Estudo do MIT sugere respiração aeróbia antes do Evento de Grande Oxidação (GOE)

O oxigênio parece a coisa mais comum do mundo hoje. A gente o respira, as plantas o produzem, e a maioria dos animais depende dele.

Só que, durante a maior parte da história da Terra, o oxigênio não foi um componente estável da atmosfera. Em geral, cientistas apontam uma virada por volta de 2,3 bilhões de anos atrás, quando os níveis de oxigênio finalmente subiram e se mantiveram elevados durante o Evento de Grande Oxidação (GOE).

Agora, pesquisadores do MIT defendem que a história biológica pode começar bem antes. Em um novo estudo, eles rastrearam a origem de uma enzima crucial que utiliza oxigênio e encontraram indícios de que ela pode ter evoluído centenas de milhões de anos antes do GOE.

Se essa interpretação estiver correta, alguns organismos já estariam preparados para “respirar” oxigênio em pequenos bolsões do mundo antigo muito antes de o oxigênio virar uma característica permanente da atmosfera.

Para onde foi o oxigênio inicial?

Aqui está o enigma clássico. Os primeiros grandes produtores de oxigênio foram as cianobactérias - microrganismos que aprenderam a fazer fotossíntese usando luz solar e água, liberando oxigênio como resíduo.

As evidências indicam que as cianobactérias surgiram por volta de 2,9 bilhões de anos atrás. Mas o GOE, quando o oxigênio de fato se acumulou na atmosfera, só aconteceu bem depois.

Muitos pesquisadores argumentam que as rochas da Terra funcionavam como uma esponja gigante. Como o oxigênio é altamente reativo, ele pode ter sido consumido rapidamente em reações químicas com minerais e substâncias dissolvidas.

O novo trabalho do MIT não descarta essa explicação. Ele apenas acrescenta outra possibilidade: a biologia também pode ter estado consumindo esse oxigênio.

Se micróbios desenvolveram maneiras de usar oxigênio pouco tempo depois de as cianobactérias começarem a produzi-lo, então qualquer oxigênio que escapasse para o ambiente ao redor poderia ter sido capturado quase imediatamente.

Isso talvez tenha ocorrido sobretudo perto de tapetes microbianos ou em zonas de águas rasas onde as cianobactérias eram ativas. Esse tipo de reciclagem apertada poderia atrasar o quanto de oxigênio conseguia, de fato, escapar para a atmosfera em escala mais ampla.

Como disse a pós-doutoranda do MIT Fatima Husain, “isso muda drasticamente a história da respiração aeróbia”.

“Nosso estudo se soma a essa narrativa, que surgiu muito recentemente, de que a vida pode ter usado oxigênio muito mais cedo do que se pensava. Isso nos mostra como a vida é incrivelmente inovadora em todos os períodos da história da Terra.”

Uma pista escondida em uma enzima-chave

Para investigar essa hipótese, a equipe se concentrou em um conjunto de enzimas chamado redutases de oxigênio heme-cobre.

Essas enzimas são, na prática, uma das peças centrais da “máquina” que faz a respiração aeróbia funcionar. Elas ajudam os organismos a usar oxigênio com eficiência, reduzindo-o a água ao final do processo que libera energia a partir do alimento.

Elas também estão por toda parte atualmente - aparecem em bactérias e em organismos mais complexos, incluindo seres humanos.

Isso as torna úteis para um trabalho investigativo evolutivo: ao estimar quando essa família de enzimas surgiu, dá para obter um forte indício de quando a respiração aeróbia passou a ser possível.

Em vez de analisar a proteína inteira, os pesquisadores miraram a região mais essencial da enzima.

“Escolhemos o núcleo dessa enzima para as nossas análises porque é ali que a reação com o oxigênio realmente acontece”, explicou Husain.

Encontrando os primeiros usuários de oxigênio

Aí veio a parte complicada: a biologia moderna transborda informação genética. A equipe identificou a sequência genética da enzima e procurou correspondências em enormes bancos de dados genômicos.

Isso parece simples - até você perceber o quão difundida essa enzima é.

“A parte mais difícil deste trabalho foi que tínhamos dados demais”, disse Gregory Fournier, professor de geobiologia do MIT e coautor do estudo.

“Essa enzima está simplesmente em todo lugar e aparece na maioria dos organismos vivos modernos. Então tivemos que amostrar e filtrar os dados até chegar a um conjunto que representasse a diversidade da vida atual e, ao mesmo tempo, fosse pequeno o suficiente para rodar computacionalmente, o que não é trivial.”

Depois de reduzir o volume, os pesquisadores ficaram com sequências da enzima de vários milhares de espécies. Em seguida, posicionaram essas espécies em uma árvore evolutiva - essencialmente, um mapa bem fundamentado de como a vida se diversificou ao longo do tempo.

Colocando datas na árvore

Uma árvore ramificada mostra relações, mas, para determinar quando a enzima apareceu pela primeira vez, a equipe precisava de marcadores temporais.

Os pesquisadores usaram o mesmo recurso em que biólogos evolutivos frequentemente se apoiam: “fixar” datas em ramos usando evidências externas.

Se um ramo da árvore corresponde a uma linhagem com registro fóssil, a idade estimada desse fóssil vira uma âncora no tempo. Com âncoras suficientes, é possível estreitar o intervalo em que certos traços genéticos provavelmente surgiram.

Com essa abordagem, a equipe rastreou a história profunda da enzima até a era Mesoarqueana, aproximadamente entre 3,2 e 2,8 bilhões de anos atrás. Isso é centenas de milhões de anos antes do GOE.

Em termos diretos, o estudo sugere o seguinte: pouco depois de as cianobactérias começarem a produzir oxigênio, outros organismos podem ter evoluído ferramentas moleculares para aproveitar esse oxigênio - muito antes de ele se tornar abundante no ar.

Oxigênio antigo em pequenos “bairros”

Se existiam usuários precoces de oxigênio no Mesoarqueano, eles provavelmente não “respiravam” uma atmosfera rica em oxigênio, porque ela não existia. Em vez disso, podem ter vivido em ambientes pequenos e localizados, onde o oxigênio se acumulava por períodos curtos.

Imagine um ecossistema microbiano em águas rasas: cianobactérias liberando oxigênio durante o dia, e micróbios próximos aproveitando esse oxigênio antes que ele se dispersasse ou reagisse com as substâncias químicas ao redor.

Esse uso local do oxigênio pode ajudar a explicar por que demorou tanto para ocorrer um acúmulo global.

Não é que as cianobactérias não estivessem produzindo oxigênio. É que o oxigênio pode ter sido consumido tão rápido quanto era gerado - pelas rochas, pelos oceanos e, possivelmente, por vizinhos vivos que encontraram um jeito de explorá-lo.

Por que isso importa hoje

Em um nível, esta é uma história sobre micróbios antigos e enzimas. Mas, olhando mais de longe, o tema real é como a vida e o planeta coevoluíram.

O oxigênio não apenas apareceu e remodelou a biologia. A própria biologia também ajudou a moldar a ascensão do oxigênio - possivelmente mais cedo e de forma mais ativa do que se supunha.

“Considerando tudo em conjunto, a pesquisa do MIT preencheu lacunas no nosso conhecimento sobre como a oxigenação da Terra avançou. As peças do quebra-cabeça estão se encaixando e realmente destacam como a vida conseguiu se diversificar e viver nesse novo mundo oxigenado”, disse Husain.

O estudo não afirma que o problema do oxigênio está resolvido. Mas empurra a narrativa para uma direção instigante:

A Terra pode ter mantido metabolismos baseados em oxigênio “cozinhando em fogo baixo” por muito tempo antes de o oxigênio se tornar parte permanente da atmosfera - e esses primeiros usuários de oxigênio podem ter influenciado, de modo discreto, quanto tempo o planeta levou para, enfim, virar essa chave.