Um novo trabalho sugere que a divisão radiolítica da água sustenta ecossistemas gigantes de subsuperfície de vida na Terra – e poderia fazer isso em outro lugar também.
Os cientistas cutucam e cutucam os limites da habitabilidade em busca dos limites da vida. Para esse fim, eles cavaram túneis abaixo da superfície da Terra, perfurando do fundo dos poços de minas e abrindo poços profundos em sedimentos oceânicos. Para sua surpresa, “a vida estava em todos os lugares que olhávamos”, disse Tori Hoehler, químico e astrobiólogo do Centro de Pesquisa Ames da NASA. E estava presente em quantidades surpreendentes: por várias estimativas, o reino subsuperficial habitado tem o dobro do volume dos oceanos e tem cerca de 1030 células, tornando-o um dos maiores habitats do planeta, bem como um dos mais antigos e mais diversificado.
Os pesquisadores ainda estão tentando entender como a maior parte da vida lá embaixo sobrevive. A luz solar para a fotossíntese não pode atingir tais profundidades, e a escassa quantidade de carbono orgânico que chega muitas vezes se esgota rapidamente. Ao contrário das comunidades de organismos que habitam perto de fontes hidrotermais no fundo do mar ou em regiões continentais aquecidas por atividade vulcânica, os ecossistemas aqui geralmente não podem contar com os processos de alta temperatura que sustentam alguma vida subsuperficial independente da fotossíntese; esses micróbios devem permanecer no frio profundo e na escuridão.
Dois artigos publicados em fevereiro por diferentes grupos de pesquisa agora parecem ter resolvido parte desse mistério para as células abaixo dos continentes e em sedimentos marinhos profundos. Eles encontraram evidências de que, assim como as reações de fusão nuclear do Sol fornecem energia para o mundo da superfície, um tipo diferente de processo nuclear – decadência radioativa – pode sustentar a vida nas profundezas da superfície. A radiação de átomos instáveis nas rochas pode dividir as moléculas de água em hidrogênio e peróxidos e radicais quimicamente reativos; algumas células podem usar o hidrogênio como combustível diretamente, enquanto os produtos restantes transformam minerais e outros compostos circundantes em fontes de energia adicionais.
Embora essas reações radiolíticas produzam energia muito mais lentamente do que o sol e os processos térmicos subterrâneos, os pesquisadores mostraram que são rápidas o suficiente para serem os principais impulsionadores da atividade microbiana em uma ampla gama de ambientes – e que são responsáveis por um conjunto diversificado de moléculas orgânicas e outros produtos químicos importantes para a vida. De acordo com Jack Mustard, um geólogo planetário da Brown University que não estava envolvido no novo trabalho, a explicação da radiólise “abriu novas perspectivas” sobre como a vida poderia ser, como ela poderia ter surgido em uma Terra primitiva e onde mais no universo ele pode um dia ser encontrado.
Hidrogênio nas profundezas
Barbara Sherwood Lollar partiu para a universidade em 1981, quatro anos após a descoberta da vida nas fontes hidrotermais. Como filha de dois professores que “me alimentaram com uma dieta constante de Júlio Verne”, ela disse, “tudo isso realmente falou com a criança em mim”. Não só estudar o subsolo profundo era uma maneira de “entender uma parte do planeta que nunca tinha sido vista antes, um tipo de vida que ainda não entendíamos”, mas “claramente iria atropelar [os] limites” entre química, biologia, física e geologia, permitindo aos cientistas combinar esses campos de maneiras novas e intrigantes.
Durante o treinamento de Sherwood Lollar na década de 1980 e seu início de carreira como geóloga na Universidade de Toronto nos anos 90, mais e mais comunidades microbianas subterrâneas foram descobertas. O enigma do que sustentava esta vida levou alguns pesquisadores a propor que poderia haver “uma biosfera profunda acionada por hidrogênio” cheia de células usando gás hidrogênio como fonte de energia. (Micróbios encontrados em amostras subterrâneas profundas eram frequentemente enriquecidos com genes para enzimas que poderiam derivar energia do hidrogênio.) Muitos processos geológicos poderiam produzir esse hidrogênio, mas os mais bem estudados ocorreram apenas em altas temperaturas e pressões. Isso incluía interações entre gases vulcânicos, a quebra de minerais específicos na presença de água e a serpentinização – a alteração química de certos tipos de rocha crustal por meio de reações com água.
No início dos anos 2000, Sherwood Lollar, Li-Hung Lin (agora na National Taiwan University), Tullis Onstott da Princeton University e seus colegas estavam encontrando altas concentrações de hidrogênio – “em alguns casos, incrivelmente altas”, disse Sherwood Lollar – na água isolado nas profundezas da crosta sul-africana e canadense. Mas a serpentinização não poderia explicar isso: os tipos de minerais necessários muitas vezes não estavam presentes. Nem os outros processos pareciam prováveis, devido à ausência de atividade vulcânica recente e fluxos de magma.
“Então, começamos a examinar e expandir nossa compreensão das reações de produção de hidrogênio e sua relação com a química e a mineralogia das rochas nesses lugares”, disse Sherwood Lollar.
Uma pista veio da descoberta de que a água presa nesses locais rochosos continha não apenas grandes quantidades de hidrogênio, mas também de hélio – um indicador de que as partículas da decomposição radioativa de elementos como o urânio e o tório estavam dividindo as moléculas de água. Esse processo, a radiólise da água, foi observado pela primeira vez no laboratório de Marie Curie no início do século 20, quando os pesquisadores perceberam que soluções de sais de rádio geravam bolhas de hidrogênio e oxigênio. Curie chamou isso de “uma eletrólise sem eletrodos”. (Demorou mais alguns anos para os cientistas perceberem que o oxigênio vinha do peróxido de hidrogênio criado durante o processo.)
Sherwood Lollar, Lin, Onstott e seus colaboradores propuseram em 2006 que as comunidades microbianas sob a África do Sul e Canadá derivassem a energia para sua sobrevivência do hidrogênio produzido por radiólise. Assim começou sua longa busca para desvendar o quão importante a radiólise pode ser para a vida em ambientes naturais.
“Um sistema totalmente auto-sustentado”
Durante grande parte da década seguinte, os pesquisadores obtiveram amostras de aqüíferos profundos em vários locais de mineração e relacionaram a química complexa dos fluidos com seus arredores geológicos. Parte da água presa sob a crosta canadense foi isolada da superfície por mais de 1 bilhão de anos – talvez até por 2 bilhões. Dentro dessa água havia bactérias, ainda muito vivas.
“Esse tinha que ser um sistema totalmente autossustentável”, observou Mustard. Pelo processo de eliminação, a radiólise parecia uma possível fonte de energia, mas poderia haver o suficiente para sustentar a vida?
Em 2014, quando Sherwood Lollar e seus colegas combinaram os resultados do trabalho de laboratório de químicos nucleares com modelos da composição mineral da crosta, eles descobriram que a radiólise e outros processos provavelmente estavam produzindo uma grande quantidade de hidrogênio na subsuperfície continental – no mesmo nível com a quantidade de hidrogênio que se pensa ser proveniente de ambientes hidrotérmicos e outros ambientes do mar profundo. “Dobramos a estimativa de produção de hidrogênio a partir de reações água-rocha no planeta?, disse Sherwood Lollar.
Os micróbios podiam utilizar diretamente o hidrogênio produzido pela radiólise, mas isso era apenas metade da história: para fazer uso completo dele, eles precisavam não apenas do hidrogênio como doador de elétrons, mas de outra substância como aceitador de elétrons. Os cientistas suspeitaram que os micróbios estavam descobrindo isso em compostos produzidos quando o peróxido de hidrogênio e outros radicais contendo oxigênio da radiólise reagiam com os minerais circundantes. Em trabalho publicado em 2016, eles mostraram que o peróxido de hidrogênio radiolítico provavelmente estava interagindo com sulfetos nas paredes de uma mina canadense para produzir sulfato, um aceptor de elétrons. Mas Sherwood Lollar e seus colegas ainda precisavam de provas de que as células dependiam desse sulfato para obter energia.
Em 2019, eles finalmente conseguiram. Ao cultivar bactérias do lençol freático em minas, eles conseguiram mostrar que os micróbios faziam uso tanto do hidrogênio quanto do sulfato. Água, alguma decomposição radioativa, um pouco de sulfeto – “e então você obtém um sistema sustentado de produção de energia que pode durar bilhões de anos … como um pulso de habitabilidade ambiente”, disse Jesse Tarnas, cientista planetário e pós-doutorado da NASA.
Em seu artigo de fevereiro, Sherwood Lollar e seus colegas mostraram que a radiólise é instrumental não apenas nos ciclos do hidrogênio e do enxofre na Terra, mas no ciclo mais intimamente associado à vida: o do carbono. As análises de amostras de água da mesma mina canadense mostraram concentrações muito altas de acetato e formato, compostos orgânicos que podem sustentar a vida bacteriana. Além disso, medidas de assinaturas isotópicas indicaram que os compostos estavam sendo gerados abioticamente. Os pesquisadores levantaram a hipótese de que os produtos radiolíticos estavam reagindo com minerais carbonáticos dissolvidos da rocha para produzir grandes quantidades de moléculas baseadas em carbono que estavam observando.
Para cimentar sua hipótese, a equipe de Sherwood Lollar precisava de evidências adicionais. Chegou apenas um mês depois. Químicos nucleares liderados por Laurent Truche, um geoquímico da Universidade Grenoble Alpes, na França, e Johan Vandenborre da Universidade de Nantes, vinham estudando independentemente a radiólise em ambientes de laboratório. Em um trabalho publicado em março, eles estabeleceram os mecanismos precisos e os rendimentos da radiólise na presença de carbonato dissolvido. Eles mediram as concentrações exatas de vários subprodutos, incluindo formato e acetato – e as quantidades e taxas que eles registraram alinhadas com o que Sherwood Lollar estava vendo nas fraturas profundas dentro da rocha natural.
Abaixo do Fundo do Mar
Enquanto Sherwood Lollar conduzia sua pesquisa de campo na subsuperfície continental, um punhado de cientistas tentava descobrir os efeitos da radiólise no fundo do mar. O principal deles foi Steve D’Hondt, geomicrobiologista da Universidade de Rhode Island, que em fevereiro, com sua aluna Justine Sauvage e seus colegas publicaram os resultados de quase duas décadas de evidências detalhadas de que a radiólise é importante para sustentar a subsuperfície marinha vida.
Em 2010, D’Hondt e Fumio Inagaki, geomicrobiologista da Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia Marinha da Terra, liderou uma expedição de perfuração que coletou amostras de sedimentos submarinos de todo o mundo. Posteriormente, D’Hondt e Sauvage suspenderam dezenas de tipos de sedimentos na água e os expuseram a diferentes tipos de radiação – e todas as vezes, eles descobriram que a quantidade de hidrogênio produzida era muito maior do que quando a água pura era irradiada. Os sedimentos estavam amplificando os produtos da radiólise. E “os rendimentos foram ridículos”, disse D’Hondt. Em alguns casos, a presença de sedimentos na água aumentou a produção de hidrogênio por um fator de quase 30.
“Alguns minerais são apenas focos de produção de hidrogênio radiolítico”, disse D’Hondt. “Eles convertem de forma muito eficiente a energia da radiação em energia química que os micróbios podem comer.”
No entanto, D’Hondt e seus colegas quase não encontraram hidrogênio nos núcleos de sedimentos que perfuraram. “Qualquer hidrogênio que esteja sendo produzido está desaparecendo”, disse D’Hondt. Os pesquisadores acham que está sendo consumido pelos micróbios que vivem nos sedimentos.
De acordo com seus modelos, em sedimentos profundos com mais de alguns milhões de anos, o hidrogênio radiolítico está sendo produzido e consumido mais rapidamente do que a matéria orgânica – tornando a radiólise da água a fonte dominante de energia nesses sedimentos mais antigos. Embora seja responsável por apenas 1% -2% da energia total disponível no ambiente de sedimentos marinhos globais – os outros 98% vêm do carbono orgânico, que é principalmente consumido quando o sedimento é jovem – seus efeitos ainda são consideráveis. “Pode ser lento”, disse Doug LaRowe, um cientista planetário da University of Southern California, “mas de uma perspectiva geológica, e ao longo do tempo geológico … começa a aumentar.”
Isso significa que a radiólise “é uma fonte fundamental de energia biodisponível para um microbioma significativo na Terra”, disse Sauvage – não apenas nos continentes, mas também abaixo dos oceanos. “É impressionante.”
Um laboratório natural para as origens da vida
A recém-descoberta importância científica da radiólise pode não se relacionar apenas a como ela sustenta a vida em ambientes extremos. Também pode iluminar como a síntese orgânica abiótica pode ter preparado o cenário para a origem da vida – na Terra e em outros lugares.
Sherwood Lollar foi revigorado pelas observações recentes de sua equipe de que, no sistema ambiental fechado em torno das minas canadenses, a maioria dos compostos contendo carbono parecem ter sido produzidos abioticamente. “É um dos poucos lugares do planeta onde a mancha da vida não contaminou tudo”, disse ela. “E esses são lugares muito raros e preciosos em nosso planeta.”
Parte de seu valor único é que eles podem ser “um análogo do que pode ter sido a sopa pré-biótica que nossa Terra poderia ter antes de a vida surgir”, ela continuou. Mesmo que a vida não tenha surgido neste tipo de ambiente subterrâneo – regiões de alta energia do planeta, como fontes hidrotermais, são ainda locais mais prováveis para uma história de origem – forneceu um lugar seguro onde a vida poderia ser sustentada por longos períodos de tempo, longe dos perigos encontrados na superfície (como os impactos de meteoros e altos níveis de radiação que infestaram a Terra primitiva).
Modelagem e trabalho experimental mostraram que mesmo sistemas simples (consistindo apenas de hidrogênio, dióxido de carbono e sulfato, por exemplo) podem levar a teias alimentares microbianas extremamente intrincadas; adicionar compostos como formato e acetato da radiólise à mistura pode ampliar significativamente o potencial cenário ecológico. E como o acetato e o formato podem formar compostos orgânicos mais complexos, eles podem dar origem a sistemas ainda mais diversos. “É importante ver a vida operando com tanta complexidade”, disse Cara Magnabosco, geobióloga do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique, “mesmo em algo que talvez você considerasse muito simples e com baixo consumo de energia”.
“Digamos que [a radiólise] só pode produzir carbonos orgânicos básicos, como formato e acetato”, disse LaRowe. “Se você mover esses compostos para um ambiente ambiental diferente, talvez eles possam reagir lá para formar outra coisa. Eles se tornam o material inicial ou alimentador para reações mais complexas em um ambiente diferente. “Isso pode até ajudar a aproximar os cientistas da compreensão de como surgiram os aminoácidos e outros blocos de construção importantes da vida.
Sherwood Lollar está agora colaborando com outros cientistas, incluindo colegas do projeto CIFAR Earth 4D, para estudar como as moléculas orgânicas presentes na antiga água canadense podem “complexificar” a química em questão. No trabalho que eles esperam publicar ainda este ano, “mostramos como a coevolução de orgânicos e minerais é a chave para a diversificação desses compostos orgânicos”, disse Bénédicte Menez, geobiólogo do Instituto de Física da Terra de Paris e um dos líderes da pesquisa. Seu objetivo é determinar como estruturas orgânicas mais complicadas podem se formar e, posteriormente, desempenhar um papel em alguns dos primeiros metabolismos microbianos.
Os astrobiólogos também estão percebendo como pode ser crucial considerar a radiólise ao restringir a habitabilidade de planetas e luas em todo o sistema solar e no resto da galáxia. A luz do sol, altas temperaturas e outras condições podem não ser estritamente necessárias para sustentar a vida extraterrestre. A radiólise deve ser praticamente onipresente em qualquer planeta rochoso que tenha água em sua subsuperfície.
Veja Marte. Em dois estudos, um publicado há alguns anos e o outro no mês passado, Tarnas, Mustard, Sherwood Lollar e outros pesquisadores traduziram o trabalho quantitativo que está sendo feito em radiólise na Terra para a subsuperfície marciana. Eles descobriram que, com base na composição mineral do planeta e outros parâmetros, Marte hoje pode ser capaz de sustentar ecossistemas microbianos semelhantes aos da Terra – apenas com radiólise. Os cientistas identificaram regiões do planeta onde a concentração microbiana provavelmente seria maior, o que poderia orientar onde futuras missões deveriam ser direcionadas.
“É realmente fascinante para mim”, disse Inagaki, “já que estamos em uma era em que a física de partículas é necessária para estudar a vida microbiana no interior planetário da Terra e em outros mundos do universo”.
Publicado em 30/05/2021 00h16
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