lack, explaining why Neanderthals seem to be closer kin to Africans.

Reich's team is analysing genetic signatures in humans with Denisovan DNA to establish when the Denisovans mated with this mystery population — information that could narrow the range of fossils to which it might belong. Genomes studied by Pääbo's lab, principally the Sima de los Huesos remains, may also reveal clues.
Reich is not the only one conjuring ghosts. Chris Stringer, a palaeoanthropologist at the Natural History Museum in London, has proposed that the 900,000-year-old hominin Homo antecessor, known from fossils found near Sima de los Huesos, could be part of the ghost population. If it had interbred with an ancestor of the Denisovans and the Sima de los Huesos hominins, it could explain the relationship between the two groups of remains. Testing that hypothesis would require the elusive Sima de los Huesos nuclear DNA. But Reich is optimistic that Pääbo and his team will pull it off. “They've done miracles before in that lab and they may succeed again.”

The Neanderthal within

“We don't need bones necessarily to find ancient DNA,” says Josh Akey, a population geneticist at the University of Washington in Seattle. “We can find the remnants of ancient DNA floating around in contemporary populations.”
If early human populations bred with Neanderthals and Denisovans, their descendants should carry short segments of archaic-human DNA. Researchers such as Akey are beginning to catalogue these segments to learn about the biology of archaic humans. Unlike the hunt for ghost populations, which relies on statistical population models, this approach allows researchers to identify specific regions of the genome acquired by interbreeding.
“With tools that make sequencing ancient DNA cheaper and easier, the field is becoming more egalitarian.”
In January, independent teams led by Akey7 and Reich8 pieced together a substantial portion — about 20% and 40% respectively — of the Neanderthal genome from bits lurking in the genomes of hundreds of living humans. Their research indicated that some Europeans and Asians had gained genes involved in skin and hair from Neanderthals, possibly helping their ancestors to adapt to cold climates by providing thicker skin, more hair and fewer pores (see Nature http://doi.org/rz9; 2014). But giant swathes of the modern genomes were devoid of Neanderthal ancestry, hinting that many Neanderthal genes might have been harmful in modern humans. Akey's team identified7 one such region around the gene FOXP2, which is involved in speech and language. “It's extremely compelling evidence that there were fitness costs to interbreeding,” he says.

These discoveries are only the beginning. The Akey and Reich teams found that the genomes of east Asians possess, on average, slightly more Neanderthal DNA than do people of European ancestry. Akey sees this as possible evidence that Neanderthals interbred with ancient humans on at least two separate occasions: once with the ancestors of all Eurasians, and later with a population ancestral only to east Asians. And Akey believes that humans are likely to bear genetic scraps from other extinct species, including some that interbred with the ancestors of humans in sub-Saharan Africa.

Ancient DNA for the masses

For much of the past 30 years, the sensitivity of the polymerase chain reaction (PCR), the method used to amplify ancient DNA, made it prone to contamination. The field's leaders often greeted the work of outsiders with suspicion, earning some of them the title 'the PCR police'. And in recent years, palaeogenomics has been the domain of specialist labs such as Pääbo's, with the expertise and money to obtain and screen hundreds of fossils to find the few that yield enough DNA to sequence an entire genome.
That is set to change. New procedures mean that researchers can now reliably obtain DNA from all but the most degraded samples, and then sequence only the portions of a genome that they are interested in. “I'm still surprised that there are so few labs in the world that do this,” says Johannes Krause, a palaeogeneticist at the University of Tübingen, Germany, who led much of the Denisovan work while in Pääbo's lab. “It's not rocket science.”
Gradually, new researchers are entering the field. “If I can break in, then anyone can,” jokes Bustamante. His research originally focused on ancestry in current human populations. Then, a few years ago, he got a phone call about a mummy.

An international team had sequenced the genome of Ötzi, a 5,300-year-old frozen corpse found in the Tyrolean Alps of Italy in 1991. The researchers wondered if Bustamante could help them to make sense of the ice-man's ancestry. Together, they showed that Ötzi was more closely related to humans who now live in Sardinia and Corsica than those in central Europe, evidence that the population of Europe when he was alive looked very different to how it does today9.

Bustamante has since plunged into the world of ancient DNA. His team is sequencing samples that chart the arrival of farming in Bulgaria, the transatlantic slave trade in the Americas and dog domestication. The group is developing tools to make sequencing ancient DNA cheaper and easier. “We want to democratize the field,” says Bustamante.

Reich, too, sees ancient DNA becoming more egalitarian. His lab's growing interest in areas of human history such as the advent of agriculture or the history of the Indian subcontinent has led it to analyse — often in bulk — remains less rarefied than the scarce Neanderthal samples that first lured him to the field.
Last year, Reich was part of a team that reported10 an analysis of mitochondrial DNA from 364 European samples between 5,500 and 1,550 years old, to identify major population shifts in Neolithic Europe. Ancient genomics is also set to solve long-standing questions about when and where humans domesticated animals such as dogs, cattle and chickens. A 2013 study11 of 18 mitochondrial genomes from ancient dogs and wolves, for instance, suggested that European hunter-gatherers domesticated wolves from a population that is now extinct.

Researchers are also returning to the questions that launched the field 30 years ago. Around the time that Orlando's team began sequencing the 700,000-year-old horse, it also turned its attention to a much younger sample — from the quagga.
The effort to sequence the full quagga genome is part of large project to understand the evolutionary relationship between living and extinct horses, zebras and donkeys, and to identify the genetic basis for certain traits. “I was thinking it would be cool to do the oldest, but also the first — where ancient DNA started,” says Orlando. “It shows the progress the field has made.”
Nature
507,
414–416
()
doi:10.1038/507414a

References

  1. Higuchi, R. Bowman, B., Freiberger, M., Ryder, O. A. & Wilson, A. C. Nature 312, 282284 (1984).
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  2. Orlando, L. et al. Nature 499, 7478 (2013).
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  3. Meyer, M. et al. Nature 505, 403406 (2014).
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  4. Prüfer, K. et al. Nature 505, 4349 (2014).
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  5. Raghavan, M. et al. Nature 505, 8791 (2014).
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  6. Patterson, N. et al. Genetics 192, 10651093 (2012).
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  7. Vernot, B. & Akey, J. M. Science 343, 10171021 (2014).
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  8. Sankararaman, S. et al. Nature 507, 354357 (2014).
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  9. Keller, A. et al. Nature Commun. 3, 698 (2012).
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  10. Brandt, G. et al. Science 342, 257261 (2013).
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  11. Thalmann, O. et al. Science 342, 871874 (2013).
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From nature.com

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Updated:

Marc Steinmetz
The Untermassfeld site in Germany has yielded more than 14,000 large animal fossils dating from between 900,000 and 1.2 million years ago.

Serious concerns have surfaced about three research papers claiming evidence for one of the earliest human occupations of Europe.

In an extraordinary letter posted to the bioRxiv.org preprint server on 31 October1, archaeologists allege that the papers, published in 2013, 2016 and 2017, included material of questionable provenance, and that results reported in the 2016 paper were based on at least one stolen bone.

Editors at the journals concerned have now published expressions of concern about the papers.
There is no suggestion that the authors of those papers were involved in theft, but the researchers behind the letter say they are concerned that appropriate questions regarding the provenance of the material appear not to have been asked. They also reject the authors’ conclusion that a German site known for animal remains was also home to hominins, ancient relatives of humans, 1 million years ago. The authors have denied the allegations and say they stand by their conclusion.
The letter was initiated by archaeologist Wil Roebroeks at Leiden University in the Netherlands, and Ralf-Dietrich Kahlke, a palaeontologist and head of the Senckenberg Research Station of Quaternary Palaeontology in Weimar, Germany, who leads excavations at Untermassfeld, a fossil site about 150 kilometres northeast of Frankfurt. Their preprint describes repeated disappearances of bones from Untermassfeld, as well as fossils delivered in anonymous packages. The authors of the disputed papers insist, however, that they analysed independent collections of bones and stones, and reject the suggestion that any of it was stolen.

Untermassfeld, which has yielded more than 14,000 large animal fossils dating from between 900,000 and 1.2 million years ago, holds the most complete record of northern European wildlife from this time period. But since yearly excavations began in the late 1970s, no hominin bones or signs of occupation have been found, says Kahlke. Hominins first settled in southern Europe around 800,000 to 1 million years ago, most archaeologists agree, and expanded farther north only sporadically until around 500,000 years ago.

Uncertain origins

One of the first claims that hominins lived near Untermassfeld more than 1 million years ago appeared in a 2013 paper in the journal Quaternary International, which contended that rocks from the site resembled stone tools2. In a 2016 Journal of Human Evolution paper3, two of the original paper's authors, Günter Landeck at the North Hessian Society of Prehistory and Archeology of the Medieval in Bad Hersfeld, Germany, and Joan Garcia Garriga at the Universitat Oberta de Catalunya in Barcelona, concluded that marks on animal bones from Untermassfeld were made by humans. In 2017, Landeck and Garcia Garriga published further analysis of the bones in another Quaternary International paper4.

There is no suggestion that the other co-authors of the 2013 paper had any connection with the material from Untermassfeld. And after this article was published, Garcia Garriga contacted Nature to say that he, also, did not have connections with the material; he said that Landeck had done the analysis, while he himself helped in discussing data and writing up its archaeological implications.
In their papers, Landeck and Garcia Garriga attributed the material, along with hundreds of rock fragments of limestone and chert, to “the Schleusingen collection”, which they stated was recovered by a biology teacher in the late 1970s and early 1980s.

Kahlke says he is personally unaware of a Schleusingen collection and questions whether the material was collected at this time. Rocks like those described in the papers can be found in the vicinity of the site, but he says that animal fossils are concentrated in a small area that has been under excavation since 1978. No other research teams had permission to excavate the site during that time, Kahlke says. But he says that material was routinely stolen from the site — which he reported to the police, most recently in 2012 — until the site and fossil bed were better secured. There is no suggestion that Landeck and Garcia Garriga were involved in these thefts.
Ralf-Dietrich Kahlke
Researchers excavating at Untermassfeld allege that part of a deer bone protruding from the sediment on 28 May 2009 (in box, left) had disappeared several days later.

One fossil that Kahlke considers suspicious is a right limb-bone fragment from an extinct species of fallow deer, described in Landeck and Garcia Garriga’s 2016 Journal of Human Evolution paper. Kahlke says that the bone in the paper seems to match a piece of deer bone that thieves broke from a larger chunk of sediment at Untermassfeld, leaving part of the bone behind. The bone fragment is present in a photograph taken on 28 May 2009, and missing in a photograph taken several days later. A rhinoceros limb fragment that disappeared from the site in 2012 also closely resembles a fossil described in the 2016 paper, Kahlke says.

Case unsolved

Deepening the mystery, a deer bone fragment was among a jumble of bones and rocks in two packages sent anonymously to a museum near Untermassfeld in March 2014. Ralf Werneburg, a palaeontologist and director of the Natural History Museum Schloss Bertholdsburg in Schleusingen, Germany, recognized the material as originating from Untermassfeld and contacted Kahlke.
Ralf-Dietrich Kahlke
An anonymous package sent to a museum in Schleusingen contained a deer bone fragment (lower bone), which appears to match a fragment left behind (upper bone) after a theft from the Untermassfeld site in 2009. (The fragments are shown pieced together in the view on the far-right).

In Kahlke's opinion, the returned deer bone fragment is the one described in the 2016 paper, and matches up with the piece left behind after the 2009 theft. He says that the sixty-three other bone fragments in the packages also closely resemble some of the fossils described in the 2016 paper (the rhinoceros limb bone was not among them), and 11 rock fragments resemble artefacts in the 2013 Quaternary International paper.

Roebroeks and Kahlke’s team analysed the material in the returned packages, and concluded that it does not support a hominin occupation at Untermassfeld. They argue that the claimed cut-marks on the animal bones, including the deer bone, were probably caused by rodents or other natural wear, they say, and the rock fragments lack telltale marks typical of hominin tools. They say that it wasn't possible to analyse other material from Landeck and Garcia Garriga’s paper because its location is unclear.

Nature exchanged multiple e-mails with Landeck and Garcia Garriga about this mystery and asking for comment on the contents of this article. The researchers responded that most of the material they examined, including the deer bone fragment, was from two private collections amassed in the 1970s and early 1980s, and that much of it came from the same geological layer as Untermassfeld, but not within the site itself. They said that they presumed that some of this material was returned to the Natural History Museum Schloss Bertholdsburg in 2014 by the individual who had loaned it to them. They would not name the individual, but insisted: “We have nothing to do with a stolen bone. They added that they are planning to publish a detailed response to Roebroeks and Kahlke's allegations.
The regional prosecutor’s office in Meiningen that investigated the 2009 theft told Nature the case had been closed unsolved later that year. A 5-year statute of limitation prevents it from being reopened. The case involving the 2012 theft of the rhinoceros bone was reopened early this year after the Journal of Human Evolution paper was published. The prosecutor’s office said that an individual, whom it declined to name because of data protection laws, had been found guilty and fined.

Ongoing inquiry

Expressions of concern published on each of the three papers note that the location of the Untermassfeld material “was not stated accurately in the publication”, and that the authors have been unable to adequately clarify where it is now. Landeck and Garcia Garriga declined to comment to Nature on the specific details of the notes but said that they plan to publish a response.
Sarah Elton, an anthropologist at the University of Durham, UK, and an editor at the Journal of Human Evolution, says that an investigation into the accusations is ongoing. She adds that, as a result of the case, the journal now asks prospective authors to supply complete information about the location of material included in a study, as well as how it was accessed.

Other experts have been shocked by the revelations. “This paper should be retracted, of course,” says Jean-Jacques Hublin, an anthropologist and a director at the Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology in Leipzig, Germany, about the 2016 paper. But the concerns go beyond questions of provenance. Hublin says that, like Roebroeks and Kahlke, he does not accept the claim that Untermassfeld contains signs of hominin presence, and he worries that its appearance in prominent journals will cause others to accept the idea, despite the lack of evidence for it.

The debate around Untermassfeld, Roebroeks and his colleagues say, underscores the importance of providing accurate descriptions of the provenance of published material, which is needed to verify claims. The desire to set the record straight about the arrival of hominins to Europe was the primary motivation for the team’s letter, he says. Based on his analysis, Roebroeks argues: “These bones and stones are not indicative of hominin presence.”
With additional reporting by Alison Abbott
Nature
551,
279–280
()
doi:10.1038/nature.2017.22984

Updates

Updated:
This article was updated on 13 November to note that expressions of concern have been published on all three papers, and to include a statement made after publication by Garcia Garriga: that he was not involved in analysing the material from Untermassfeld.

References

  1. Roebroeks, W., Gaudzinski-Windheuser, S., Baales, M. & Kahlke, R.-D. Preprint at bioRxiv https://www.biorxiv.org/content/early/2017/10/31/211268 (2017).
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  2. Garcia, J., Landeck, G., Martínez, K. & Carbonell, E. Quat. Int. 316, 7393 (2013).
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  3. Landeck, G. & Garriga, J. G. J. Hum. Evol. 94, 5371 (2016).
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  4. Landeck, G. & Garriga, J. G. Quat. Int. 436, 138161 (2017).
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Seis espécies de anfíbios invasores são identificadas no Brasil

10 de novembro de 2017

Peter Moon  |  Agência FAPESP – A invasão de ecossistemas brasileiros por espécies provenientes de outros biomas, países ou continentes é um desafio para os conservacionistas. Há vários exemplos, como os javalis originários da Europa e importados para fazendas no Uruguai, de onde escaparam para o Brasil nos anos 1990, alastrando-se desde então pelas regiões Sul e Sudeste.
Seis espécies de anfíbios invasores são identificadas no Brasil Pesquisadores publicam na PLOS ONE primeiro levantamento de anfíbios invasores dos biomas brasileiros. Algumas invasões são recentes, como é o caso da perereca-assobiadora, e outras são antigas, como a rã-touro (foto: rã-touro (Lithobastes castesbeianus / divulgação) 
 
 

Entre os invasores há também anfíbios. Um grupo de biólogos das universidades paulistas acaba de publicar o primeiro levantamento de anfíbios invasores dos biomas brasileiros. Contabilizaram a presença de nada menos que seis espécies diferentes, entre sapos, rãs e pererecas, espalhados por boa parte do país.

Algumas invasões são recentes, como é o caso da perereca-assobiadora (Eleutherodactylus johnstonei), introduzida acidentalmente na cidade de São Paulo há menos de uma década. Outros casos são mais antigos, como o sapo-cururu (Rhinella jimi), que chegou ao arquipélago de Fernando de Noronha há 130 anos.

Resultados do trabalho foram publicados na PLOS ONE em artigo de Lucas Forti, do Instituto de Biologia da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Luís Felipe Toledo, chefe do Laboratório de História Natural de Anfíbios Brasileiros da Unicamp, Célio Haddad, professor do Instituto de Biociências da Universidade Estadual Paulista (Unesp), e outros. A pesquisa contou com diversos apoios da FAPESP, na forma de Auxílios e Bolsas.

A ideia de fazer um levantamento dos anfíbios invasores nos biomas brasileiros surgiu no verão de 2013-2014, quando Forti observou nos jardins de um condomínio no Guarujá (SP) uma infestação de pererecas-das-bromélias (Phyllodytes luteolus). “Trata-se de uma espécie cujo habitat original são as porções de Mata Atlântica que se estendem desde o norte do Rio de Janeiro até a Paraíba”, disse.
O herpetólogo suspeita que as pererecas-das-bromélias devem ter sido introduzidas no Guarujá acidentalmente, por meio do comércio de plantas ornamentais, uma vez que a espécie, como seu nome indica, costuma viver nos acúmulos de água entre as folhas das bromélias.

Segundo Forti, a invasão põe em risco a sobrevivência de pererecas nativas que vivem em habitats semelhantes na Baixada Santista, especialmente a do gênero Ischnocnema . O risco advém da vocalização dos invasores. Ocorre que os machos de P. luteolus, em seus cantos noturnos para chamar a atenção das fêmeas, vocalizam na mesma faixa de frequência dos machos de Ischnocnema.

O ruído causado pela vocalização de uma espécie invasora provavelmente prejudica o sistema acústico de comunicação em espécies nativas, fato que, especificamente, deve colocar em risco a reprodução na espécie nativa do gênero Ischnocnema nos locais de simpatriaquando duas espécies ocorrem na mesma área geográfica – com P. luteolus.

“Isso potencialmente atrapalha a comunicação acústica das espécies e talvez possa ter efeitos negativos sobre a habilidade das fêmeas localizarem os machos no ambiente reprodutivo”, disse Forti.

Outra invasão foi identificada em algumas ruas do bairro do Brooklin, na zona sul da cidade de São Paulo. Em 2014, diversas famílias começaram a se queixar de um barulho ensurdecedor que tirava seu sono (confira no vídeo em www.youtube.com/watch?v=9cV11UPneHc).

Haddad, professor da Unesp em Rio Claro, foi contatado pelos moradores para investigar a causa da barulheira e acabou identificando a bioinvasão. Era o canto de centenas de pererecas-assobiadoras.
“Todo o barulho é produzido pelo macho da espécie, pois a fêmea é muda. É o macho que tem o papel de coaxar para atrair a fêmea. A espécie é nativa das Antilhas e achamos que foi trazida acidentalmente em plantas ornamentais”, disse Haddad, que coordena o Projeto Temático “Diversidade e conservação dos anfíbios brasileiros”.

O problema das pererecas-assobiadoras no bairro paulista já provoca consequências econômicas, como a desvalorização imobiliária naquelas ruas onde está por enquanto circunscrita a invasão. Os animais estão se reproduzindo nos quintais das casas.
Segundo Haddad, deve-se combater e eliminar o problema enquanto a invasão está restrita a um bairro. “Se nada for feito, a população de pererecas-assobiadoras vai se alastrar e, caso venha a atingir uma área de mata, sair de controle”, disse.

Cururu e rã-touro

Há dois outros casos de bioinvasão que são há muito de conhecimento dos cientistas. Um deles é na ilha de Fernando de Noronha, onde os primeiros sapos-cururus, naturais do Nordeste, foram introduzidos pelo padre Francisco Adelino de Brito Dantas (1825-1893), que em 1888 foi ser o capelão da colônia penal que lá funcionava.

Estima-se que o religioso tenha levado o cururu como forma de controle biológico dos insetos que infestavam suas hortaliças. Outra suposição é que o cururu teria sido introduzido por militares dos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial, quando mantiveram uma base na ilha. Eles teriam trazido os cururus como forma de controle da população de mosquitos.

O problema do cururu é a sua voracidade. “Em Noronha, sabemos que o cururu está comendo bichos ameaçados de extinção”, disse Toledo, que estudou o problema da invasão de cururus no arquipélago.
O anfíbio bioinvasor com presença mais ampla no Brasil e com as consequências mais graves é a rã-touro (Lithobastes castesbeianus). Natural da América do Norte, foi importada para a ranicultura nos anos 1930 e logo escapou dos ranários para o meio ambiente, encontrando-se hoje disseminada pelas manchas de Mata Atlântica em diversos estados do Sul e do Sudeste. É um animal grande, de até 20 centímetros, e que come de tudo, entre insetos, filhotes de pequenos mamíferos, pequenas aves e até membros jovens da própria espécie.

Além de competir com espécies nativas por recursos, a rã-touro é um reservatório natural de Batrachochytrium dendrobatidis, um fungo que ameaça a população mundial de anfíbios. O fungo é o causador de uma doença chamada quitridiomicose, que ataca a pele dos anfíbios e interfere na troca gasosa dos animais com o meio ambiente.

Nos últimos anos, tem sido registrada uma acentuada extinção de espécies de anfíbios em várias regiões do planeta. A bioinvasão de rã-touro, que se alastra por diversos continentes, pode estar relacionada a tais extinções em massa, pois o fungo foi identificado pelos cientistas brasileiros na pele da rã-touro, que é resistente à doença.

“Tudo indica que a proliferação invasiva da rã-touro está disseminando o fungo. Se for o caso, trata-se de uma constatação muito importante e que servirá de base para o combate à doença e à proteção das diversas populações de anfíbios ameaçados”, disse Toledo.

As outras duas espécies de anfíbios bioinvasores identificadas no estudo são a perereca-de-banheiro (Scinax x-signatus), natural da Venezuela e da Colômbia e que, como o cururu, também infesta Noronha, e a rã-pimenta (Leptodactylus labyrinthicus), que hoje se prolifera na Amazônia central.
Os autores do levantamento dos anfíbios invasores também investigaram qual poderá ser a distribuição futura das seis espécies em função das mudanças climáticas. Simulações foram feitas tomando por base os prognósticos climáticos para 2100 do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC).

“A boa notícia é que, das seis espécies invasoras identificadas, quatro terão a sua área de distribuição reduzida até 2100, inclusive a famigerada rã-touro. Não é o caso, contudo, da perereca-assobiadora e do sapo-cururu, que podem vir a ter a sua distribuição ampliada”, disse Toledo.
O artigo Perspectives on invasive amphibians in Brazil, de Lucas Rodriguez Forti , C. Guilherme Becker, Leandro Tacioli, Vânia Rosa Pereira, André Cid F. A. Santos, Igor Oliveira, Célio F. B. Haddad e Luís Felipe Toledo, pode ser lido em https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184703.

terça-feira, 14 de novembro de 2017

O vinho apareceu há 8.000 anos no Cáucaso

Por Jean-Louis SANTINI
Um jarro neolítico encontrado na Geórgia, em uma foto fornecida pelo Museu Nacional da Geórgia em 13 de novembro de 2017
As origens da viticultura remontam a mais de 8.000 anos, quase dez séculos antes do que tinha sido estimado até agora, revelaram resíduos encontrados em cerâmicas neolíticas encontradas na Geórgia, no sul do Cáucaso.
Os indícios químicos mais antigos da produção de vinho datavam, até agora, de 5.400 a 5.000 anos antes da era cristã (cerca de 7.000 anos atrás) nas montanhas de Zagros, no Irã, disseram os cientistas, cuja descoberta foi publicada nesta segunda-feira (13) na revista científica americana Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
As escavações se concentraram nos sítios arqueológicos ricos em cerâmicas do início do Neolítico, que datam de entre 8.100 e 6.600 anos atrás, Gadachrili Gora e Shulaveris Gora, situados a cerca de 50 km de Tbilisi.
A análise dos resíduos encontrados em oito jarros com milênios de antiguidade revelou a presença de ácido tartárico, a assinatura química das uvas e do vinho. Também foram detectados outros três ácidos - málico, succínico e cítrico - relacionados com a viticultura.
"Isto sugere que a Geórgia provavelmente era o centro da domesticação das videiras e da viticultura", resume à AFP Patrice This, diretor de pesquisa do Instituto Nacional de Pesquisa Agrícola (INRA) da França.
"Acreditamos que estamos na presença dos vestígios da mais antiga domesticação de videiras silvestres na Eurásia com o único propósito de produzir vinho", afirmou Stephen Batiuk, do Centro de Arqueologia da Universidade de Toronto.
"A versão domesticada de uvas para a produção de vinho de mesa atualmente tem mais de 10.000 variedades no mundo todo", 500 delas só na Geórgia, acrescentou.
Segundo os cientistas, isto sugere que as uvas foram objeto de cruzamentos para criar diferentes cepas há muito tempo nessa região da Eurásia.
A combinação de dados arqueológicos, químicos, botânicos, climáticos e de datação mostra que a variedade de videira Vitis vinifera era abundante nos dois sítios de escavação na Geórgia.
A maioria das uvas clássicas pertence a esta espécie, como cabernet sauvignon, chardonnay, syrah, merlot, garnacha, mourvèdre e riesling.
"Nosso estudo sugere que a viticultura foi o principal elemento do modo de vida neolítico, que viu nascer a agricultura, que se estendeu no Cáucaso" e além, para o sul, no Iraque, Síria e Turquia, indicou Batiuk.
Os pesquisadores explicaram que, nessas sociedades antigas, beber e oferecer vinho fazia parte de quase todos os aspectos da vida.
"O vinho como um remédio, um lubricante social, uma substância que altera o espírito e inclusive como uma mercadoria de grande valor, se tornou um componente essencial dos cultos religiosos, da farmacopeia, da cozinha, da economia e da vida social em todo o Oriente Médio", afirmou Batiuk.