A Grande Evento de Oxidação (GOE) ocorreu há cerca de 2,3 bilhões de anos e marcou o aumento do oxigênio atmosférico, provavelmente desencadeado por cianobactérias verdes que usavam a luz solar para dividir a água, convertendo o dióxido de carbono em oxigênio através da fotossíntese. Como resultado, a atmosfera atual é composta por cerca de 78% de nitrogênio e 21% de oxigênio, com apenas vestígios de outros gases como metano e dióxido de carbono, que podem ter desempenhado um papel mais significativo antes do aumento do oxigênio. O GOE alterou fundamentalmente o curso da vida na Terra. Esse alto nível de oxigênio permite que animais respirem, mas também torna a vida mais complicada para os organismos antigos, que eram quase indiferentes à molécula de O₂. Compreender como esses microrganismos antigos se adaptaram à presença de oxigênio continua sendo uma grande questão.

Para investigar isso, a equipe estudou cinco fontes termais no Japão, naturalmente ricas em diversas químicas de água. Essas cinco fontes (uma em Tóquio, duas em Akita e duas em Aomori) são naturalmente ricas em ferro ferroso (Fe²⁺). Elas são raras no mundo de hoje, rico em oxigênio, porque o ferro ferroso reage rapidamente com o oxigênio e se transforma em uma forma insolúvel de ferro férrico (Fe³⁺). No entanto, nessas fontes, a água ainda contém altos níveis de ferro ferroso, baixos níveis de oxigênio e um pH quase neutro, condições que se acredita se assemelhar a partes dos antigos oceanos da Terra.

“Essas fontes termais ricas em ferro oferecem um laboratório natural único para estudar o metabolismo microbiano sob condições semelhantes à da antiga Terra durante a transição do final do Arqueano para o início do Proterozóico, marcada pela Grande Oxidação. Elas nos ajudam a compreender como os ecossistemas microbianos primitivos poderiam ter se estruturado antes do surgimento das plantas, animais ou de um oxigênio atmosférico significativo,” diz Shawn McGlynn, que supervisionou Li-Hau durante seu trabalho de dissertação.

Em quatro das cinco fontes termais, a equipe encontrou bactérias oxidantes de ferro microaerofílicas como os microrganismos dominantes. Esses organismos prosperam em condições de baixo oxigênio e utilizam o ferro ferroso como fonte de energia, convertendo-o em ferro férrico. Cianobactérias, conhecidas por produzirem oxigênio através da fotossíntese, também estavam presentes, mas em números relativamente pequenos. A única exceção foi uma das fontes termais de Akita, onde metabolisms não baseados em ferro eram surpreendentemente dominantes.

Utilizando análise metagenômica, a equipe montou mais de 200 genomas microbianos de alta qualidade e os utilizou para analisar em detalhes as funções dos microrganismos na comunidade. Os mesmos microrganismos que acoplavam o metabolismo do ferro e do oxigênio converteram um composto tóxico em uma fonte de energia, ajudando a manter condições que permitiram a persistência de anaeróbios sensíveis ao oxigênio. Essas comunidades realizavam processos biológicos essenciais, como o ciclo do carbono e do nitrogênio, e os pesquisadores também encontraram evidências de um ciclo de enxofre parcial, identificando genes envolvidos na oxidação de sulfeto e na assimilação de sulfato. Considerando que as fontes termais continham muito poucos compostos de enxofre, essa foi uma descoberta surpreendente. Os pesquisadores sugerem que isso pode indicar um ciclo de enxofre “críptico”, onde microrganismos reciclam o enxofre de maneiras complexas ainda não totalmente compreendidas.

“Apesar das diferenças em geoquímica e composição microbiana entre os locais, nossos resultados mostram que, na presença de ferro ferroso e oxigênio limitado, comunidades de oxidantes de ferro microaerofílicos, fototróficos oxigênicos e anaeróbios coexistem continuamente e sustentam ciclos biogeoquímicos notavelmente semelhantes e completos,” afirma Li-Hau.

A pesquisa sugere uma mudança em nossa compreensão dos ecossistemas primitivos, mostrando que micróbios podem ter aproveitado energia da oxidação do ferro e do oxigênio produzido pelos primeiros fototróficos. O estudo propõe que, semelhante a essas fontes termais, os ecossistemas da Terra primordial eram compostos por microrganismos variados, incluindo bactérias oxidantes de ferro, anaeróbios e cianobactérias coexistindo e modulando as concentrações de oxigênio.

“Este artigo expande nossa compreensão sobre a função dos ecossistemas microbianos durante um período crucial na história da Terra, a transição de um oceano anóxico e rico em ferro para uma biosfera oxigenada no início da GOE. Ao entender ambientes modernos analógicos, fornecemos uma visão detalhada dos potenciais metabólicos e da composição da comunidade relevantes às condições da Terra primitiva,” diz Li-Hau.

Juntas, essas percepções aprofundam nossa compreensão da evolução inicial da vida na Terra e têm implicações para a busca por vida em outros planetas com condições geoquímicas semelhantes às da Terra primitiva.

Mais informações

Instituto de Ciência da Terra e Vida (ELSI) é um dos centros de pesquisa internacionais de primeira linha do Japão, que visa avançar em áreas científicas amplamente interdisciplinares, inspirando as maiores mentes do mundo a se unirem ao Japão e a colaborar nos problemas científicos mais desafiadores. O principal objetivo do ELSI é abordar a origem e a co-evolução da Terra e da vida.

Instituto de Ciência de Tóquio (Ciência Tóquio) foi estabelecido em 1º de outubro de 2024, após a fusão da Universidade Médica e Dentária de Tóquio (TMDU) e do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), com a missão “Avançar a ciência e o bem-estar humano para criar valor para e com a sociedade.”

Iniciativa de Centros de Pesquisa de Classe Mundial (WPI) foi lançada em 2007 pelo Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão (MEXT) para promover centros de pesquisa globalmente visíveis, com os mais altos padrões e ambientes de pesquisa excepcionais. Compreendendo mais de uma dúzia de centros que operam em instituições em todo o país, esses centros têm um alto grau de autonomia, permitindo que se envolvam em modos inovadores de gestão e pesquisa. O programa é administrado pela Sociedade do Japão para a Promoção da Ciência (JSPS).