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O que se respirava na Terra antes do oxigênio?

Texto de Pieter Visscher, Brendan Paul Burns e Kimberley Gallagher*


Tapetes microbianos roxos do Deserto de Atacama: evidência | Foto: cc Pieter Visscher

Há bilhões de anos, a vida na Terra consistia principalmente de grandes tapetes viscosos de micróbios que viviam em águas rasas.


Às vezes, essas comunidades microbianas produziam minerais carbonáticos que durante muitos anos se cimentaram para se tornarem rochas calcárias em camadas chamadas de estromatólitos.


Elas são a evidência mais antiga de vida na Terra. Mas os fósseis não contam aos pesquisadores os detalhes de como eles se formaram.


Hoje, a maior parte da vida é sustentada por oxigênio. Mas esses tapetes microbianos existiram por um bilhão de anos antes que o oxigênio estivesse presente na atmosfera. Então, o que a vida usou em vez disso?


Nossa equipe de geólogos, físicos e biólogos havia encontrado indícios em estromatólitos fossilizados de que o arsênio era o produto químico preferido para a fotossíntese e respiração antigas.


Mas as versões modernas dessas comunidades microbianas ainda vivem na Terra hoje. Talvez uma delas usasse arsênio e pudesse oferecer provas para nossa teoria?


Assim, nos juntamos a uma expedição de levantamento de cientistas chilenos e argentinos para procurar estromatólitos vivos nas condições extremas dos Altos Andes.


Em um pequeno riacho no fundo do Deserto do Atacama, encontramos uma grande surpresa. O fundo do canal era roxo brilhante e feito de tapetes microbianos que constroem estromatólitos que prosperam na completa ausência de oxigênio.


Assim como sugeriam as pistas que encontramos em fósseis antigos, esses tapetes usam duas formas diferentes de arsênio para realizar a fotossíntese e a respiração.


Nossa descoberta oferece a evidência mais forte de como a vida mais antiga da Terra sobreviveu em um mundo pré-oxigênio.


Transformando luz solar em energia


Nos últimos 2,4 bilhões de anos, organismos fotossintéticos como plantas e cianobactérias azul-esverdeadas têm usado a luz do sol, água e dióxido de carbono para produzir oxigênio e matéria orgânica.


Ao fazer isso, eles transformam a energia do Sol em energia para ser usada pela vida. Outros organismos respiram oxigênio enquanto digerem o carbono orgânico, ganhando energia para sua respiração no processo.


Os micróbios do mundo antigo também capturavam energia da luz solar, mas sua maquinaria primitiva não conseguia fazer oxigênio da água ou usar oxigênio para a respiração. Eles precisavam de outro produto químico para fazer isso.


Do ponto de vista bioquímico, existem apenas alguns candidatos possíveis: ferro, enxofre, hidrogênio ou arsênio.


A falta de evidências no registro fóssil e quantidades minúsculas de alguns desses produtos químicos na sopa primordial sugere que nem o ferro, nem o enxofre, nem o hidrogênio seriam candidatos prováveis ​​para a forma mais antiga de fotossíntese. Sobra o arsênio.


Em 2014, nossa equipe encontrou a primeira pista de que os estromatólitos foram produzidos por fotossíntese e respiração assistida por arsênio.


Coletamos pedaços de estromatólitos de 2,72 bilhões de anos do mundo pré-oxigênio, perfurando um recife antigo no interior remoto da Austrália.


Em seguida, levamos essas amostras para a França e as cortamos em fatias finas. Medindo os raios X que saíram dessas amostras quando as bombardeamos com fótons, fizemos um mapa dos elementos químicos na amostra.


Se dois tipos de arsênio estivessem presentes no mapa, seria um sinal de que a vida estava usando arsênio para fotossíntese e respiração. Nessas relíquias de vida antiga, encontramos muito das duas formas de arsênio, mas não ferro ou enxofre.


Isso era tentador, mas queríamos mais provas: algo análogo moderno para ajudar a provar nossa teoria do arsênio.


Nenhum pesquisador jamais havia encontrado uma comunidade de tapetes microbianos vivendo em um lugar completamente livre de oxigênio, mas se encontrássemos um, isso poderia ajudar a explicar como os primeiros estromatólitos se formaram quando os oceanos e a atmosfera do nosso planeta estavam sem oxigênio.


Micróbios modernos, análogos antigos


O Deserto de Atacama, no Chile, é o lugar mais seco da Terra, ladeado por vulcões e exposto a radiação ultravioleta extremamente alta. Não é muito diferente de como a Terra era há 3 bilhões de anos e não é exatamente um grande suporte à vida como a conhecemos.


Lá - com a ajuda de uma equipe que abrange quatro continentes e sete países - encontramos o que procurávamos.


Nosso destino foi Laguna La Brava, um lago raso muito salgado nas profundezas do deserto inclemente. Um riacho raso, alimentado por uma nascente vulcânica de água subterrânea, conduzia ao lago.


O leito do riacho era de uma cor roxa profunda e única. A cor veio de um tapete microbiano, prosperando muito feliz em águas que continham quantidades incomumente altas de arsênio, enxofre e lítio, mas sem um elemento importante - o oxigênio.


Será que essas bolhas roxas viscosas poderiam oferecer respostas a uma pergunta antiga?


Cortamos um pedaço do tapete e procuramos evidências de minerais. Uma gota de ácido fez os minerais borbulharem - carbonatos! Esta comunidade de micróbio estava formando estromatólitos.


Então nossa equipe foi trabalhar, acampando no local por dias a fio. Medimos a química da água e do tapete com nosso equipamento de campo durante dia e noite, verão e inverno.


Nenhuma vez encontramos oxigênio e, de volta ao laboratório, confirmamos que o enxofre e o arsênio eram abundantes.


Olhando através do microscópio, vimos bactérias fotossintéticas roxas, mas cianobactérias produtoras de oxigênio estavam estranhamente ausentes. Também coletamos amostras de DNA do tapete e encontramos genes para o metabolismo do arsênio.


No laboratório, misturamos os micróbios do tapete, adicionamos arsênio e expusemos a mistura à luz solar. A fotossíntese estava acontecendo. Os micróbios usavam arsênio e enxofre, mas preferiam o arsênio.


Quando adicionamos uma quantidade minúscula de matéria orgânica, um composto de arsênio diferente foi usado para a respiração e preferido ao enxofre.


Tudo o que faltava era mostrar que os dois tipos de arsênio podiam ser detectados nos estromatólitos modernos. Voltamos para a França e, usando uma técnica de emissão de raios X, fizemos mapas químicos a partir das amostras chilenas.


Todos os experimentos que realizamos comprovaram a presença de um ciclo vigoroso de arsênio na ausência de oxigênio neste estromatólito moderno único.


Isso valida, sem dúvida, a ideia de que as amostras fósseis australianas que estudamos em 2014 continham evidências de um ciclo ativo de arsênio recuado no tempo em nosso jovem planeta.


Respostas na Terra, pistas para Marte


As condições adversas do Atacama são tão semelhantes aos ambientes marcianos e primitivos da Terra que os cientistas e astrobiólogos da NASA recorrem ao Atacama para responder a perguntas sobre como a vida começou em nosso planeta e como poderia começar em outro lugar.


Os tapetes que usam arsênio que descobrimos em Laguna La Brava oferecem fortes pistas para algumas das questões mais fundamentais sobre a vida.


A bordo do rover Perseverance, que atualmente está voando pelo espaço rumo a Marte, está um instrumento que pode observar elementos usando exatamente o mesmo processo que usamos para fazer nossos mapas de elementos.


Talvez ele descubra que o arsênio é abundante nas rochas em camadas de Marte, sugerindo que a vida em Marte também usa arsênio. Por mais de um bilhão de anos, isso aconteceu na Terra. Nas condições mais adversas, a vida encontra um caminho, e é esse o caminho que procuramos compreender.


*Pieter Visscher é professor a Universidade de Connecticut, Brendan Paul Burn da Universidade de Nova Gales do Sul e Kimberley Gallagher da Universidade Quinnipiac.


☛ Este artigo foi republicado do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o original em inglês.


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