Inovações de Micróbios Trouxeram o Apocalispe para a Terra

This News Exclusive was originally published in English on Apr 28, 2014. This translation for the Portuguese edition of Astrobiology magazine was provided by Bruno Martini. The original article is available here.


Um micrográfico de células de Methanosarcina barkeri embebidas em uma estrutura extracelular. Crédito: Kevin Sowers

O ambiente físico pode produzir choques repentinos para a vida do nosso planeta através do impacto de rochas espaciais, vulcões em erupção e outros eventos.

Mas algumas vezes a vida mesmo vira a mesa e contra-ataca com um golpe rápido contra o ambiente. Nova pesquisa sugere que o maior evento de extinção registrado pode ter sido iniciado por uma pequena, mas significante mudança em um minúsculo micróbio.

O evento de extinção do fim do Permiano (ou PT de Permiano-Triássico) ocorreu há 252 milhões de anos atrás. É costumeiramente chamado de A Grande Agonia porque aproximadamente 90 por cento das espécies marinhas desapareceram de uma só vez. Números similares morreram na terra também, produzindo um contraste severo entre as camadas de rocha do Permiano abaixo (ou antes) da extinção e as camadas do Triássico acima. Extinções são comuns ao longo do tempo, mas para esta, o registro fóssil realmente se escasseou um bom tanto.

“O fim do Permiano é o maior evento de extinção do qual sabemos”, disse Daneil Rothman, um geofísico do Massachusetts Institute of Technology (Instituto de Tecnologia de Massachusetts). “As mudanças no registro fóssil eram óbvias mesmo para geólogos do século XIX”.

Compreender a causa dessa devastação biológica requer compreender as pistas geoquímicas que vêm junto com ela. A maior entre essas pistas é uma repentina oscilação no balanço de isótopos de carbono estocado em rochas desse mesmo período.

Se os geólogos puderem encontrar o que desequilibrou o carbono, eles provavelmente saberão o que matou tanto das formas de vida da Terra. Várias teorias tentaram explicar a perturbação do carbono como, por exemplo, vulcanismo massivo, ou uma redução do nível do mar, mas nenhuma dessas causas ambientais foi completamente equiparável com os dados.

Rothman e seus colegas identificaram um acusado diferente – um vindo da biologia ao invés da geologia. Eles argumentam no Proceedings of the National Academy of Sciences que a ruptura do carbono e consequentemente, a extinção do fim do Permiano foi incitada por um organismo em particular que evoluiu uma nova forma de digerir material orgânico em metano.

Com essa inovação genética, esses produtores de metano, ou metanogênicos, correram desenfreados através do oceano, causando a reviravolta no ciclo do carbono. As mudanças resultantes na química do oceano teriam levado muitas espécies à extinção.

“Isso mostra quão instável os sistemas da Terra são”, disse Rothman. “Um evento bem pequeno na comunidade microbiana pode ter impactos enormes no ambiente.”

Troca de carbono

A base dessa teoria vem de reavaliação dos dados de carbono.

Um gráfico com dados de extinções em massa na história da Terra. O evento de extinção do fim do Permiano é o maior pico na esquerda há 250 milhoes de anos atrás. Crédito: University of Chicago.

Por décadas, geólogos têm estado a par da taxa de isótopos de carbono (a luz versa formas pesadas do elemento) mudou abruptamente nas amostras geológicas da época do evento do fim do Permiano. Especificamente, o carbono estocado em rochas inclinou na direção do isótopo mais leve em aproximadamente 1% ao longo de uns 100.000 anos.

Rothman e seus colegas reanalisaram essas flutuações de isótopos, incorporando-nas em um modelo de troca dinâmica entre diferentes reservatórios de material de carbono. Os resultados mostraram que o nível de dióxido de carbono no oceano aumentou mais rápido que exponencialmente. O aumento foi inicialmente lento, mas ganhou ritmo enquanto o tempo seguia.

Rothman e seus colaboradores argumentam que nenhuma fonte geológica pode explicar adequadamente o dramático crescimento do dióxido de carbono. Uma teoria popular tem sido de que os altos níveis de dióxido de carbono foram liberados por massivas erupções vulcânicas na Sibéria, que duraram um milhão de anos e cobriram um milhão de milhas quadradas com lava.

“É difícil obter a aritmética correta com apenas vulcões”, disse Rothman.

Ele e seus colegas autores acreditam que um insumo diferente (input) foi necessário – um vindo da biologia. Uma explosão na atividade biológica poderia explicar o crescimento do tipo exponencial na reserva de dióxido de carbono dos oceanos.

Sucesso gera sucesso

Crescimento do tipo exponencial não é comum na biologia. Certas espécies invasivas, por exemplo, experienciam explosões populacionais uma vez que eles entram em um novo ecossistema. Tipos similares de expansão podem ocorrer quando um desenvolvimento evolucionário dá a uma espécie em particular uma mão em sua competição.

Os autores sustentam que algum tipo de inovação biológica alterou a distribuição de carbono no oceano. E eles assumem que o oceano estava, em algum sentido, esperando por esta inovação com um grande reservatório de material orgânico (os detritos de organismos mortos) no assoalho oceânico.

“Outra pesquisa mostrou que durante o fim do Permiano, esses produtos orgânicos acumularam em níveis bem altos, provavelmente devido à desaceleração da degradação normal”, disse Greg Fournier, um dos co-autores, também do MIT.

Este sedimento orgânico era como “uma grande pilha de comida” para um organismo empreendedor explorar.

Fournier tinha uma pista de qual tipo de organismo ele seria. De trabalhos prévios que ele tinha feito como um pós doutorando do NASA Astrobiology Institute (Instituto de Astrobiologia da NASA), ele sabia que uma grande inovação havia ocorrido por volta desse período em um tipo de archaea cuspidora de metano chamada Methanosarcina.

Essa metanogênica é encontrada corriqueiramente em todo lugar, disse Fournier, com espécies habitando sedimentos marinhos e de água doce, solos, esgotos e mesmo dentro das tripas de animais como o gado, onde elas produzem um bom tanto do metano liberado no mundo.

Parte do sucesso da Methanosarcina é devido ao fato desses organismos poderem processar acetato, um resíduo orgânico comum, mais rapidamente que algumas das suas primas metanogênicas. Basicamente, as Methanosarcina são capazes de obter mais energia da conversão do acetato em metano.

Fournier havia previamente mostrado que a Methanosarcina adquiriu esta habilidade da transferência horizontal de genes. Em algum encontro reprodutivo microbiano há muitos nãos atrás, uma antiga metanogênica (que produzia metano como resíduo) permutou genes com uma antiga bactéria comedora de celulose (que produzia acetato como resíduo). Essa “transferência tecnológica” genética criou um organismo que podia metabolizar acetato mais eficientemente.

Para obter uma data mais precisa de quando essa inovação microbiana aconteceu, Fournier e seus colegas realizaram uma análise genética rigorosa.

“Comparamos genomas de uma variedade de metanogênicas diferentes e datamos a evolução dele (o novo caminho metabólico) usando um ‘relógio’ calibrado que conta as mudanças acumuladas nos genes ao longo do tempo”, disse Fournier.

Professor do MIT de geofísica Daniel Rothman ao lado de parte da formação Xiakou na China. Sua mão direita está na camada que marca a época do evento de extinção em massa no fim do Permiano. Amostras desta formação proveram evidência para grandes quantidades de níquel que foram cuspidos pela atividades vulcânica naquela época, 252 milhões de anos atrás. Crédito: A foto é cortesia de Daniel Rothman/MIT

Os resultados colocaram o evento de permutação gênica há 240 milhões de anos atrás, com mais ou menos 40 milhões de anos de erro.

“A análise do relógio molecular simplesmente confirma que, no melhor de nossa habilidade de medição, o período é consistente com (o evento do fim do Permiano)”, disse Fournier.

Se a inovação genética realmente aconteceu no fim do Permiano, então é razoável assumir que a população de Methanosarcina começou a se multiplicar. Muito do metano produzido por esses organismos teria sido convertido – através das reações de oxidação ou processamento biológico – em dióxido de carbono, causando um aumento nos níveis de dióxido de carbono do oceano.

A conversão do metano em dióxido de carbono teria tido um efeito secundário também: teria reduzido a quantidade de oxigênio na água oceânica. Porque a Methanosarcina é anaeróbica, a redução no oxigênio teria ajudado-as a prosperar ainda mais, criando um laço de retroalimentação positiva. Isto poderia explicar o crescimento mais rápido que exponencial nas concentrações de dióxido de carbono que os autores observaram.

Como cientistas argumentaram previamente, os altos níveis de dióxido de carbono teriam levado a um oceano mais ácido, que teria sido especialmente mortal para formas de vida de possuem carapaças. E como em um castelo de cartas, muitas outras espécies seguiram o processo.

Um valor de níquel

Um possível ponto de discórdia é que o crescimento do tipo exponencial geralmente segue em frente e se torna uma vítima de seu próprio sucesso. Em biologia, populações super crescidas tendem a ficar sem comida ou algum outro recurso.

No caso das metanogênicas, este recurso limitante pode ter sido o elemento níquel, que estes organismos precisam para produzir enzimas metabólicas. Os níveis de níquel no oceano não são tipicamente muito altos.

“Para as metanogênicas estarem ativas, elas poderiam ser limitadas pelo níquel”, disse Rothman.

No entanto, quando a equipe checou as concentrações de níquel nas amostras geológicas do fim do Permiano, eles encontraram um pico que corresponde com as flutuações do isótopo de carbono. A fonte dessa alta abundância de níquel era mais provavelmente uma massiva atividade vulcânica na Sibéria, onde os maiores depósitos de níquel estão localizados. O pico no níquel permitiu às metanogênicas decolarem.

“É uma boa confirmação porque fecha um círculo, por assim dizer, ao trazer a história de volta ao vulcanismo”, disse Rothman.

Quem finalmente fica com a culpa?

“É uma ideia nova que precisará de vários testes para ver “se ela possui pernas”, disse o geólogo David Bottjer da University of Southern California (Universidade do Sul da Califórnia) que não estava envolvido neste trabalho.

Os argumentos parecem válidos para ele, mas levará algum tempo para “o processo da ciência desembaçar a forma que vemos como essa nova ideia levanta os mecanismos propostos antes”.

Rothman disse que eles estão atualmente estudando se a metanogênicas podem ter deixado algum tipo de biomarcador, por exemplo um composto orgânico, eu poderia ter provido apoio posterior para o cenário.

Uma foto da fronteira entre o Permiano e Triássico (PT) em Meishan, China. Crédito: Shuzhong Shen

“(Os autores) fizeram realmente um bom trabalho ligando as últimas características da era geocronológica quanto à duração da extinção para as mudanças no ciclo da carbono”, disse o paleontólogo Douglas Erwin da Smithsonian Institution (Instituição Smithsonian).

Mas Erwin pensa que a ênfase nas metanogênicas está mal empregada.

“A sugestão deles de que a (extinção) PT foi investigada por uma “inovação microbiana específica” sugere uma má compreensão da causalidade”, ele disse.

No seu modo de pensar, o vulcanimo foi a causa definitiva, uma vez que ele provocou o crescimento da metanogênese ao criar as condições favoráveis.

Rothman admite que essa é uma forma de se olhar para o assunto, mas não pensa que os vulcões (e sua liberação de níquel) foram necessários para o explosivo crescimento microbiano. Ao invés disso, ele chama o vulcanismo de um “evento catalítico” que ajudou a propelir a inovação genética.

“Há um componente aleatório para a evolução biológica”, disse Fournier. “Essa transferência genética ocorre por acaso, mas é apenas selecionada por e se expande através de uma população quando ela conduz a uma vantagem específica, o que seria constatado sob essas condições (trazidas a tona pelo vulcanismo)”.

De qualquer forma, é impressionante quão independentes todos esses diferentes elementos parecem ter sido.

“A clara implicação é que a vida e o ambiente têm co-evoluído”, afirmou Rothman.

Tradutor: Bruno Martini