Cientistas propõem um novo mecanismo pelo qual o oxigênio pode ter se acumulado na atmosfera
Nos primeiros 2 bilhões de anos da história da Terra, quase não havia oxigênio no ar. Enquanto alguns micróbios estavam fazendo fotossíntese na última parte deste período, o oxigênio ainda não havia se acumulado em níveis que impactariam a biosfera global.
Mas em algum lugar cerca de 2,3 bilhões de anos atrás, esse equilíbrio estável de baixo oxigênio mudou, e o oxigênio começou a se acumular na atmosfera, atingindo os níveis de sustentação da vida que respiramos hoje. Esta infusão rápida é conhecida como o Grande Evento de Oxigenação, ou GOE. O que desencadeou o evento e tirou o planeta de seu funk de baixo oxigênio é um dos grandes mistérios da ciência.
Uma nova hipótese, proposta por cientistas do MIT, sugere que o oxigênio finalmente começou a se acumular na atmosfera graças às interações entre certos micróbios marinhos e minerais nos sedimentos oceânicos. Essas interações ajudaram a evitar que o oxigênio fosse consumido, desencadeando um processo de autoamplificação, onde cada vez mais oxigênio era disponibilizado para se acumular na atmosfera.
Os cientistas apresentaram suas hipóteses usando análises matemáticas e evolutivas, mostrando que havia de fato micróbios que existiam antes do GOE e evoluíram a capacidade de interagir com sedimentos da maneira que os pesquisadores propuseram.
Seu estudo, publicado na Nature Communications , é o primeiro a conectar a co-evolução de micróbios e minerais à oxigenação da Terra.
“Provavelmente a mudança biogeoquímica mais importante na história do planeta foi a oxigenação da atmosfera”, diz o autor do estudo Daniel Rothman, professor de geofísica no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. "Mostramos como as interações de micróbios, minerais e o ambiente geoquímico agiram em conjunto para aumentar o oxigênio na atmosfera".
Os co-autores do estudo incluem o autor principal Haitao Shang, ex-aluno de pós-graduação do MIT, e Gregory Fournier, professor associado de geobiologia na EAPS.
Um passo para cima
Os níveis atuais de oxigênio na atmosfera são um equilíbrio estável entre os processos que produzem oxigênio e aqueles que o consomem. Antes do GOE, a atmosfera mantinha um tipo diferente de equilíbrio, com produtores e consumidores de oxigênio em equilíbrio, mas de uma forma que não deixava muito oxigênio extra para a atmosfera.
O que poderia ter empurrado o planeta de um estado estável e deficiente em oxigênio para outro estado estável rico em oxigênio?
“Se você olhar para a história da Terra, parece que houve dois saltos, onde você passou de um estado estável de baixo oxigênio para um estado constante de oxigênio muito mais alto, uma vez no Paleoproterozóico, uma vez no Neoproterozóico”, observa Fournier. "Esses saltos não podem ter sido por causa de um aumento gradual no excesso de oxigênio. Deve ter havido algum ciclo de feedback que causou essa mudança na estabilidade."
Ele e seus colegas se perguntaram se um ciclo de feedback tão positivo poderia ter vindo de um processo no oceano que tornou algum carbono orgânico indisponível para seus consumidores. O carbono orgânico é consumido principalmente através da oxidação, geralmente acompanhada pelo consumo de oxigênio – um processo pelo qual os micróbios do oceano usam oxigênio para decompor a matéria orgânica, como detritos que se estabeleceram nos sedimentos. A equipe se perguntou: poderia ter havido algum processo pelo qual a presença de oxigênio estimulou seu acúmulo?
Shang e Rothman elaboraram um modelo matemático que fez a seguinte previsão: se os micróbios possuíssem a capacidade de oxidar apenas parcialmente a matéria orgânica, a matéria parcialmente oxidada, ou "POOM", se tornaria efetivamente "pegajosa" e se ligaria quimicamente aos minerais em sedimentar de forma a proteger o material de oxidação adicional. O oxigênio que de outra forma teria sido consumido para degradar completamente o material estaria livre para se acumular na atmosfera. Esse processo, eles descobriram, poderia servir como um feedback positivo, fornecendo uma bomba natural para empurrar a atmosfera para um novo equilíbrio de alto oxigênio.
"Isso nos levou a perguntar: existe um metabolismo microbiano que produz POOM?" diz Fourier.
Nos genes
Para responder a isso, a equipe pesquisou na literatura científica e identificou um grupo de micróbios que oxida parcialmente a matéria orgânica no oceano profundo hoje. Esses micróbios pertencem ao grupo bacteriano SAR202, e sua oxidação parcial é realizada por meio de uma enzima, Baeyer-Villiger monooxigenase, ou BVMO.
A equipe realizou uma análise filogenética para ver até onde o micróbio e o gene da enzima poderiam ser rastreados. Eles descobriram que as bactérias realmente têm ancestrais que datam de antes do GOE, e que o gene da enzima pode ser rastreado em várias espécies microbianas, desde os tempos pré-GOE.
Além disso, eles descobriram que a diversificação do gene, ou o número de espécies que adquiriram o gene, aumentou significativamente durante os períodos em que a atmosfera experimentou picos de oxigenação, incluindo uma vez durante o Paleoproterozoico do GOE e novamente no Neoproterozoico.
"Encontramos algumas correlações temporais entre a diversificação de genes produtores de POOM e os oxigênio na atmosfera", diz Shang. "Isso apoia nossa teoria geral."
Para confirmar essa hipótese, será necessário muito mais acompanhamento, desde experimentos em laboratório até pesquisas em campo, e tudo mais. Com seu novo estudo, a equipe introduziu um novo suspeito no antigo caso do que oxigenou a atmosfera .
"Propor um novo método e mostrar evidências de sua plausibilidade é o primeiro, mas importante passo", diz Fournier. "Identificamos isso como uma teoria digna de estudo."
Mais Informações: Metabolismos oxidativos catalisaram a oxigenação da Terra, Nature Communications (2022).
