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 permanentemente o planeta e abriu caminho para que os organismos que respiram oxigénio se desenvolvessem e prosperassem.
Agora, investigadores do MIT demonstraram que algumas formas de vida podem ter aprendido a usar oxigénio milhões de anos antes do GOE. Suas descobertas podem representar os primeiros sinais de respiração aeróbica na Terra.
Publicado em pesquisa Paleogeografia, Paleoclimatologia, PaleoecologiaOs geobiólogos do MIT descobriram a fonte de uma importante enzima que permite aos organismos consumir oxigênio. Esta enzima está atualmente presente na maioria dos organismos aeróbicos que respiram oxigênio. A equipe determinou que ele evoluiu pela primeira vez durante o Mesoarqueano, uma era geológica que ocorreu milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação.
As suas descobertas podem ajudar a responder a mistérios de longa data na história da Terra. Se os organismos produtores de oxigénio apareceram tão rapidamente, porque é que demorou tanto tempo para o oxigénio se acumular na atmosfera?
Cianobactérias e produção inicial de oxigênio
Os primeiros produtores de oxigênio conhecidos foram as cianobactérias. Esses micróbios desenvolvem a capacidade de usar a luz solar e a água por meio da fotossíntese, liberando oxigênio como subproduto. Os cientistas estimam que as cianobactérias surgiram há cerca de 2,9 bilhões de anos. Isso significa que provavelmente produziram oxigênio durante milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação.
Então, o que aconteceu com o oxigênio tão rapidamente?
Os pesquisadores há muito suspeitam que as reações químicas com as rochas removem grande parte delas do meio ambiente. Uma nova pesquisa do MIT sugere que os organismos vivos também a absorvem.
A equipe encontrou evidências de que alguns micróbios desenvolveram oxigênio usando enzimas 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 desacelerado a produção de oxigênio na atmosfera durante milhões de anos.
“Isso muda drasticamente a história da respiração atmosférica”, disse a coautora do estudo, Fatima Hossain, pós-doutorada no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “A nossa investigação acrescenta a esta história emergente muito recentemente que a vida pode ter usado 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 geociências do MIT, Haitao Shang e Stylianos Louka da Universidade de Oregon.
Rastreando a fonte da respiração aeróbica
O trabalho baseia-se em anos de pesquisa no MIT com o objetivo de reconstruir a história do oxigênio na Terra. Estudos 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 permanentemente na atmosfera há cerca de 2,33 mil milhões de anos, durante o Grande Evento de Oxidação.
Para Hussain e os seus colegas, esse longo intervalo levantou uma questão importante.
“Sabemos que os microrganismos produtores de oxigénio existiam muito antes do grande evento de oxidação”, disse Hussain. “Portanto, era natural perguntar: havia alguma vida naquela época que seria capaz de usar esse oxigênio para a respiração aeróbica?”
Se alguns organismos já utilizam oxigénio, mesmo em pequenas quantidades, podem ajudar a manter os níveis atmosféricos baixos durante um período de tempo significativo e prolongado.
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 que respiram oxigênio hoje, desde bactérias até humanos.
“Temos como alvo o núcleo desta enzima para a nossa análise porque é onde a reação com o oxigênio realmente acontece”, explica Hussain.
Mapeamento enzimático na árvore da vida
A equipe decidiu determinar quando essa enzima apareceu pela primeira vez. Eles identificaram sua sequência genética e depois pesquisaram enormes bancos de dados de genoma de milhões de espécies para encontrar sequências correspondentes.
“A parte mais difícil deste trabalho foi que tínhamos muitos dados”, disse Fournier. “Esta enzima está em toda parte e na maioria dos organismos vivos modernos. Por isso tivemos que amostrar e filtrar um conjunto de dados que fosse representativo da diversidade da vida moderna e pequeno o suficiente para ser contado, o que não é trivial.”
Depois de analisar dados de milhares de espécies, os pesquisadores colocaram as sequências enzimáticas em uma árvore evolutiva da vida. Isso lhes permitiu inferir quando surgiram os vários ramos.
Quando existiam evidências fósseis de um organismo específico, os cientistas usavam sua idade estimada para ancorar aquele galho da árvore. Ao aplicar vários pontos temporais baseados em fósseis, eles refinaram suas estimativas de quando a enzima evoluiu.
A sua análise rastreia a enzima até ao Mesoarqueano, que durou entre 3,2 e 2,8 mil milhões de anos atrás. Os pesquisadores acreditam que foi aí que surgiram as enzimas e a capacidade de usar oxigênio. Esse período antecede o Grande Evento de Oxidação em várias centenas de milhões de anos.
As descobertas sugerem que logo depois que as cianobactérias começaram a produzir oxigênio, outros organismos desenvolveram máquinas para consumi-lo. Os micróbios que vivem perto das cianobactérias podem liberar e absorver rapidamente o oxigênio. Ao fazê-lo, estes primeiros organismos aeróbicos ajudaram a prevenir a acumulação de oxigénio na atmosfera durante milhões de anos.
“No seu conjunto, a investigação do MIT preenche uma lacuna no nosso conhecimento sobre como a oxigenação da Terra progrediu”, disse Hussain. “As peças do quebra-cabeça se encaixam e realmente ressaltam como a vida foi capaz de se diversificar e sobreviver neste mundo novo e oxigenado.”
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Programa Sialog da Corporação de Pesquisa para o Avanço da Ciência.
