Halophiles, que prosperam em ambientes super salgados, e metanógenos, que vivem em lugares como intestinos de animais, são organismos unicelulares resistentes chamados extremófilos. Imagem cortesia de Maryland Astrobiology Consortium / NASA / STScI Qual é o seu ambiente ideal? Ensolarado, 72 graus Fahrenheit (22 graus Celsius) e uma leve brisa? Que tal viver em água quase fervente que é tão ácida que corrói o metal? Ou residindo em um lamaçal, sopa sem oxigênio muito mais salgada do que qualquer oceano? Se você é um extremófilo , isso pode parecer perfeito.
Extremófilos são organismos que vivem em ambientes "extremos". O nome, usado pela primeira vez em 1974 em um artigo de um cientista chamado R.D. MacElroy, significa literalmente amor extremo [fonte:Townsend]. Essas criaturas resistentes são notáveis não apenas por causa dos ambientes em que vivem, mas também porque muitos deles não conseguiam sobreviver em condições supostamente normais, ambientes moderados. Por exemplo, o microorganismo Ferroplasma acidiphilum precisa de uma grande quantidade de ferro para sobreviver, quantidades que matariam a maioria das outras formas de vida. Como outros extremófilos, F. acidiphilum pode se lembrar de uma época antiga na Terra, quando a maioria dos organismos vivia em condições adversas semelhantes às agora favorecidas por alguns extremófilos, seja em respiradouros de alto mar, gêiseres ou resíduos nucleares.
Os extremófilos não são apenas bactérias [fonte:Science Resource Education Center]. Eles vêm de todos os três ramos dos três sistemas de classificação de domínio:Archaea, Eubacteria e Eukaroyta. (Exploraremos mais a taxonomia a seguir.) Portanto, os extremófilos são um grupo diverso, e alguns candidatos surpreendentes - fermento, por exemplo - qualifique-se para ser membro. Eles também nem sempre são chamados estritamente de extremófilos. Por exemplo, um halófilo tem esse nome porque se desenvolve em um ambiente muito salgado.
A descoberta de extremófilos, começando na década de 1960, fez com que os cientistas reavaliassem como a vida começou na Terra. Numerosos tipos de bactérias foram encontrados nas profundezas do subsolo, uma área antes considerada uma zona morta (por causa da falta de luz solar), mas agora vista como uma pista para as origens da vida. Na verdade, a maioria das bactérias do planeta vive no subsolo [fonte:BBC News].
Esses especializados, extremófilos que habitam rochas são chamados de endólitos (todas as bactérias subterrâneas são endólitos, mas alguns endólitos são organismos não bacterianos). Os cientistas especulam que os endólitos podem absorver nutrientes que se movem pelas veias das rochas ou subsistir de matéria rochosa inorgânica. Alguns endólitos podem ser geneticamente semelhantes às primeiras formas de vida que se desenvolveram há cerca de 3,8 bilhões de anos. Para comparação, A Terra tem cerca de 4,5 bilhões de anos, e organismos multicelulares desenvolvidos relativamente recentemente em comparação com os unicelulares, vida microbiana [fonte:Dreifus].
Neste artigo, veremos como os extremófilos ajudam na busca pelas origens da vida; por que os extremófilos são úteis na ciência industrial e por que os extremófilos podem nos levar à vida em outros planetas. Primeiro, vamos ver como os extremófilos são classificados.
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Essas representações artísticas de organismos unicelulares se enquadram no reino Monera, lar de procariontes. Harnett / Hanzon / Getty Images Todos os anos, pesquisadores descobrem e nomeiam milhares de novas espécies. Nos últimos anos, os microorganismos formaram uma parte importante desse enorme crescimento na descoberta de espécies. Mais de 2 milhões de espécies foram identificadas em todo o planeta, mas alguns especialistas especulam que podem existir 100 milhões ou mais [fonte:Thompson].
Mas há mais para encontrar novas espécies do que nomeá-las e catalogá-las. E para comparar criaturas vivas, nada supera um bom sistema de classificação. Os dois métodos mais populares em uso são os cinco reinos e os três sistemas de domínio. Criado no final dos anos 1960, os cinco reinos separam a vida em Monera, o reino dos procariotos (células sem núcleos e organelas ligados à membrana) que inclui bactérias, bem como quatro reinos eucarióticos (células com núcleos e organelas ligados à membrana):Protista, Fungi, Plantae e Animalia.
Por um tempo curto, os cinco reinos pareciam servir bem aos cientistas. Mas na década de 1970, um cientista chamado Carl Woese decidiu classificar os organismos com base em diferenças genéticas, em vez de diferenças na aparência visual. Quando Woese começou seus esforços de classificação, ele notou que havia distinções entre alguns tipos de organismos que haviam sido previamente agrupados como bactérias porque eram todos procariontes. Woese descobriu que a bactéria e esta outra, grupo de organismos anteriormente não identificados provavelmente se separou de um ancestral comum bilhões de anos atrás. Pensando que esses outros organismos mereciam sua própria categoria, ele dividiu o reino Monera de procariontes em arqueobactérias (mais tarde chamado archaea ) e eubactérias . Seu terceiro domínio foi reservado para eukarya . Explicaremos esses termos em um segundo.
Woese descobriu que muitos archaea eram extremófilos e considerou esse fato uma evidência de sua proveniência antiga ("archaea" significa antigo). Archaea são um grupo diversificado de organismos com seu próprio tipo único de rRNA, diferente das bactérias. (rRNA produz polipeptídeos, que ajudam a formar proteínas.) Em muitos casos, extremophile archaea desenvolveram mecanismos relacionados às suas membranas celulares para protegê-los de ambientes hostis.
O segundo domínio de eubactérias, significando "bactérias verdadeiras, "são procariontes que se desenvolveram mais recentemente do que as archaea. Essas bactérias são os tipos que tendem a nos deixar doentes.
O amplo terceiro domínio de Woese, eucarioto, abrange tudo o que tem um núcleo e pode ser subdividido em reinos como protista, fungos, plantae e animalia. Alguns eucariotos também podem se dar bem em ambientes extremos.
O exame desses métodos de classificação pode criar alguma confusão e debate - qual sistema é melhor? - mas também podem iluminar algumas das diferenças importantes entre extremófilos e outros organismos.
Antes de olharmos para alguns dos ambientes favoráveis aos extremófilos, aqui está uma lista de alguns nomes adicionais usados para classificar tipos específicos de extremófilos:
Na página anterior, mencionamos halófilos e endólitos. Também existem metanógenos, alguns dos quais vivem no intestino das vacas e produzem metano como subproduto. Extremófilos toxitolerantes se dão bem em condições altamente tóxicas, como a área carregada de radiação em torno do local nuclear de Chernobyl.
Qual é o ponto?Carl Woese chamou os sistemas de classificação de "arbitrários", mas reconheceu que eles ajudam a entender como os seres vivos se relacionam uns com os outros [fonte:The Why Files]
Aquele gêiser fervente no Parque Nacional de Yellowstone provavelmente tem alguns extremófilos à espreita nas proximidades. John Wang / Getty Images Um ambiente é chamado de extremo apenas em relação ao que é normal para os humanos, mas para um extremófilo, seus ambientes favoritos são "normais". E além da Terra, as condições que tornam a vida possível para os humanos são provavelmente raras. Por sua vez, os chamados ambientes extremos e os extremófilos que os povoam podem ser mais comuns. Aqui na Terra, uma série de fatores podem ganhar um lugar o rótulo de "extremo, "incluindo o seguinte:
Lembre-se também de que esses fatores às vezes podem ser extremos de duas maneiras - ou seja, muito quente ou muito frio, altamente ácido ou altamente alcalino. A maioria dos organismos que vemos ou encontramos subsiste em temperaturas que variam de 41 graus Fahrenheit (5 graus Celsius) a 104 graus Fahrenheit (40 graus Celsius), mas vida extrema foi encontrada em reatores nucleares, pinguim guano, vulcões, zonas praticamente livres de oxigênio, áreas incrivelmente salgadas, como o Grande Lago Salgado de Utah e no sistema digestivo de muitos animais, incluindo insetos [fonte:Science Education Resource Center]. Em um caso, bactérias foram encontradas enterradas no gelo do Alasca. Quando o gelo derreteu, bactérias que estavam dormentes por dezenas de milhares de anos retomaram a atividade, como se nada tivesse acontecido.
O Lago Untersee da Antártica é um ótimo exemplo de ambiente extremo. A água está cheia de metano e tem um pH altamente alcalino, comparável ao sabão em pó [fonte:NASA]. Os cientistas da NASA estão particularmente interessados no lago porque seu ambiente distinto - muito metano e temperaturas frias - pode ser semelhante ao de outros corpos planetários, como a lua de Júpiter, Europa [fonte:NASA].
Os humanos preferem um pH de 6,5 a 7,5, mas os acidófilos prosperam em locais com níveis de pH variando de 0 a 5. O estômago humano realmente se enquadra nesta categoria, e temos alguns extremófilos vivendo em nossos corpos. Em geral, acidófilos sobrevivem em ambientes ácidos, fortalecendo suas membranas celulares. Alguns produtos biofilmes (colônias de microrganismos que se agregam, criando viscoso, filmes protetores extracelulares) ou ácidos graxos que protegem suas membranas celulares. Outros podem regular seu pH interno para mantê-lo em um nível mais moderado de cerca de 6,5.
Extremófilos em ambientes altamente alcalinos também conseguem regular o pH interno e possuem enzimas que podem suportar os efeitos da alta alcalinidade. Um desses extremófilos é Spirochaeta americana , uma bactéria que vive nos depósitos de lama do Lago Mono na Califórnia e cuja descoberta foi anunciada em maio de 2003. S. americana precisa de um pH alcalino de 8,0 a 10,5, e é anaeróbico, incapaz de viver em ambientes com oxigênio. Este extremófilo é um dos 14 espiroquetas conhecidos. As espiroquetas gostam de depósitos de lama sulfurosa e não dependem de oxigênio. Por exemplo, Spirochaeta thermophila vive perto de fontes hidrotermais profundas.
A lama do Lago Mono é alcalina com um pH de 10, muito salgado e cheio de sulfetos. O lago se tornou assim porque é um lago terminal - a água flui para dentro, mas não para fora. Conforme a água evapora, produtos químicos e minerais permanecem, tornando-se altamente concentrado. Outras formas de vida fizeram do Lago Mono um lar, entre eles camarão de água salgada, algas e uma espécie de mosca que podem criar bolhas de ar para si mesmas, o que permite que ela viaje debaixo d'água. O lago também é rico em microfósseis de minúsculos organismos.
Muitos outros ambientes extremos notáveis também hospedam extremófilos. Numerosos gêiseres ao redor do mundo, incluindo alguns na Sibéria, têm extremófilos vivendo em suas piscinas e aberturas quentes. Nos Estados Unidos, O Parque Nacional de Yellowstone tem milhares de gêiseres, nascentes e outros recursos geotérmicos, com vários níveis de temperatura, acidez e enxofre e com muitos tipos de extremófilos. Rio Tinto, um rio na Espanha, está repleta de metais pesados porque a região foi palco de operações de mineração por milhares de anos. De forma similar, Montanha de ferro, no norte da Califórnia, tem água tão carregada com metais pesados e ácidos (subprodutos da mineração) que pode ser consumida por uma pá de metal em um dia. Mas mesmo aqui, nas profundezas das minas subterrâneas, micróbios dos domínios das arquéias e eubactérias conseguem sobreviver à sucata, usando biofilmes para proteção e absorção de nutrientes.
Qual é o pH?A acidez é medida em termos de pH:0 é mais ácido, enquanto 14 é o mais básico ou alcalino.
D. radiodurans é mais resistente do que qualquer astronauta humano que provavelmente enviaremos para o espaço. Essas bactérias podem sobreviver à vida em outro planeta. Michael Daly / DOE / NASA
Na década de 1960, Dr. Thomas Brock, um biólogo, estava investigando bactérias nas fontes termais do Parque Nacional de Yellowstone quando ele topou com algo sem precedentes. As bactérias que viviam na área prosperavam em temperaturas extraordinariamente altas. O recém-nomeado Thermus aquaticus vivia em água que estava a quase 212 graus Fahrenheit (100 graus Celsius) - praticamente fervendo.
T. aquaticus forneceu a base para duas descobertas inovadoras em biologia. Provou ser a primeira archaea. (Lembre-se de que as archaea são um grupo diverso de organismos com seu próprio tipo único de rRNA, diferente das bactérias.) Igualmente significativo, este extremófilo produziu uma enzima conhecida como Polimerase TAQ , que encontrou uma aplicação industrial em PCRs (reações em cadeia da polimerase). O PCR permite aos cientistas replicar um pedaço de DNA bilhões de vezes em um período de algumas horas, e sem o processo, quase todos os trabalhos que requerem replicação de DNA, da ciência forense aos testes genéticos, não seria possível.
Outros extremófilos têm se mostrado úteis em aplicações de pesquisa médica e industrial, embora provavelmente nenhum tanto quanto T. aquaticus . Os cientistas examinaram pelo menos um extremófilo que produz uma proteína semelhante a uma encontrada em humanos. Esta proteína parece desempenhar um papel em várias doenças auto-imunes e condições como a artrite. As enzimas dos alcalifilos são usadas para fazer detergentes para a roupa e louça. Eles também são usados para remover pêlos de peles de animais. Outro alcalifilo de Yellowstone é usado na fabricação de papel e no tratamento de resíduos porque produz uma proteína que decompõe o peróxido de hidrogênio.
A NASA está estudando um extremófilo, Deinococcus radiodurans , que é extremamente resistente à radiação. Esse micróbio pode suportar doses de radiação 500% maiores do que seriam letais para humanos [fonte:Biello]. Interessantemente, a radiação realmente quebra o DNA do micróbio em pedaços. Mas em muitos casos, o DNA pode se recompor e funcionar normalmente novamente. Ele consegue isso eliminando partes quebradas do DNA, usando uma enzima especial para anexar um bom DNA a outros pedaços de DNA ainda saudáveis, e, em seguida, criar peças complementares para se ligar a essas longas fitas de DNA recém-formadas. Entendendo como D. radiodurans isso poderia permitir aos cientistas trazer células mortas de volta à vida. Para NASA, aproveitar esta resistência do DNA pode oferecer pistas para construir melhores trajes espaciais ou espaçonaves.
Na próxima página, vamos considerar como o estudo dos extremófilos alterou a busca dos cientistas por vida fora da Terra.
Aprendendo com os melhores
o E. coli a bactéria tem mecanismos para resistir a ácidos semelhantes a alguns extremófilos acidófilos.
Até aqui, as bactérias parecem mais hábeis em viagens espaciais do que nós. Aqui, um cientista move parte do crescimento do biofilme bacteriano em superfícies durante o experimento de voo espacial (GOBSS). Se ao menos as bactérias pudessem falar! Imagem cortesia da NASA Panspermia é a ideia de que formas de vida primitivas poderiam viajar entre planetas e sobreviver à jornada. Para alguns, panspermia representa uma possível origem da vida na Terra, como micróbios de outros planetas poderiam ter chegado aqui e atuado como os antepassados de todas as espécies em desenvolvimento subsequentes. O conceito é muitas vezes ridicularizado como irreal e especulativo, mas vários estudos recentes deram à panspermia mais credibilidade.
Um estudo descobriu que alguns tardígrados , invertebrados microscópicos de oito patas, conseguiram sobreviver após passar 10 dias expostos ao espaço e à radiação solar. Entre vários outros esforços de pesquisa, cientistas descobriram que organismos classificados como bactérias, líquenes e animais invertebrados sobreviveram pelo menos algum tempo no vácuo do espaço. Alguma proteção contra radiação, como estar em uma rocha, parece ajudar os organismos a sobreviver à jornada. Mas onde quer que eles pousem, esses viajantes espaciais precisam de um ambiente que lhes permita viver e crescer.
Então, com essas ideias em mente, é justo dizer que nós, humanos, podemos ser alienígenas? Uma teoria popular de panspermia afirma que a vida terrestre se originou em Marte, que, cerca de 4,5 bilhões de anos atrás, era muito mais hospitaleiro para a vida do que nosso planeta [fonte:Britt]. Além disso, o pesado bombardeio tardio, um período de numerosos impactos de asteróides na Terra e Marte, pode ter trazido vida à Terra cerca de 4 bilhões de anos atrás. Mas se isso for verdade - e muitos cientistas não acham que seja - a vida quase certamente não veio de outros sistemas solares ou estrelas. As distâncias ainda são consideradas grandes demais para que a vida tenha sobrevivido.
Em vez de uma teoria bastante rebuscada como a panspermia, as respostas às nossas origens podem vir através astrobiologia , o estudo da vida em todo o universo. A astrobiologia se baseia fortemente no estudo dos extremófilos por causa da crença de que as formas de vida fora da Terra podem residir em ambientes extremos. Mas a astrobiologia não é apenas uma busca pela vida em outras partes do universo. Também examina questões básicas sobre as origens da vida, ambientes que conduzem à vida, como a vida se desenvolve e os limites do que a vida pode tolerar.
Central para a astrobiologia é a busca pelo ancestral original de todas as coisas vivas na Terra, várias vezes referido como o Último Ancestral Comum Universal (LUCA), o Último Ancestral Comum (LCA) ou o Cenancestor. Os cientistas acreditam que LUCA foi um extremófilo que viveu há mais de 3 bilhões de anos em um ambiente agreste, ambiente anaeróbico. Mesmo assim, os cientistas também estão debatendo o que veio antes disso, voltando no tempo a partir de organismos baseados em DNA (como humanos e LUCA), para aqueles baseados em RNA, finalmente para o Primeiro Organismo Vivo (FLO).
Mas essa busca nos aponta para questões ainda mais básicas:a saber, o que é a vida? (Relacionado a esta ideia, considere:estamos há 10 anos longe da vida artificial? e Estamos procurando por alienígenas nos lugares errados?) A vida é apenas um feixe de aminoácidos? De forma similar, quando, exatamente, a Terra mudou de um mundo químico para um biológico? A vida é algo que pode se replicar? Algo que pode evoluir? Ao investigar essas questões de onde viemos, extremófilos, aqueles sobreviventes estranhos do nosso passado, certamente fará parte do excitante futuro da biologia.
Se você quiser saber mais sobre extremófilos, a busca por vida em outros planetas e outros tópicos relacionados, dê uma olhada nos links da próxima página.
