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Traduzindo: “Great Oxidation Event”

“O grande evento da oxidação” – Descoberta uma singularidade evolucionária que transformou o planeta

Atmosfera

Por The Daily Galaxy via Katie Neith/Caltech

O oxigênio é necessário para a sobrevivência da maior parte da vida terrestre. Mas a atmosfera do planeta nem sempre conteve esta substância que sustenta a vida, e um dos maiores mistérios da ciência é o de como e quando a fotossíntese oxigênica — processo responsável pela produção de oxigênio na Terra através da quebra de moléculas de água — começou. Agora, uma equipe liderada pelos geobiólogos do California Institute of Technology (Caltech) encontrou evidências de um fotossistema precursor envolvendo manganês que antecede as cianobactérias, o primeiro grupo de organismos a liberar oxigênio no ambiente via fotossíntese.

“O oxigênio é o pano de fundo no qual esta estória se passa mas, na realidade, trata-se  do conto da evolução deste metabolismo intenso que aconteceu uma vez — uma singularidade evolucionária que transformou o planeta”, diz Woodward Fischer, professor assistente de geobiologia no Caltech e co-autor do estudo. “Nós chegamos a uma compreensão a respeito de como a evolução de uma destas máquinas moleculares incríveis levou à oxidação da atmosfera de nosso planeta, e agora seguiremos todos os ângulos das nossas descobertas”. “A fotossíntese pela oxidação da água ou pela quebra da água foi inventada pelas cianobactérias há aproximadamente 2.4 bilhões de anos e herdada por outros grupos de organismos daí em diante”, explica Fischer. “As algas emprestaram este sistema fotossintético das cianobactérias e as plantas são apenas um grupo de algas que fez a fotossíntese em terra, então achamos que com esta descoberta estamos olhando para o início do maquinário molecular que levantaria os níveis de oxigênio”.

Os achados, resumidos na edição de 24 de junho do Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), apoiam fortemente a ideia de que a oxidação do manganês — que, apesar do nome, é uma reação química que não precisa envolver oxigênio — proporcionou o alicerce evolucionário para o desenvolvimento da fotossíntese por oxidação da água nas cianobactérias.

A fotossíntese é o processo pelo qual a energia solar é usada pelas plantas e outros organismos para quebrar moléculas de água e dióxido de carbono e produzir carboidratos e oxigênio. O manganês é necessário para a quebra da água funcionar, então, quando os cientistas começaram a se perguntar quais passos evolucionários poderiam ter levado a uma atmosfera oxigenada na Terra, começaram a procurar por evidências de fotossíntese por oxidação de manganês anterior às cianobactérias. Já que a oxidação simplesmente envolve a transferência de elétrons para aumentar a carga de um átomo — e isto pode ser feito utilizando luz ou O2 —, ela pode ter ocorrido antes do aumento do oxigênio neste planeta.

“O manganês tem papel essencial na quebra da água biologicamente moderna como um catalizador necessário ao processo, então a fotossíntese por oxidação de manganês faz sentido como um fotossistema de transição em potencial”, diz Jena Johnson, estudante graduada no laboratório de Fischer no Caltech e principal autora do estudo.

Para testar a hipótese de que a fotossíntese baseada em manganês ocorria antes da evolução das cianobactérias oxigênicas, os pesquisadores examinaram cilindros escavados (obtidos recentemente pelo Agouron Institute) de rochas sedimentares marinhas da África do Sul de 2.415 bilhões de anos de idade com grandes depósitos de manganês.

O manganês é solúvel na água do mar. De fato, se não existirem fortes oxidantes por perto para receber elétrons do manganês, ele permanecerá aquoso, como explica Fischer, mas no segundo em que é oxidado, ou perde elétrons, o manganês forma um sólido que pode ficar concentrado em sedimentos do leito do mar.

“Apenas a observação destes grandes enriquecimentos — 16% de manganês em algumas amostras — nos permitiu inferir que o manganês havia sido oxidado, porém isto precisava de confirmação”, afirma.

Para provar que o manganês estava originalmente nas rochas sul-africanas, e não foi depositado depois por fluidos hidrotermais ou outros fenômenos, Johnson e colegas desenvolveram e empregaram técnicas que permitiram à equipe avaliar a abundância e o estado de oxidação dos minerais que continham o elemento em uma escala minúscula de 2 mícrons.

“E isto é justificável: estas rochas são complicadas em uma escala micrômica!”, afirma Fischer. “Ainda assim, as rochas ocupam centenas de metros de estrato por centenas de quilômetros quadrados de bacia oceânica, então é preciso ser capaz de trabalhar com diversas escalas — umas muito detalhadas, como também por todo o depósito para entender os processos ambientais antigos em funcionamento.”

Usando essas abordagens multi-escala, Johnson e colegas demonstraram que o manganês estava originalmente nas rochas e fora depositado em sedimentos como óxidos de manganês, e que a oxidação do manganês ocorreu por um longo trilho de bacia oceânica durante todo o espectro temporal capturado pelos cilindros escavados.

“É incrível poder usar técnicas de raio-X para ver os registros na rocha e usar as observações químicas em microescala para lançar luz sobre alguns dos processos fundamentais e mecanismos que ocorreram bilhões de anos atrás”, disse Samuel Webb, co-autor do artigo e cientista de partículas do SLAC National Accelerator Laboratory da Stanford University, onde foram feitos muitos dos experimentos do estudo. “Questões sobre a evolução do caminho fotossintético e a subsequente subida do oxigênio na atmosfera são críticas para a compreensão não apenas da história do nosso próprio planeta, mas também para o entendimento básico de como a biologia aperfeiçoou o processo da fotossíntese”.

Uma vez que a equipe confirmou que o manganês tinha sido depositado em estado de óxido quando a rocha começou a se formar, começou a checar se estes óxidos de manganês foram realmente formados antes da fotossíntese por quebra da água ou se se formaram depois, como resultado de reações com o oxigênio. Usaram duas técnicas diferentes para conferir se o oxigênio estava presente. Não estava — provando que a fotossíntese por quebra da água ainda não havia evoluído naquela época. O manganês nos depósitos foi oxidado e depositado antes do aparecimento das cianobactérias. Isto implica, de acordo com os pesquisadores, que a fotossíntese por oxidação de manganês foi o alicerce para a produção de oxigênio, e para a fotossíntese por quebra da água.

“Acho que haverá inúmeros experimentos adicionais que as pessoas vão tentar para fazer a engenharia reversa de um sistema ou célula fotossintética de manganês”, Fischer diz.

[…] No laboratório de Fischer, Johnson planeja trabalhar com os outros para mutar uma cianobactéria para “ir para trás”, e fazer a fotossíntese por oxidação de manganês. A equipe também pretende investigar um conjunto de rochas do oeste da Austrália que é similar em idade às amostras usadas no recente estudo e também pode conter camadas de manganês. Se os resultados do último estudo são uma indicação da fotossíntese por oxidação de manganês, dizem, deve haver evidência do mesmo processo em outras partes do mundo.

 

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