A Paleta Completa da Fotossíntese

A imagem da Terra da esquerda é bem próxima de como ela é vista pelo olho humano. Para a imagem da direita, um componente vermelho foi substituído mostrando cores do infravermelho próximo. A vegetação na bacia do Amazonas produz a cor vermelha nesta imagem. Crédito da imagem: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.

A imagem da Terra da esquerda é bem próxima de como ela é vista pelo olho humano. Para a imagem da direita, um componente vermelho foi substituído mostrando cores do infravermelho próximo. A vegetação na bacia do Amazonas produz a cor vermelha nesta imagem. Crédito da imagem: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Carnegie Institution of Washington.

Plantas e outros organismos fotossintéticos usam moléculas especiais para absorver luz. Esses pigmentos têm uma cor distinta, ou espectro, que é conhecido por deixar uma impressão na luz refletida pela superfície do nosso planeta. Um novo programa está catalogando a paleta completa das moléculas absorvedoras de luz na Terra de forma a prever melhor como a assinatura fotossintética pode se parecer em outros planetas.

A vida em nosso planeta se adaptou à luz do nosso Sol. Os pigmentos de plantas, em particular, absorvem fortemente em ambas as partes do ultravioleta e vermelho do espectro. De forma contrária, eles refletem a luz nas faixas do verde, assim como do infravermelho.

O grande decréscimo na reflexão das plantas indo dos comprimentos de onda do infravermelho ao vermelho é chamado de borda vermelha da vegetação – BVV (vegetation red edge – VRE). A BVV é tão pronunciada e onipresente que pode ser detectada remotamente do espaço exterior. Alguns cientistas conjecturaram que uma civilização alienígena pode saber que a Terra é habitada ao reconhecer a BVV.

“A BVV é única – não há minerais que se pareçam com ela” diz Nancy Kiang do NASA Goddard Institute (Instituto Goddard da NASA).

Mas as plantas não são os únicos organismos que usam a luz solar na Terra. Kiang estuda várias bactérias fotossintéticas que têm um conjunto completamente distinto de pigmentos para absorver a luz. Ela compara o espectro destes pigmentos a tentar entender quais mecanismos guiam a evolução da habilidade de colher a luz.

“Cada pigmento fotossintético tem de acomodar certas restrições ambientais e moleculares”, diz Kiang.

O que isto nos diz é que a fotossíntese não é uma solução de única mão para tudo e os pigmentos usados em um planeta diferente serão provavelmente adaptados às condições locais. Para ajudar a imaginar o que estes pigmentos alienígenas podem ser, Kiang iniciou o Biological Pigment Database (Banco de Dados de Pigmentos Biológicos). Como parte do Virtual Planetary Laboratory (Laboratório Planetário Virtual), este banco de dados reúne dados espectrais sobre uma variedade de pigmentos e outras moléculas relevantes.

Modelo de uma molécula de clorofila, a forma mais comum de clorofila, o pigmento verde que todas as plantas usam para a fotossíntese. Crédito: Jynto/Discovery Studio Visualizer.

Modelo de uma molécula de clorofila, a forma mais comum de clorofila, o pigmento verde que todas as plantas usam para a fotossíntese. Crédito: Jynto/Discovery Studio Visualizer.

“Eu quero que seja um recurso comunitário que possa ajudar na modelagem de potenciais bioassinaturas de outros planetas”, afirma Kiang.

Sobre o nosso gramado

O objetivo básico de uma molécula fotossintética é transformar a energia da luz em energia química, mas nem todos os pigmentos trabalham da mesma forma.

Diferentes pigmentos podem ser distinguidos pelo conjunto de comprimentos de onda em que cada um deles absorve a luz. Este espectro pode ser pensado como a solução para duas restrições: a energia disponível e a energia necessária. Em outras palavras, um pigmento tem de ser bem ajustado para as condições particulares de luminosidade em que seu organismo hospedeiro vive e deve prover suficiente energia para conduzir as reações químicas de que este organismo hospedeiro depende.

O pigmento mais familiar é a clorofila. Na realidade há uma mão cheia de distintos tipos de clorofila, mas a mais essencial é a clorofila-a, usada por plantas e algas. A clorofila-a absorve majoritariamente nas partes do violeta-azul e laranja-vermelho do espectro, o que é uma escolha natural para plantas crescendo na luz solar direta.

Plantas e algas usam a energia absorvida pela clorofila-a para quebrar moléculas de água. Esta quebra permite que os elétrons da água sejam “doados” para a redução do dióxido de carbono em carboidratos (Ex: açúcares). O produto final destas reações é o oxigênio, que é porquê o processo é chamado de fotossíntese oxigênica.

Mas este não é o único mecanismo para colher luz “sob o Sol”.

Muitas bactérias não possuem o luxo da luz solar direta. Elas vivem em águas moderadamente profundas ou sob o tapete de uma poça espumosa. Em 1996, os cientistas descobriram que uma certa espécie de cianobactéria transporta um pigmento único chamado clorofila-d. Esta molécula absorve comprimentos de onda do vermelho extremo, o que faz dela uma boa adaptação a condições sob a água onde a única luz é aquela deixada por organismos que possuem clorofila-a.

Outras bactérias usam a luz solar para propósitos químicos distintos. Quebrar a água – como as plantas fazem – requer muito gasto de energia, então alguns organismos “ganham a vida” com reações de menor demanda. Por exemplo, bactérias verdes sulfúricas (Chlorobi) usam o sulfeto de hidrogênio como um “doador de elétrons” situado na água. Este processo e outros como ele são referidos como fotossíntese anoxigênica porque nenhum oxigênio é produzido. Os pigmentos associados são chamados de bacterioclorofilas.

Das plantas aos planetas

O Banco de Dados de Pigmentos Biológicos contém informação espectral para clorofilas e bacterioclorofilas, assim como para outros pigmentos acessórios que absorvem a energia da luz e a transferem para os pigmentos de clorofila principais responsáveis pela fotossíntese. Além disso, ele inclui os compostos biológicos de proteção solar que organismos fotossintéticos produzem para se proteger contra a radiação perigosa ou excessiva e carotenoides que servem a ambos os papeis de anti-oxidantes e pigmentos de coleta de luz.

Espectro de absorção da chl-a. Crédito da imagem: University of Wisconsin-Madison

Espectro de absorção da chl-a. Crédito da imagem: University of Wisconsin-Madison

Atualmente, o banco de dados possui os espectros de absorção de aproximadamente 50 pigmentos, incluindo extratos em solventes e pigmentos ligados a membranas intactas. A absorção é importante para biofísicos estudarem como os organismos processam a luz solar, mas Kiang também está tentando adicionar mais dados sobre o espectro de reflectância de várias amostras biológicas intactas, uma vez que a reflectância é o que os astrônomos observam em seus telescópios.

“O banco de dados pode ser usado por cientistas que estão pesquisando assinaturas espectroscópicas da vida em exoplanetas”, diz Jonathan Lindsey da North Carolina State University (Universidade Estadual da Carolina do Norte), que contribuiu com espectros para o banco de dados.

Estas assinaturas podem ser modeladas inserindo dados de diferentes pigmentos em um modelo planetário. Por exemplo, pode-se imaginar um planeta cheio de sulfeto de hidrogênio e coberto por Chlorobi, ou um tipo similar de organismo. Usando o espectro do pigmento relevante a partir do banco de dados, os pesquisadores podem prever como a luz se pareceria quando refletida pela superfície de tal planeta.

Pigmentos alienígenas

Nós não sabemos quais pigmentos um fotossintetizador alienígena pode usar, mas Kiang acredita que as moléculas podem não ser tão estranhas para nós. Ela diz que biofísicos estudaram o critério para uma boa molécula fotossintética e sua análise parece sugerir que estes pigmentos podem convergir para formatos específicos.

Por exemplo, clorofilas são construídas ao redor de moléculas aromáticas (em anel) chamadas porfirinas, cujas propriedades as tornam muito boas para transferir energia. É concebível que organismos alienígenas incorporarão porfirinas em seus próprios pigmentos.

Concepção artística de como plantas podem se parecer em planetas que orbitam diferentes tipos de estrelas. Crédito da imagem: NASA/Caltech/T. Pyle (SSC).

Concepção artística de como plantas podem se parecer em planetas que orbitam diferentes tipos de estrelas. Crédito da imagem: NASA/Caltech/T. Pyle (SSC).

Mas Lindsay diz que temos de ser cautelosos sobre este tipo de especulação. Porfirinas e outros detalhes sobre a química fotossintética da Terra podem meramente ser “uma consequência de numerosas contingências e acidentes congelados – Ex: soluções possíveis, mas talvez não ideais que ficaram presas logo cedo e nunca mudaram no curso da evolução.”

“Pode ser divertido e até mesmo esclarecedor especular sobre a natureza de pigmentos alienígenas”, afirma Lindsay. “Mas qualquer discussão significativa tem de levar em consideração a física, a química e a biologia e como David Mauzerall (um pioneiro no estudo da fotobiologia) diria, “o belo pente-fino da evolução”.”


Author: Michael Schirber