Hoje, o oxigênio é essencial à vida e está constantemente presente no ar que respiramos. Mas durante a maior parte da história inicial da Terra, isso não foi verdade. O oxigénio só se tornou uma parte estável da atmosfera há cerca de 2,3 mil milhões de anos, durante um período de transformação conhecido como Grande Evento de Oxidação (GOE). Esta mudança mudou o planeta para sempre e abriu o caminho para a evolução e o florescimento dos organismos que respiram oxigénio.
Agora, investigadores do MIT relatam evidências de que algumas formas de vida podem ter aprendido a usar oxigénio centenas de milhões de anos antes do GOE. Suas descobertas podem representar alguns dos primeiros sinais de respiração aeróbica na Terra.
Num estudo publicado em Paleogeografia, paleoclimatologia, paleoecologiaGeobiólogos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts investigaram a origem da enzima mais importante que permite aos organismos consumir oxigênio. Esta enzima está presente na maioria dos organismos aeróbicos modernos que respiram oxigênio. A equipe determinou que ele evoluiu pela primeira vez durante o Mesoarqueano, uma era geológica que ocorreu centenas de milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação.
Os seus resultados podem ajudar a resolver um mistério de longa data na história da Terra. Se os micróbios produtores de oxigénio apareceram tão cedo, porque é que demorou tanto tempo para o oxigénio se acumular na atmosfera?
Cianobactérias e produção inicial de oxigênio
Os primeiros produtores conhecidos de oxigênio foram as cianobactérias. Esses micróbios desenvolveram a capacidade de usar a luz solar e a água por meio da fotossíntese, liberando oxigênio como subproduto. Segundo estimativas dos cientistas, as cianobactérias surgiram há cerca de 2,9 bilhões de anos. Isto significa que provavelmente produziram oxigénio centenas de milhões de anos antes da Grande Oxidação.
Então, o que aconteceu com todo aquele oxigênio inicial?
Os pesquisadores há muito suspeitam que as reações químicas com as rochas removeram grande parte disso do meio ambiente. Um novo estudo do MIT mostra que os organismos vivos também poderiam utilizá-lo.
A equipe encontrou evidências de que alguns micróbios liberavam oxigênio usando uma enzima muito antes do GOE. Organismos que vivem perto de cianobactérias poderiam usar essa enzima para consumir rapidamente pequenas quantidades de oxigênio à medida que ela era produzida. Se assim for, o início da vida poderia ter retardado a acumulação de oxigénio na atmosfera em centenas de milhões de anos.
“Isso realmente muda dramaticamente a história da respiração aeróbica”, diz a coautora do estudo, Fatima Hussain, pós-doutoranda no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “O nosso estudo acrescenta a esta história muito recente que a vida poderia ter usado o oxigénio muito antes do que se pensava anteriormente. Mostra-nos como a vida tem sido incrivelmente inovadora ao longo da história da Terra.”
Outros coautores incluem Gregory Fournier, professor associado de geobiologia no MIT, e Haitao Shan e Stylianos Louka da Universidade de Oregon.
Rastreando a origem da respiração aeróbica
Este trabalho é baseado em anos de pesquisa no Instituto de Tecnologia de Massachusetts com o objetivo de reconstruir a história do oxigênio na Terra. Pesquisas anteriores ajudaram a estabelecer que as cianobactérias começaram a produzir oxigénio há cerca de 2,9 mil milhões de anos, enquanto o oxigénio só se acumulou continuamente na atmosfera há cerca de 2,33 mil milhões de anos, durante a Grande Oxidação.
Para Hussain e os seus colegas, esta longa lacuna levantou uma questão importante.
“Sabemos que os microrganismos produtores de oxigénio já existiam muito antes da Grande Oxidação”, diz Hussain. “Portanto, era natural perguntar: havia vida naquela época que poderia usar esse oxigênio para a respiração aeróbica?”
Se alguns organismos já utilizassem oxigénio, mesmo em pequenas quantidades, poderiam manter um nível baixo da atmosfera durante um período de tempo considerável.
Para explorar essa ideia, os pesquisadores se concentraram na heme-cobre-oxigênio redutase. Essas enzimas são essenciais para a respiração aeróbica porque convertem oxigênio em água. Eles são encontrados na maioria dos organismos modernos que respiram oxigênio, desde bactérias até humanos.
“Temos como alvo o núcleo desta enzima para os nossos ensaios porque é onde ocorre a reação com o oxigênio”, explica Hussain.
Mapeando enzimas na Árvore da Vida
A equipe decidiu determinar quando esta enzima apareceu pela primeira vez. Eles determinaram sua sequência genética e depois pesquisaram vastos bancos de dados de genoma contendo milhões de espécies para encontrar sequências correspondentes.
“A parte mais difícil deste trabalho foi que tínhamos demasiados dados”, diz Fournier. “Esta enzima é onipresente e está presente na maioria dos organismos vivos modernos. Por isso tivemos que amostrar e filtrar os dados para um conjunto de dados que fosse representativo da diversidade da vida moderna e também pequeno o suficiente para fazer cálculos, o que não é tão fácil.”
Depois de reduzir os dados a vários milhares de espécies, os investigadores colocaram as sequências enzimáticas na árvore evolutiva da vida. Isso lhes permitiu estimar quando as diversas indústrias surgiram.
Quando havia evidências fósseis de um organismo, os cientistas usavam sua idade estimada para ancorar aquele galho da árvore. Ao aplicar vários pontos no tempo com base em fósseis, eles refinaram suas estimativas de quando a enzima evoluiu.
A sua análise rastreou a enzima até ao Mesoarqueu, que durou entre 3,2 e 2,8 mil milhões de anos atrás. Os pesquisadores acreditam que foi aí que surgiu a enzima e a capacidade de usar oxigênio. Este período precede o Grande Evento de Oxidação em várias centenas de milhões de anos.
Os dados obtidos sugerem que logo após as cianobactérias começarem a produzir oxigênio, outros organismos desenvolveram mecanismos para seu consumo. Os micróbios que vivem próximos às cianobactérias podem absorver rapidamente o oxigênio liberado. Ao fazê-lo, estes primeiros organismos aeróbicos podem ter ajudado a prevenir a acumulação de oxigénio na atmosfera durante centenas de milhões de anos.
“No seu conjunto, a investigação do MIT preencheu as lacunas no nosso conhecimento sobre como ocorreu a oxigenação da Terra”, diz Hussain. “As peças do quebra-cabeça se encaixam e realmente destacam como a vida foi capaz de se diversificar e viver neste novo mundo rico em oxigênio”.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo programa Scialog da Research Corporation for the Advancement of Science.
