Em algum momento no início da história da Terra, o planeta deu uma guinada em direção à habitabilidade quando um grupo de micróbios empreendedores conhecidos como cianobactérias desenvolveram a fotossíntese oxigenada – a capacidade de transformar luz e água em energia, liberando oxigênio no processo.
Esse momento evolutivo possibilitou que o oxigênio eventualmente se acumulasse na atmosfera e nos oceanos, desencadeando um efeito dominó de diversificação e moldando o planeta habitável que conhecemos hoje.
Agora, os cientistas do MIT têm uma estimativa precisa de quando as cianobactérias e a fotossíntese oxigenada se originaram. Seus resultados aparecem nos Proceedings of the Royal Society B.
Eles desenvolveram uma nova técnica de análise de genes que mostra que todas as espécies de cianobactérias que vivem hoje podem ser rastreadas até um ancestral comum que evoluiu cerca de 2,9 bilhões de anos atrás. Eles também descobriram que os ancestrais das cianobactérias se ramificaram de outras bactérias há cerca de 3,4 bilhões de anos, com a fotossíntese oxigenada provavelmente evoluindo durante meio bilhão de anos intermediários, durante o Éon Arqueano.
Curiosamente, esta estimativa coloca o aparecimento da fotossíntese oxigenada pelo menos 400 milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação, um período em que a atmosfera da Terra e os oceanos experimentaram pela primeira vez um aumento no oxigênio. Isso sugere que as cianobactérias podem ter desenvolvido a capacidade de produzir oxigênio no início, mas demorou um pouco para que esse oxigênio realmente se instalasse no ambiente.
“Na evolução, as coisas sempre começam pequenas”, diz o autor principal Greg Fournier, professor associado de geobiologia no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias do MIT. “Mesmo que haja evidências da fotossíntese oxigenada precoce – que é a inovação evolutiva mais importante e realmente incrível na Terra – ainda demorou centenas de milhões de anos para ela decolar.”
Os co-autores do MIT de Fournier incluem Kelsey Moore, Luiz Thiberio Rangel, Jack Payette, Lily Momper e Tanja Bosak.
Fusível lento ou incêndio florestal?
As estimativas para a origem da fotossíntese oxigenada variam amplamente, junto com os métodos para rastrear sua evolução.
Por exemplo, os cientistas podem usar ferramentas geoquímicas para procurar vestígios de elementos oxidados em rochas antigas. Esses métodos encontraram indícios de que o oxigênio estava presente há 3,5 bilhões de anos – um sinal de que a fotossíntese oxigenada pode ter sido a fonte, embora outras fontes também sejam possíveis.
Os pesquisadores também usaram a datação por relógio molecular, que usa as sequências genéticas dos micróbios atuais para rastrear mudanças nos genes ao longo da história evolutiva. Com base nessas sequências, os pesquisadores usam modelos para estimar a taxa em que as mudanças genéticas ocorrem, para rastrear quando grupos de organismos evoluíram pela primeira vez. Mas a datação do relógio molecular é limitada pela qualidade dos fósseis antigos e pelo modelo de taxa escolhido, que pode produzir diferentes estimativas de idade, dependendo da taxa presumida.
Fournier diz que diferentes estimativas de idade podem implicar em narrativas evolutivas conflitantes. Por exemplo, algumas análises sugerem que a fotossíntese oxigenada evoluiu muito cedo e progrediu “como um fusível lento”, enquanto outras indicam que apareceu muito mais tarde e “decolou como um incêndio” para desencadear o Grande Evento de Oxidação e o acúmulo de oxigênio na biosfera .
“Para entendermos a história da habitabilidade na Terra, é importante distinguirmos entre essas hipóteses”, diz ele.
Genes horizontais
Para datar com precisão a origem das cianobactérias e da fotossíntese oxigenada, Fournier e seus colegas emparelharam a datação do relógio molecular com a transferência horizontal de genes – um método independente que não depende inteiramente de fósseis ou pressupostos de taxas.
Normalmente, um organismo herda um gene “verticalmente”, quando ele é transmitido de seus pais. Em casos raros, um gene também pode saltar de uma espécie para outra, espécies remotamente relacionadas. Por exemplo, uma célula pode comer outra e, no processo, incorporar alguns novos genes em seu genoma.
Quando essa história de transferência horizontal de genes é encontrada, fica claro que o grupo de organismos que adquiriu o gene é evolutivamente mais jovem do que o grupo do qual o gene se originou. Fournier raciocinou que tais exemplos poderiam ser usados para determinar as idades relativas entre certos grupos bacterianos. As idades desses grupos podem então ser comparadas com as idades que vários modelos de relógio molecular prevêem. O modelo que mais se aproxima provavelmente seria o mais preciso e poderia então ser usado para estimar com precisão a idade de outras espécies bacterianas – especificamente, cianobactérias.
Seguindo esse raciocínio, a equipe procurou por instâncias de transferência horizontal de genes nos genomas de milhares de espécies bacterianas, incluindo cianobactérias. Eles também usaram novas culturas de cianobactérias modernas tomadas por Bosak e Moore, para usar mais precisamente cianobactérias fósseis como calibrações. No final, eles identificaram 34 casos claros de transferência horizontal de genes. Eles então descobriram que um em cada seis modelos de relógio molecular correspondia consistentemente às idades relativas identificadas na análise de transferência horizontal de genes da equipe.
Fournier executou esse modelo para estimar a idade do grupo “coroa” de cianobactérias, que engloba todas as espécies que vivem hoje e que exibem fotossíntese oxigenada. Eles descobriram que, durante o éon arqueano, o grupo da coroa se originou há cerca de 2,9 bilhões de anos, enquanto as cianobactérias como um todo se ramificaram de outras bactérias há cerca de 3,4 bilhões de anos. Isso sugere fortemente que a fotossíntese oxigênio já estava acontecendo 500 milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação (GOE), e que as cianobactérias estavam produzindo oxigênio por um longo tempo antes de se acumular na atmosfera.
A análise revelou ainda que, pouco antes do GOE, há cerca de 2,4 bilhões de anos, as cianobactérias experimentaram um surto de diversificação. Isso implica que uma rápida expansão de cianobactérias pode ter lançado a Terra no GOE e lançado oxigênio na atmosfera.
Fournier planeja aplicar a transferência horizontal de genes além das cianobactérias para identificar as origens de outras espécies indescritíveis.
“Este trabalho mostra que os relógios moleculares que incorporam as transferências horizontais de genes (HGTs) prometem fornecer de forma confiável as idades dos grupos em toda a árvore da vida, mesmo para micróbios antigos que não deixaram nenhum registro fóssil … algo que antes era impossível”, diz Fournier.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela Simons Foundation e pela National Science Foundation.
Publicado em 02/10/2021 18h08
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