O oxigênio é essencial para a vida hoje e está sempre presente no ar que respiramos. Mas durante grande parte da história inicial da Terra, este não foi o caso. O oxigénio só se tornou uma parte estável da atmosfera há cerca de 2,3 mil milhões de anos, durante um período de mudança conhecido como Grande Evento de Oxigenação (GOE). Esta transformação mudou permanentemente o planeta e abriu caminho para que os organismos que respiram oxigénio evoluíssem e florescessem.
Agora, pesquisadores do MIT relatam evidências de que algumas formas de vida podem ter aprendido a usar oxigênio centenas de milhões de anos antes do surgimento dos GOEs. Suas descobertas podem representar alguns dos primeiros sinais de respiração aeróbica na Terra.
Num estudo publicado em Paleogeografia, paleoclima, paleoecologiaOs geobiólogos do MIT estudaram as origens de uma enzima chave que permite aos organismos consumir oxigênio. Esta enzima está presente na maioria dos organismos que respiram aeróbica hoje. A equipa de investigação determinou que 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 microrganismos produtores de oxigénio surgiram tão cedo, porque demorou tanto tempo para o oxigénio se acumular na atmosfera?
Algas verde-azuladas e produção inicial de oxigênio
Os primeiros produtores de oxigênio conhecidos foram as cianobactérias. Esses microrganismos 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 aproximadamente 2,9 bilhões de anos. Isto significa que provavelmente produziram oxigénio durante centenas de milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação.
Então, o que aconteceu com o oxigênio inicial?
Os pesquisadores há muito suspeitam que as reações químicas com as rochas removem grande parte das rochas do meio ambiente. Uma nova pesquisa do MIT sugere que os organismos também podem consumi-lo.
A equipe encontrou evidências de que alguns micróbios desenvolveram oxigênio usando enzimas muito antes da existência dos GOEs. Organismos que vivem perto de cianobactérias podem usar esta enzima para consumir rapidamente pequenas quantidades de oxigênio à medida que são produzidas. Se assim for, o início da vida pode ter retardado a acumulação de oxigénio atmosférico ao longo de centenas de milhões de anos.
“Isso realmente muda drasticamente o quadro da respiração aeróbica”, disse a coautora do estudo, Fatima Husain, pós-doutorada no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “O nosso estudo acrescenta à história recentemente emergente de que a vida pode ter usado oxigénio mais cedo do que se pensava anteriormente. Mostra-nos quão incrivelmente inovadora a vida tem sido em vários momentos da história da Terra.”
Outros coautores incluem Gregory Fournier, professor associado de geobiologia no MIT, e Haitao Shang e Stilianos Louca da Universidade de Oregon.
Rastreando as origens da respiração aeróbica
O trabalho baseia-se em anos de pesquisa no MIT com o objetivo de reconstruir a história do oxigênio na Terra. Pesquisas anteriores ajudaram a determinar que as cianobactérias começaram a produzir oxigénio há cerca de 2,9 mil milhões de anos e que o oxigénio não se acumulou permanentemente na atmosfera até ao Grande Evento de Oxigenação, há cerca de 2,33 mil milhões de anos.
Para Hussein e os seus colegas, esta longa lacuna levantou uma questão importante.
“Sabemos que os microrganismos produtores de oxigénio existiam muito antes do Grande Evento de Oxidação”, disse Hussein. “Portanto, é natural perguntar: havia alguma vida naquela época que pudesse 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 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 estão presentes na maioria dos organismos que respiram oxigênio hoje, desde bactérias até humanos.
“Nosso alvo era o núcleo da enzima porque é onde realmente ocorre a reação com o oxigênio”, explica Hussein.
Mapeando enzimas na árvore da vida
A equipe decidiu determinar quando a enzima apareceu pela primeira vez. Eles determinaram sua sequência genética e depois pesquisaram um vasto banco de dados de genomas abrangendo milhões de espécies para encontrar uma correspondência.
“A parte mais difícil deste trabalho é que temos muitos dados”, disse Fournier. “Esta enzima é onipresente e é encontrada na maioria dos organismos modernos. Portanto, tivemos que amostrar e filtrar os dados para formar um conjunto de dados que fosse representativo da diversidade da vida moderna, mas também pequeno o suficiente para realizar cálculos, o que não era simples.”
Depois de restringir os dados a milhares de espécies, os pesquisadores colocaram as sequências enzimáticas na árvore evolutiva da vida. Isso lhes permitiu estimar quando surgiram diferentes ramos.
Quando existem evidências fósseis de um organismo específico, os cientistas usam sua idade estimada para identificar os galhos dessa árvore. Ao aplicar vários pontos temporais baseados em fósseis, eles melhoraram a estimativa de quando a enzima evoluiu.
A sua análise rastreou a enzima até à Era Mesoarqueana, entre 3,2 e 2,8 mil milhões de anos atrás. Os pesquisadores acreditam que foi aí que as enzimas e a capacidade de usar oxigênio apareceram pela primeira vez. Este período de tempo antecede o Grande Evento de Oxidação em centenas de milhões de anos.
As descobertas sugerem que logo depois que as cianobactérias começaram a produzir oxigênio, outros organismos desenvolveram mecanismos para consumi-lo. Os microrganismos que vivem perto das cianobactérias podem absorver rapidamente o oxigênio liberado. Ao fazê-lo, estes primeiros organismos aeróbicos podem ter ajudado a evitar a acumulação de oxigénio na atmosfera ao longo de centenas de milhões de anos.
“No geral, a pesquisa do MIT preenche uma lacuna na nossa compreensão dos processos de oxidação da Terra”, disse Hussein. “Essas peças do quebra-cabeça se juntam para realmente enfatizar como a vida se diversificou e viveu neste novo mundo rico em oxigênio”.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela Iniciativa Scialog da Science Advances Research Corporation.
