Imagem de microscopia eletrônica de células microbianas que respiram sulfato. Crédito:Guy Perkins e Mark Ellisman, Centro Nacional de Pesquisa em Microscopia e Imagem
Três bilhões e meio de anos atrás, Vida hospedada na Terra, mas mal sobreviveu, ou prosperando? Um novo estudo realizado por uma equipe multi-institucional com liderança, incluindo o Earth-Life Science Institute (ELSI) do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), fornece novas respostas a essa pergunta. O metabolismo microbiano é registrado em bilhões de anos de taxas de isótopos de enxofre que concordam com as previsões deste estudo, sugerindo que a vida floresceu nos oceanos antigos. Usando esses dados, os cientistas podem vincular mais profundamente o registro geoquímico aos estados celulares e à ecologia.
Os cientistas querem saber há quanto tempo existe vida na Terra. Se existe há quase tanto tempo quanto o planeta, isso sugere que é fácil para a vida se originar e, portanto, deve ser comum no universo. Se demorar muito para se originar, isso sugere que condições muito especiais tiveram que ocorrer. Dinossauros, cujos ossos são apresentados em museus de todo o mundo, foram precedidos por bilhões de anos por micróbios. Embora os micróbios tenham deixado algumas evidências físicas de sua presença no antigo registro geológico, eles não fossilizam bem, assim, os cientistas usam outros métodos para entender se a vida estava presente no registro geológico.
Atualmente, a evidência mais antiga de vida microbiana na Terra chega até nós na forma de isótopos estáveis. Os elementos químicos representados na tabela periódica são definidos pelo número de prótons em seus núcleos. Por exemplo, átomos de hidrogênio têm um próton, átomos de hélio têm dois, os átomos de carbono contêm seis. Além de prótons, a maioria dos núcleos atômicos também contém nêutrons, que são tão pesados quanto prótons, mas que não suportam carga elétrica. Átomos que contêm o mesmo número de prótons, mas um número variável de nêutrons, são conhecidos como isótopos. Enquanto muitos isótopos são radioativos e, portanto, decaem em outros elementos, alguns não sofrem tais reações; estes são conhecidos como isótopos "estáveis". Por exemplo, os isótopos estáveis de carbono incluem carbono 12 (escrito como 12C para breve, com 6 prótons e 6 nêutrons) e carbono 13 (13C, com 6 prótons e 7 nêutrons).
O sulfeto é formado por micróbios que usam sulfato em seu metabolismo energético, e isso pode ficar preso por bilhões de anos em minerais de sulfeto de ferro como os do mineral pirita FeS2 na foto. Uma nova pesquisa de Sim e colegas mostra a importância de uma enzima celular individual no controle da mistura final de isótopos de enxofre nesses minerais, por sua vez, ligando a bioquímica, fisiologia celular, e o registro da vida no planeta Terra. Crédito:Yuichiro Ueno, ELSI
Todas as coisas vivas, incluindo humanos, "comer e excretar." Quer dizer, eles absorvem alimentos e expelem resíduos. Os micróbios geralmente comem compostos simples disponibilizados pelo meio ambiente. Por exemplo, alguns são capazes de absorver dióxido de carbono (CO 2 ) como fonte de carbono para construir suas próprias células. CO de ocorrência natural 2 tem uma proporção razoavelmente constante de 12C a 13C. Contudo, 12CO 2 é cerca de 2 por cento mais leve do que 13CO 2 , então 12CO 2 as moléculas se difundem e reagem um pouco mais rápido, e assim os próprios micróbios se tornam "isotopicamente leves, "contendo mais 12C do que 13C, e quando eles morrem e deixam seus restos no registro fóssil, sua assinatura isotópica estável permanece, e é mensurável. A composição isotópica, ou "assinatura, "de tais processos pode ser muito específico para os micróbios que os produzem.
Além do carbono, existem outros elementos químicos essenciais para os seres vivos. Por exemplo, enxofre, com 16 prótons, tem três isótopos estáveis naturalmente abundantes, 32 S (com 16 nêutrons), 33 S (com 17 nêutrons) e 34 S (com 18 nêutrons). Os padrões de isótopos de enxofre deixados por micróbios, portanto, registram a história do metabolismo biológico baseado em compostos contendo enxofre desde cerca de 3,5 bilhões de anos atrás.
Centenas de estudos anteriores examinaram grandes variações nas taxas de isótopos de enxofre antigas e contemporâneas resultantes do metabolismo do sulfato (um composto de enxofre que ocorre naturalmente ligado a quatro átomos de oxigênio). Muitos micróbios são capazes de usar o sulfato como combustível, e no processo excreta sulfeto, outro composto de enxofre (Figura 1). O "resíduo" de sulfeto do antigo metabolismo microbiano é então armazenado no registro geológico, e suas razões de isótopos podem ser medidas analisando minerais, como o mineral pirita FeS2 mostrado na Figura 2.
Este novo estudo revela uma etapa de controle biológico primário no metabolismo do enxofre microbiano, e esclarece quais estados celulares levam a quais tipos de fracionamento de isótopos de enxofre. Isso permite que os cientistas vinculem o metabolismo aos isótopos:ao saber como o metabolismo muda as razões de isótopos estáveis, os cientistas podem prever a assinatura isotópica que os organismos devem deixar para trás.
McGlynn explica que o átomo de enxofre da molécula de APS é reduzido pela enzima Apr, levando ao fracionamento cinético do isótopo relatado no artigo. Crédito:ELSI
Este estudo fornece algumas das primeiras informações sobre a robustez da metabolização da vida antiga. O metabolismo microbiano do sulfato é registrado em mais de 3 bilhões de anos de taxas de isótopos de enxofre que estão em linha com as previsões deste estudo, o que sugere que a vida estava de fato prosperando nos oceanos antigos. Este trabalho abre um novo campo de pesquisa, que o professor associado da ELSI Shawn McGlynn chama de "enzimologia evolutiva e isotópica". Usando este tipo de dados, os cientistas podem agora prosseguir para outros elementos, como carbono e nitrogênio, e vincular de forma mais completa o registro geoquímico com estados celulares e ecologia por meio de uma compreensão da evolução da enzima e da história da Terra.
