Para os bioquímicos, a questão é o que veio primeiro: produção de oxigênio pela fotossíntese ou consumo de oxigênio pelo metabolismo aeróbico?

Na fotossíntese, algas e plantas absorvem a luz solar para transformar dióxido de carbono e água em combustível para o crescimento, liberando oxigênio como subproduto. Os animais, por outro lado, usam oxigênio para converter o combustível que consomem em energia e emitem dióxido de carbono, um processo chamado metabolismo aeróbico.

Então, o que veio primeiro? Um novo artigo no Proceedings of the National Academy of Sciences detalha uma descoberta acidental por um consórcio internacional de pesquisadores de uma possível molécula de elo perdido que pode levar a uma resposta à questão evolucionária.

“Desde o início, tivemos a ideia de que isso poderia estar relacionado à evolução da fotossíntese e à capacidade de respirar oxigênio”, disse Felix Elling, ex-bolsista de pós-doutorado no Departamento de Ciências da Terra e Planetárias e principal autor do artigo.

Elling, que trabalhava no Laboratório de Biogeoquímica Molecular e Geoquímica Orgânica da Professora Ann Pearson , estava procurando moléculas específicas não relacionadas a questões sobre a evolução do metabolismo aeróbico quando descobriu algo incomum: uma ligeira mudança em uma molécula de uma bactéria que utiliza nitrogênio, a Nitrospirota, que parecia mais com algo que uma planta precisaria para a fotossíntese, do que com uma bactéria.

“Estávamos examinando bactérias para um projeto completamente diferente”, disse Elling, que agora faz parte do corpo docente da Universidade de Kiel, na Alemanha.

O que os pesquisadores encontraram foi metil-plastoquinona, uma variação de um tipo de molécula chamada quinona. Encontradas em todas as formas de vida, acreditava-se que as quinonas existiam em duas variedades básicas: quinonas aeróbicas que requerem oxigênio e as anaeróbicas que não.

As quinonas aeróbicas se subdividem em dois tipos: aquelas usadas pelas plantas para realizar a fotossíntese e outras usadas por bactérias e animais para respirar oxigênio.

“Basicamente, todas as formas de vida usam quinonas para seu metabolismo”, explicou Elling. Encontrar uma quinona, “que é semelhante ao que as plantas usam para realizar a fotossíntese”, em uma bactéria que respira oxigênio foi altamente incomum. A metil-plastoquinona, os pesquisadores perceberam, era um terceiro tipo, e possivelmente um elo perdido entre os dois.

A pesquisa lança luz sobre o que é chamado de Grande Evento de Oxidação. Esse período — aproximadamente 2,3 a 2,4 bilhões de anos atrás — marcou quando as cianobactérias (um tipo de alga) começaram a gerar quantidades significativas de oxigênio como resultado da fotossíntese, tornando o metabolismo aeróbico possível.

Embora esse desenvolvimento pareça implicar que a fotossíntese veio primeiro, a descoberta da metil-plastoquinona apoia outra hipótese. Simplificando, algumas bactérias já tinham a capacidade de utilizar oxigênio — mesmo antes de as cianobactérias começarem a produzi-lo.

Em outras palavras, “o ovo e a galinha estavam juntos”, disse Elling.

Pearson, o professor de Artes e Ciências PVK e professor de Ciências Ambientais Murray e Martha Ross, em cujo laboratório a pesquisa de Elling começou, enfatizou que ter um sistema de processamento bioquímico de oxigênio no advento de sua geração pela fotossíntese foi um grande passo.

“As reações que envolvem oxigênio são muito prejudiciais e podem ser bastante mortais para células que não têm mecanismos para lidar com os subprodutos metabólicos”, ela disse. Embora os tomemos como garantidos, “os sistemas químicos que todos nós empregamos em nossas células para sobreviver ao nosso estilo de vida metabólico aeróbico são, na verdade, bastante sofisticados”.

Simplificando, “foi assim que aprendemos a respirar”, disse Pearson. “E uma vez que você pode respirar oxigênio e fazê-lo com segurança, isso abre caminho para a diversificação de toda a vida que vemos ao nosso redor.”

Traços da diversificação das estruturas das quinonas podem ser encontrados em nossos próprios corpos, incluindo as distinções fundamentais entre as quinonas nas mitocôndrias humanas, em comparação com aquelas nas plantas.

“Acreditamos que o que encontramos é a forma primária ou ancestral desta molécula que mais tarde foi adaptada para ter duas formas — uma com funções específicas nas algas e plantas, e a forma alternativa nas mitocôndrias que temos hoje”, disse Elling.

“Esta molécula é uma cápsula do tempo”, disse Elling. “Um fóssil vivo de uma molécula que sobreviveu por mais de 2 bilhões de anos.”

Esta pesquisa foi financiada em parte pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA.