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Reportagem

As raízes mais profundas da vida

Análises de um tipo de fonte termal, descoberta no leito marinho, sugerem novas possibilidades para a evolução da vida

Alexander S. Bradley
Deborah S. Kelley, University of Washington IFE URI-IAO NOAA
O Ecossistema das fontes hidrotermais de Lost City parece estéril, mas abriga uma infinidade de micro-organismos. Muitos deles se desenvolvem independentes da luz do Sol
Restam poucos lugares a serem explorados nos continentes da Terra, e é improvável que muitas novas maravilhas naturais sejam reveladas em algum ponto remoto. Mas abaixo da superfície oceânica é outra história. Sabemos mais sobre as características de Marte que sobre os 75% subaquáticos de nosso próprio planeta. Surpresas incríveis nos aguardam ali.

Uma delas foi desvendada em dezembro de 2000. Uma expedição que mapeava uma montanha submersa, conhecida como maciço Atlantis, a meio caminho entre as ilhas Bermudas e Canárias, e a 800 metros abaixo da superfície do Atlântico Norte, deparou com um pilar de rocha branca, alto como um edifício de 20 andares, que se erguia do leito marinho. Com auxílio do veículo de controle remoto, Argo II, e o submergível tripulado Alvin, os cientistas fizeram um levantamento e colheram amostras da misteriosa torre. Embora restrições de tempo limitassem a investigação a um único mergulho do Alvin, os pesquisadores conseguiram reunir informações suficientes para determinar que a formação rochosa era apenas uma de várias estruturas semelhantes que emitiam água marítima morna. Eles haviam descoberto uma região de fontes termais submarinas, que batizaram de Campo Hidrotermal de Lost City. E ele não se assemelhava a nada conhecido, nem às agora famosas “black smokers” (fumarolas, ou chaminés negras).

O relato inicial sobre o achado, publicado na revista Nature em julho de 2001, suscitou ondas de empolgação na comunidade científica. A principal autora, a geóloga Deborah S. Kelley, da University of Washington, e seus colegas levantaram várias questões fundamentais. Como esse campo hidrotermal se formou? Que tipos de organismos vivem lá e como sobrevivem? Em 2003, Kelley chefiou uma abrangente expedição, de seis semanas, a Lost City para averiguar. Agora, após anos de minuciosas análises das amostras colhidas nessa missão, os cientistas começam a dar respostas fascinantes.

As descobertas do campo termal levaram à reconsideração de noções há muito aceitas sobre o ambiente químico que pode ter propiciado o aparecimento da vida na Terra. Além disso, os resultados acarretaram uma expansão das ideias científicas sobre onde, além deste Planeta Azul, seria possível encontrar vida – e desafiaram os conceitos estabelecidos sobre como procurar por ela.
Química Estranha

Cientistas sabem da existência de fontes termais submarinas desde a década de 70. Os sistemas conhecidos como chaminés negras, ou fumarolas, são os mais comuns. Eles ocorrem nas cordilheiras meso-oceânicas – naquelas fileiras de vulcões que se erguem sobre pontos onde as placas tectônicas se afastam umas das outras. Nessas chaminés, a água pode atingir temperaturas superiores a 400ºC, devido à proximidade de rochas magmáticas. Com pH semelhante ao do suco de limão, ela libera sulfetos, ferro, cobre e zinco, à medida que se infiltra nas rochas vulcânicas abaixo do solo marinho.

Quando esse fluido ebuliente e ácido sobe nova mente à superfície, é expelido pelas chaminés na água gelada das profundezas do mar, onde os sulfetos de metal dissolvidos resfriam rapidamente e precipitam, produzindo uma mistura escura, parecida com nuvens de fumaça negra. Esses sulfetos se depositam e acumulam, formando chaminés cada vez mais altas sobre as nascentes termais. Apesar da agressiva composição química da água ao seu redor, há uma profusão de animais exóticos, como os gigantescos vermes tubiformes (Riftia), desprovidos de boca e intestinos. Essas criaturas florescem graças a uma associação simbiótica com bactérias internas, que consomem o venenoso gás sulfeto de hidrogênio que emana dos orifícios.

Comparado ao selvagem ambiente das chaminés negras, o campo de Lost City é sinistramente tranquilo. Localizado cerca de 15 km a oeste do limite da placa tectônica, na cordilheira Meso-Atlântica, no topo do maciço Atlantis, suas fontes estão distantes demais para que os fluxos ascendentes de lava elevem os fluidos às temperaturas fervilhantes encontradas nas fumarolas. Em vez disso, a água é aquecida na circulação pela camada de rochas moderadamente quentes abaixo, e a temperatura mais alta já registrada é de apenas 90ºC. Além disso, os fluidos de Lost City não são ácidos, mas alcalinos, com pH entre 9 e 11 – semelhante ao do leite de magnésia ou à solução doméstica de amoníaco. Como essas águas são incapazes de dissolver rapidamente concentrações elevadas de metais, como ferro e zinco, suas nascentes não produzem as nuvens de sulfeto metálico que caracterizam as chaminés negras. Em Lost City, a água que brota dos orifícios é rica em cálcio que, ao se misturar com a água marinha, produz carbonato de cálcio. E essa rocha calcária constrói gigantescas chaminés brancas – a maior delas ergue-se a quase 60 metros acima do leito do mar –, significativamente mais altas que a mais elevada chaminé negra.

A estranha química das águas de Lost City resulta de seu singular ambiente geológico, enraizado na própria estrutura do planeta. Imagine a Terra como um pêssego. A pele representa a crosta, a parte carnuda é equivalente à camada subjacente do manto sólido, e o caroço é igual ao núcleo de ferro incandescente. Na cordilheira Meso-Atlântica, a crosta está sendo lentamente dilacerada pela deriva continental, à medida que as placas tectônicas norteamericana e africana se afastam uma da outra, à razão de 25 mm por ano. Essa fragmentação expôs partes do manto terrestre no leito marinho, e seu soerguimento formou o maciço Atlantis.

O manto consiste primordialmente numa rocha chamada peridotito, que revelou ser a chave para a distinta composição química de Lost City. Ao entrar em contato com a água, o peridotito passa por uma reação química denominada serpentinização. À medida que a água marítima penetra nas profundezas do maciço, o peridotito é transformado em serpentinita e a água infiltrada torna-se mais alcalina em decorrência dessa reação. Ao reemergir e se misturar novamente com as águas oceânicas, essa água está repleta de cálcio, liberado durante a serpentinização. Mais importante é que agora esses fluidos estão altamente reduzidos, isto é, desprovidos de todo oxigênio, que foi substituído por gases ricos em energia, como hidrogênio, metano e sulfeto de hidrogênio. As concentrações de hidrogênio, em particular, estão entre as mais elevadas já detectadas em um ambiente natural. E é aqui que as coisas começam a ficar realmente interessantes.
No Início

A riqueza energética do hidrogênio deve-se à sua capacidade de transferir facilmente elétrons para outros compostos, como o oxigênio, e liberar energia. Esse processo é descrito, de modo um tanto confuso, como “redução química”. Os cientistas suspeitavam havia tempos que gases reduzidos desempenhavam papel importante na origem da vida na Terra. Na década de 20, o bioquímico russo Alexander Oparin e o evolucionista britânico J.B.S. Haldane sugeriram, isolada e independentemente, que a atmosfera primitiva da Terra pode ter sido muito rica em gases redutores, como metano, amônia e hidrogênio. E, nessas concentrações elevadas, os ingredientes químicos necessários para a vida podem ter-se formado espontaneamente.

A ideia ganhou credibilidade décadas mais tarde, com o famoso experimento dos químicos Stanley Miller e Harold Urey, da University of Chicago, em 1953. Ao aquecer e descarregar faíscas em uma mistura de gases redutores, os cientistas conseguiram criar uma gama de compostos orgânicos (a maioria contendo carbono e hidrogênio), inclusive aminoácidos, os blocos de construção das proteínas, vitais para todas as formas de vida terrestre. Entretanto, nos anos subsequentes ao experimento, geólogos concluíram que a atmosfera ancestral não era nem de longe tão redutora como a dupla havia pensado. Segundo eles, as condições que formaram aminoácidos e outros compostos orgânicos em sua experiência provavelmente nunca existiram na atmosfera.

Mas nas fontes termais de Lost City os gases redutores proliferam. É possível que, há bilhões de anos, nascentes semelhantes a essas tivessem as condições ideais para produzir os compostos orgânicos necessários à vida? Alguns geoquímicos que investigam a questão acreditam que sim. Diversos estudos realizados na década passada sugeriram que as reações químicas que ocorrem durante a serpentinização são ideais para a produção de compostos orgânicos a partir de dióxido de carbono. Sistemas hidrotérmicos parecidos com o de Lost City podem ter sido fábricas primitivas que emitiam ininterruptamente metano, ácidos orgânicos simples e talvez até ácidos graxos mais complexos – componentes essenciais das membranas celulares de todos os organismos. E as chaminés talvez fossem capazes de gerar esses compostos orgânicos sem o auxílio de organismos vivos.

Lost City é um laboratório natural para testar essas ideias. Em 2008, o químico Giora Proskurowski, da Woods Hole Oceanographic Institution, e seus colegas publicaram um estudo na revista Science, demonstrando que os fluidos quentes do campo termal de fato contêm pequenos compostos orgânicos, como metano, etano e propano. Outro trabalho sugere que as reações químicas na área também produzem pequenos ácidos orgânicos, como formiato e acetato. Juntas, essas descobertas confirmam que os gases reduzidos em Lost City poderiam permitir as reações químicas necessárias para criar compostos orgânicos a partir de inorgânicos – um passo simples, porém vital na química prebiótica.

Esse novo estudo determina que alguns ambientes de fontes hidrotermais são capazes de produzir pelo menos compostos orgânicos simples, possíveis ingredientes para a vida. Mas Lost City não é o local ideal para testar essas ideias, porque as torres de carbonato de cálcio não são reatores químicos estéreis. Na realidade, elas fervilham de vida microbiótica, o que levanta a possibilidade de esses microorganismos estarem contribuindo para a formação de compostos orgânicos nos fluidos das chaminés. Para desvendar esse enigma, é preciso inspecionar os próprios micro-organismos mais de perto.
Sol Desnecessário

Muitos micro-organismos desenvolveram a capacidade de consumir a abundante energia contida no hidrogênio. Os metanogenos são um desses grupos. Como seu nome sugere, eles geram metano, gás natural que muitos de nós utilizam para cozinhar alimentos. Como se constatou, até um terço dos microorganismos em Lost City são metanogenos pertencentes à familia Methanosarcinales. Sua presença não surpreende, dada a abundância de hidrogênio nas águas termais. Notável é que os metanogenos de Lost City operam independentemente do Sol.

Quase toda a vida na Terra depende de energia solar – tanto para seres humanos, que contam com organismos fotossintéticos como alimento, ou plantas e algas que realizam a fotossíntese. Até nas chaminés negras, nas profundezas abissais dos oceanos, a vida depende do Sol. Os micro-organismos que asseguram o crescimento dos vermes tubiformes gigantes, por exemplo, necessitam tanto de sulfeto como de oxigênio. E a fonte suprema de oxigênio são organismos fotossintéticos que vivem muito mais acima. Comparativamente, os metanogenos de Lost City precisam apenas de dióxido de carbono, água em estado líquido e peridotito, que reagem para formar os ingredientes naturais de que necessitam para sobreviver.

Pesquisadores constataram que as duas reações geoquímicas resultantes da serpentinização e da atividade de metanogenos biológicos são fonte de metano para o ecossistema de Lost City. Essa produção simultânea do gás pode não ser coincidência. Em diversos estudos realizados nos últimos anos, o bioquímico William Martin, da Universidade Heinricheine, na Alemanha, e o geoquímico Michael Russell, do Jet Propulsion Laboratory, da Nasa, em Pasadena, examinaram todos os passos químicos necessários para produzir metano abiótico, ou seja, sem participação de organismos vivos, em ambientes como Lost City. Descobriram que cada etapa é replicada nos caminhos biológicos dos organismos produtores do gás. Com base nesse trabalho, sugeriram que nos primórdios da Terra, lugares como Lost City produziam metano geoquimicamente e que as formas de vida ancestrais podem ter agregado para si cada uma das etapas químicas, originando o que pode ter sido a primeira trilha bioquímica.

Martin e Russell não são os primeiros cientistas a propor que a vida pode ter surgido em uma fonte hidrotermal. Essa ideia circula há vários anos e não é corroborada apenas pela favorável composição química da água, mas também pelos registros evolucionistas encontrados em material genético de todos os organismos vivos. Nesse aspecto, o estudo de ribossomos – mecanismos biológicos utilizados pela célula para traduzir em proteínas a informação codificada em ácidos nucleicos (DNA e RNA) – provou ser particularmente elucidativo. Os próprios ribossomos são constituídos de RNA e proteínas. Ao compararem as sequências dos blocos de construção do RNA ribossômico, ou nucleotídeos, cientistas elaboraram uma árvore da vida, que mostra as relações evolutivas entre todas as formas de vida na Terra. Muitos organismos situados em ramos próximos à sua base consomem hidrogênio e habitam fontes termais de altas temperaturas, em terra ou no solo marinho.

Isso indica que o último ancestral comum de toda a vida terrestre pode ter habitado uma fonte termal, possivelmente um ambiente semelhante ao do Campo Hidrotermal de Lost City. Geólogos têm motivo para suspeitar que ecossistemas como esse eram relativamente comuns no passado remoto. O peridotito é um tipo de rocha predominante no Sistema Solar. Na Terra, ele é o principal constituinte do manto superior. Embora atualmente seja raro encontá-lo na superfície terrestre, era abundante há 3 bilhões ou 4 bilhões de anos. Naquela época, o planeta era muito mais quente e o vulcanismo acentuado transportava um volume maior do manto derretido para a superfície. Na realidade, o peridotito provavelmente constituiu a maior parte da camada rochosa no leito marinho nos primórdios da Terra e reagia com água, exatamente como faz hoje. Assim, ambientes cálidos e alcalinos, parecidos com o campo termal mesoatlântico, podem ter nutrido as primeiras formas de vida. Em comparação, condições causticantes e ácidas, como as encontradas nas chaminés negras, possivelmente eram hostis demais para propiciar seu aparecimento.

As descobertas de Lost City também reforçam as hipóteses sobre onde mais, em nosso Sistema Solar, pode existir ou ter existido vida no passado. É concebível que qualquer planeta ou lua que contenha peridotito e água em estado líquido – os ingredientes necessários para a serpentinização – seja capaz de sustentar formas de vida análogas aos microorganismos de Lost City. As evidências mais claras desses componentes ocorrem em Marte e em Europa, uma das luas de Júpiter. De fato, pesquisadores já detectaram metano na atual atmosfera marciana; mas não se sabe ainda se ele resulta de micro-organismos ou de reações químicas nas rochas do planeta.
Prospectando Metano

Determinar isso pode ser mais difícil do que os cientistas imaginaram. A maioria dos organismos na árvore filogenética são micro-organismos. Embora possamos estudar suas sequências de DNA e RNA, encontrar um registro fóssil de criaturas microscópicas, com formas ambíguas, é desafiador. Nas últimas décadas, pesquisadores desenvolveram técnicas específicas que permitem investigar a história evolucionária de micro-organismos, ao combinar registros geológicos de fósseis químicos, não físicos. Fósseis químicos são moléculas rastreáveis até organismos vivos e podem permanecer preservados em rochas durante milhões, até bilhões de anos. A maioria deles deriva de lipídios que constituem as membranas celulares. Embora não contenham tanta informação como o DNA ou um fóssil físico, são indicadores confiáveis de vida e podem ser portadores de diagnósticos estruturais dos organismos que os produziram.

Além disso, o próprio carbono, que forma os lipídios, é informativo por conter um marcador que revela como um organismo o extraía de seu meio ambiente. Esse marcador é o carbono 13, uma forma relativamente rara do elemento, que não degrada ao longo do tempo. O carbono existente na maioria dos organismos apresenta entre 1% e 3,5% menos de C-13 que o dióxido de carbono dissolvido na água do mar. Portanto, cientistas haviam presumido que o carbono contido em rochas antigas, e depauperado nesse percentual, derivava de organismos vivos. Como consequência dessa norma, o carbono não reduzido de rochas ancestrais resultaria de processos abióticos.

Mas Lost City refuta essa teoria. Meu trabalho com uma equipe de cientistas, no Massachusetts Institute of Technology e no Woods Hole, revelou que alguns dos lipídios mais abundantes, encontrados nos carbonatos do campo termal, se originam de metanogenos. No entanto, esses lipídios não exibem nenhum depauperamento de carbono 13. Seus conteúdos do elemento são iguais aos que seriam de esperar de materiais que não derivaram de organismos vivos. Como se explica isso? Através da utilização do C-13 como rastreador de vestígios de vida, com base na suposição de que há mais dióxido de carbono disponível no meio ambiente do que pode ser consumido. Enquanto houver um excedente de CO2, os organismos podem incorporar as moléculas mais leves do carbono 12, que eles preferem, e ignorar o C-13 mais pesado. Se, no entanto, o dióxido de carbono fosse escasso por qualquer razão, os organismos absorveriam do ambiente todas as moléculas de carbono que conseguissem, tanto da variedade mais leve como da mais pesada. E, se isso ocorresse, a relativa abundância de C-13 nos organismos não diferiria da que existe no meio ambiente. O rastreador químico de vida seria invisível.

É precisamente esse processo que se manifesta nas fontes hidrotermais de Lost City. Ao contrário de quase todos os outros ambientes terrestres, onde há sempre disponibilidade de CO2, naquele campo predomina o hidrogênio e o dióxido de carbono é escasso. Na prática, isso obriga os organismos que vivem ali a extrair isótopos de carbono indiscriminadamente. O problema da invisibilidade também se aplica ao metano. Em geral, esse gás, quando produzido por organismos vivos, apresenta uma depauperação extrema de C-13, em comparação ao metano resultante de reações geoquímicas. Mas essa diferença nem sempre aparece nos sistemas de serpentinização. O metano nas águas termais de Lost City não apresenta a reveladora redução de carbono 13. Pesquisadores sabem, por meio de observações, que ele é uma mistura de produtos geológicos e biológicos. Mas isótopos de carbono isolados são incapazes de fazer a distinção.

Se a vida evoluiu em algum outro lugar do Sistema Solar, o melhor palpite provavelmente é que ela consiste em metanogenos microbiais, que vivem em regiões onde a rocha é serpentinizada. Sabemos que, de alguma forma, há produção de metano em Marte. A Nasa planeja lançar o Laboratório de Ciências de Marte em 2011, e uma de suas missões será determinar a proporção de isótopos de carbono nesse gás. Uma acentuada redução de C -13 seria indicação de que organismos vivos habitam o Planeta Vermelho. Contudo, Lost City demonstra que a impossibilidade de encontrar esse sinal de vida dificilmente pode ser considerada como evidência de sua ausência. De fato, a descoberta da proliferação de microrganismos nesse tipo de ecossistema, antes desconhecido, fornece mais motivos adicionais para se esperar que, algum dia, cientistas encontrem indícios de vida fora da Terra.