Micróbios antigos podem ter usado oxigênio 500 milhões de anos antes de ele preencher a atmosfera da Terra

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.

Em pesquisa publicada em Paleogeografia, Paleoclimatologia, Paleoecologiaos geobiólogos do MIT investigaram as origens de uma enzima crucial que permite aos organismos consumir oxigênio. Esta enzima está presente na maior parte da vida aeróbica e respiratória de oxigênio hoje. 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 responder a um mistério de longa data na história da Terra. Se os micróbios produtores de oxigênio apareceram tão cedo, por que demorou tanto para o oxigênio se acumular na atmosfera?

Cianobactérias e produção precoce de oxigênio

Os primeiros produtores de oxigênio conhecidos foram as cianobactérias. Esses micróbios desenvolveram a capacidade de aproveitar 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 mil milhões de anos. Isso significa que provavelmente geraram oxigênio durante centenas de milhões de anos antes do Grande Evento de 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 delas do meio ambiente. O novo estudo do MIT sugere que organismos vivos também podem tê-lo consumido.

A equipe encontrou evidências de que certos micróbios desenvolveram oxigênio usando enzimas muito antes do GOE. Organismos que vivem perto de cianobactérias poderiam ter usado esta enzima para consumir rapidamente pequenas quantidades de oxigênio à medida que era produzida. Se assim for, o início da vida pode ter retardado a acumulação de oxigénio na atmosfera durante centenas de milhões de anos.

“Isso muda drasticamente a história da respiração aeróbica”, diz a coautora do estudo, Fatima Husain, pós-doutorada no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “O nosso estudo 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 é incrivelmente inovadora em todos os períodos da história da Terra.”

Outros coautores incluem Gregory Fournier, professor associado de geobiologia no MIT, juntamente com Haitao Shang e Stilianos Louca da Universidade de Oregon.

Rastreando as origens da respiração aeróbica

Este 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 Husain e os seus colegas, esse longo intervalo levantou uma questão importante.

“Sabemos que os microrganismos que produzem oxigénio já existiam muito antes do Grande Evento de Oxidação”, diz Husain. “Portanto, era natural perguntar: havia alguma vida naquela época que pudesse ser capaz de usar esse oxigênio para a respiração aeróbica?”

Se alguns organismos já utilizassem oxigénio, mesmo em pequenas quantidades, poderiam ter ajudado a manter os níveis atmosféricos baixos durante um período de tempo significativo.

Para explorar essa ideia, os pesquisadores se concentraram nas heme cobre oxigênio redutases. 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 as nossas análises porque é onde a reação com o oxigênio realmente ocorre”, explica Husain.

Mapeando Enzimas 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 contendo milhões de espécies para encontrar sequências correspondentes.

“A parte mais difícil deste trabalho foi que tínhamos muitos dados”, diz Fournier. “Esta enzima está em todo lugar e está presente na maioria dos organismos vivos modernos. Então tivemos que amostrar e filtrar os dados até um conjunto de dados que fosse representativo da diversidade da vida moderna e também pequeno o suficiente para fazer cálculos, o que não é trivial.”

Depois de restringir os dados a vários milhares de espécies, os investigadores colocaram as sequências enzimáticas numa árvore evolutiva da vida. Isso lhes permitiu estimar quando surgiram diferentes 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 rastreou a enzima até ao Mesoarqueano, que durou de 3,2 a 2,8 mil milhões de anos atrás. Os pesquisadores acreditam que foi aí que a enzima e a capacidade de usar oxigênio surgiram pela primeira vez. Esse período é anterior ao 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 o maquinário para consumi-lo. Micróbios que vivem perto de cianobactérias podem ter absorvido rapidamente o oxigênio liberado. Ao fazê-lo, estes primeiros organismos aeróbicos podem ter ajudado a evitar a acumulação de oxigénio na atmosfera durante centenas de milhões de anos.

“Considerada em conjunto, a pesquisa do MIT preencheu as lacunas em nosso conhecimento sobre como ocorreu a oxigenação da Terra”, diz Husain. “As peças do quebra-cabeça estão se encaixando e realmente ressaltam como a vida foi capaz de se diversificar e viver neste mundo novo e oxigenado.”

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo programa Scialog da Research Corporation for Science Advancement.