O oxigênio é uma presença vital e constante na Terra hoje. Mas nem sempre foi assim. Foi apenas há cerca de 2,3 bilhões de anos que o oxigênio se tornou um componente permanente da atmosfera, durante um período crucial conhecido como o Grande Evento de Oxidação (GEO), que definiu o curso evolutivo da vida dependente de oxigênio como a conhecemos hoje.

Um novo estudo realizado por pesquisadores do MIT sugere que algumas formas primitivas de vida podem ter desenvolvido a capacidade de usar oxigênio centenas de milhões de anos antes do Grande Evento de Oxigenação (GOE). As descobertas podem representar algumas das primeiras evidências de respiração aeróbica na Terra.

Em um estudo publicado hoje no periódico Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology , geobiólogos do MIT rastrearam as origens evolutivas de uma enzima fundamental que permite aos organismos utilizar oxigênio. A enzima é encontrada na grande maioria das formas de vida aeróbicas que respiram oxigênio atualmente. A equipe descobriu que essa enzima evoluiu durante o Mesoarqueano — um período geológico que antecede o Grande Evento de Oxidação em centenas de milhões de anos.

Os resultados da equipe podem ajudar a explicar um enigma antigo na história da Terra: por que demorou tanto para o oxigênio se acumular na atmosfera?

Os primeiros produtores de oxigênio do planeta foram as cianobactérias — micróbios que desenvolveram a capacidade de usar a luz solar e a água para realizar a fotossíntese, liberando oxigênio como subproduto. Os cientistas determinaram que as cianobactérias surgiram há cerca de 2,9 bilhões de anos. Presume-se, portanto, que esses micróbios tenham produzido oxigênio por centenas de milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação. Mas para onde foi todo o oxigênio produzido pelas cianobactérias?

Os cientistas suspeitam que as rochas podem ter absorvido uma grande parte do oxigênio em seus primórdios, por meio de diversas reações geoquímicas. O novo estudo da equipe do MIT sugere agora que a biologia também pode ter desempenhado um papel.

Os pesquisadores descobriram que alguns organismos podem ter desenvolvido a enzima para usar oxigênio centenas de milhões de anos antes do Grande Evento de Oxidação. Essa enzima pode ter permitido que os organismos que viviam perto de cianobactérias absorvessem qualquer pequena quantidade de oxigênio produzida pelos micróbios, retardando, por sua vez, o acúmulo de oxigênio na atmosfera por centenas de milhões de anos.

“Isso muda drasticamente a história da respiração aeróbica”, diz a coautora do estudo, Fatima Husain, pós-doutoranda no Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Nosso estudo contribui para essa história que vem surgindo recentemente, de que a vida pode ter usado oxigênio muito antes do que se pensava. Ele nos mostra o quão incrivelmente inovadora a vida é em todos os períodos da história da Terra.”

Os demais coautores do estudo incluem Gregory Fournier, professor associado de geobiologia do MIT, juntamente com Haitao Shang e Stilianos Louca, da Universidade de Oregon.

O novo estudo soma-se a uma longa linha de pesquisa do MIT que busca reconstituir a história do oxigênio na Terra. Esse conjunto de pesquisas ajudou a determinar a  cronologia do Grande Evento de Oxidação, bem como as primeiras evidências de  cianobactérias produtoras de oxigênio . O entendimento geral que emergiu é que o oxigênio foi produzido pela primeira vez por cianobactérias há cerca de 2,9 bilhões de anos, enquanto o Grande Evento de Oxidação — quando o oxigênio finalmente se acumulou o suficiente para persistir na atmosfera — ocorreu muito mais tarde, há cerca de 2,33 bilhões de anos.

Para Husain e seus colegas, esse aparente atraso entre a primeira produção de oxigênio e sua eventual persistência inspirou uma pergunta.

“Sabemos que os microrganismos que produzem oxigênio já existiam muito antes do Grande Evento de Oxidação”, diz Husain. “Então, foi natural perguntar: existia alguma forma de vida naquela época que pudesse ter sido capaz de usar esse oxigênio para a respiração aeróbica?”

Se de fato existissem formas de vida que utilizassem oxigênio, mesmo que em pequenas quantidades, elas poderiam ter desempenhado um papel na prevenção do acúmulo de oxigênio na atmosfera, pelo menos por um tempo.

Para investigar essa possibilidade, a equipe do MIT recorreu às redutases de oxigênio heme-cobre, um conjunto de enzimas essenciais para a respiração aeróbica. Essas enzimas atuam reduzindo o oxigênio a água e são encontradas na maioria dos organismos aeróbicos que respiram oxigênio atualmente, desde bactérias até seres humanos.

“Nós direcionamos nossas análises para o núcleo dessa enzima porque é ali que a reação com o oxigênio realmente ocorre”, explica Husain.

A equipe tinha como objetivo rastrear a evolução da enzima retroativamente no tempo para descobrir quando ela surgiu pela primeira vez, permitindo que os organismos utilizassem oxigênio. Primeiro, eles identificaram a sequência genética da enzima e, em seguida, usaram uma ferramenta de busca automatizada para procurar essa mesma sequência em bancos de dados contendo os genomas de milhões de espécies diferentes de organismos.

A equipe acabou isolando a sequência da enzima de milhares de espécies modernas e mapeou essas sequências em uma árvore evolutiva da vida, com base no conhecimento científico sobre quando cada espécie provavelmente evoluiu e se ramificou. Em seguida, eles examinaram essa árvore em busca de espécies específicas que pudessem fornecer informações relevantes sobre suas origens.

Se, por exemplo, houver um registro fóssil de um organismo específico na árvore filogenética, esse registro incluiria uma estimativa de quando esse organismo surgiu na Terra. A equipe usaria a idade desse fóssil para "fixar" uma data para esse organismo na árvore. De maneira semelhante, eles poderiam colocar marcadores ao longo da árvore para refinar suas estimativas de quando, no tempo, a enzima evoluiu de uma espécie para outra.

Por fim, os pesquisadores conseguiram rastrear a enzima até o Mesoarqueano — uma era geológica que durou de 3,2 a 2,8 bilhões de anos atrás. É por volta dessa época que a equipe suspeita que a enzima — e a capacidade dos organismos de usar oxigênio — tenha surgido. Esse período antecede o Grande Evento de Oxidação em várias centenas de milhões de anos.

As novas descobertas sugerem que, pouco depois de as cianobactérias desenvolverem a capacidade de produzir oxigênio, outros seres vivos desenvolveram a enzima para utilizar esse oxigênio. Qualquer organismo que por acaso vivesse perto de cianobactérias teria sido capaz de absorver rapidamente o oxigênio produzido por essas bactérias. Esses organismos aeróbicos primitivos podem, então, ter desempenhado algum papel na prevenção da fuga de oxigênio para a atmosfera, retardando seu acúmulo por centenas de milhões de anos.

“Considerando tudo, a pesquisa do MIT preencheu as lacunas em nosso conhecimento sobre como ocorreu a oxigenação da Terra”, diz Husain. “As peças do quebra-cabeça estão se encaixando e realmente ressaltam como a vida foi capaz de se diversificar e sobreviver neste novo mundo oxigenado.”

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pelo programa Scialog da Research Corporation for Science Advancement.