Por três bilhões de anos ou mais, a evolução da primeira vida animal na Terra estava pronta para acontecer, praticamente esperando nos bastidores. Mas o oxigênio respirável necessário não estava lá, e a falta de nutrientes simples pode ser a culpada.

Então veio uma metamorfose planetária feroz. Aproximadamente 800 milhões de anos atrás, no final do Eon Proterozóico, fósforo, um elemento químico essencial para toda a vida, começou a se acumular em zonas oceânicas rasas perto da costa amplamente considerada o local de nascimento de animais e outros organismos complexos, de acordo com um novo estudo realizado por geocientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade de Yale.

Junto com o acúmulo de fósforo veio uma reação em cadeia química global, que incluía outros nutrientes, que alimentou organismos para bombear oxigênio na atmosfera e nos oceanos. Logo após essa transição, ondas de extremos climáticos varreram o globo, congelá-lo mais de duas vezes por dezenas de milhões de anos a cada vez, uma teoria altamente considerada é válida. A elevada disponibilidade de nutrientes e oxigênio reforçado também provavelmente impulsionou o maior avanço da evolução.

Depois de bilhões de anos, durante o qual a vida consistia quase inteiramente de organismos unicelulares, os animais evoluíram. Inicialmente, eles eram extremamente simples, assemelhando-se às esponjas ou águas-vivas de hoje, mas a Terra estava em vias de ser, por eras, um planeta menos que hospitaleiro para a vida complexa para se tornar um repleto dela.

Verdadeira gênese da terra

Nas últimas centenas de milhões de anos, a biodiversidade floresceu, levando a densas selvas e pastagens ecoando com o canto dos animais, e as águas se contorcendo com cada forma de barbatana e cor de escama. E quase todos os estágios de desenvolvimento deixaram sua marca no registro fóssil.

Os pesquisadores têm o cuidado de não sugerir que o fósforo necessariamente causou a reação em cadeia, mas em rochas sedimentares retiradas de áreas costeiras, o nutriente marcou o local onde essa explosão de vida e as mudanças climáticas decolaram. "O momento é definitivamente notável, "disse Chris Reinhard, professor assistente na Escola de Ciências da Terra e Atmosféricas da Georgia Tech.

Reinhard e Noah Planavsky, um geoquímico da Universidade de Yale, que liderou a pesquisa juntos, extraíram registros de rochas sedimentares que se formaram em antigas zonas costeiras, caindo camada por camada até 3,5 bilhões de anos atrás, para calcular como o ciclo do fósforo fertilizante essencial evoluiu e como ele pareceu desempenhar um papel importante em uma verdadeira gênese.

Eles notaram uma notável congruência à medida que se moviam para cima através das camadas de xisto para o período de tempo em que a vida animal começou, no final do Eon Proterozóico.

"A mudança mais básica foi da disponibilidade muito limitada de fósforo para uma disponibilidade muito maior de fósforo nas águas superficiais do oceano, "Reinhard disse." E a transição parecia ocorrer bem na época em que havia mudanças muito grandes nos níveis de oxigênio da atmosfera do oceano e pouco antes do surgimento dos animais. "

Fósforo na praia

Reinhard e Planavsky, junto com uma equipe internacional, propuseram que a eliminação de nutrientes em um mundo anóxico (quase sem O2) atrofiou os organismos fotossintéticos que, de outra forma, estariam preparados por pelo menos dois bilhões de anos para fazer estoques de oxigênio. Então esse sistema equilibrado foi perturbado e o fósforo oceânico chegou às águas costeiras.

Os cientistas publicaram suas descobertas no jornal Natureza na quarta-feira, 21 de dezembro 2016. Sua pesquisa foi financiada pela National Science Foundation, o Instituto de Astrobiologia da NASA, a Fundação Sloan e a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.

O trabalho fornece uma nova visão sobre quais fatores permitiram à vida remodelar a atmosfera da Terra. Ajuda a estabelecer uma base que os cientistas podem aplicar para fazer previsões sobre o que permitiria à vida alterar a atmosfera dos exoplanetas, e pode inspirar estudos mais profundos, aqui na terra, de como a química oceânica-atmosférica impulsiona a instabilidade climática e influencia a ascensão e queda da vida ao longo dos tempos.

Cianobactéria, a mãe do O2

Coisas vivas complexas, incluindo animais, geralmente têm um metabolismo imenso e requerem bastante O2 para conduzi-lo. A evolução dos animais é impensável sem ele.

O caminho para a compreensão de como a escassez de nutrientes eliminaria a produção de oxigênio respirável leva de volta a um tipo muito especial de bactéria chamada cianobactéria, a mãe do oxigênio na Terra.

"A única razão de termos um planeta bem oxigenado no qual podemos viver é por causa da fotossíntese oxigenada, "Planavsky disse." O2 é o produto residual das células fotossintetizantes, como cianobactérias, combinando CO2 e água para construir açúcares. "

E a fotossíntese é uma singularidade evolutiva, o que significa que só evoluiu uma vez na história da Terra - nas cianobactérias.

Alguns outros fenômenos biológicos evoluíram repetidamente em dezenas ou centenas de incidências não relacionadas ao longo dos tempos, como a transição de organismos unicelulares para organismos multicelulares rudimentares. Mas os cientistas estão confiantes de que a fotossíntese oxigenada evoluiu apenas esta vez na história da Terra, apenas em cianobactérias, e todas as plantas e outros seres da Terra que fotossintetizam cooptaram o desenvolvimento.

A âncora de ferro

Cianobactérias são creditadas por preencher a atmosfera da Terra com O2, e eles existem há 2,5 bilhões de anos ou mais.

Isso levanta a questão:por que demorou tanto? Os nutrientes básicos que alimentaram as bactérias não estavam prontamente disponíveis, o cientista levanta a hipótese. O fósforo, que Planavsky e Reinhard rastrearam especificamente, esteve no oceano por bilhões de anos, também, mas estava amarrado nos lugares errados.

Por eras, o ferro mineral, que uma vez saturou os oceanos, provavelmente ligado ao fósforo, e afundou nas profundezas do oceano escuro, longe daquelas águas rasas - também chamadas de margens continentais - onde as cianobactérias precisariam dele para se desenvolver e produzir oxigênio. Ainda hoje, o ferro é usado para tratar águas poluídas com fertilizantes para remover o fósforo, afundando-o na forma de sedimentos profundos.

Os pesquisadores também usaram um modelo geoquímico para mostrar como um sistema global com alta concentração de ferro e baixa disponibilidade de fósforo combinado com baixa disponibilidade de nitrogênio em águas rasas pode se perpetuar em um mundo de baixo oxigênio.

"Parece ter sido um sistema planetário estável, "Reinhard disse." Mas obviamente não é o planeta em que vivemos agora, então a questão é, como fizemos a transição deste estado de baixo oxigênio para onde estamos agora? "

O que no final das contas causou essa mudança é uma questão para pesquisas futuras.

Pistola de partida de fósforo

Mas algo mudou cerca de 800 milhões de anos atrás, e cianobactérias e outros organismos minúsculos em ecossistemas da margem continental obtiveram mais fósforo, a espinha dorsal do DNA e do RNA, e um ator principal no metabolismo celular. A bactéria se tornou mais ativa, reproduzido mais rapidamente, comeu muito mais fósforo e produziu muito mais O2.

"O fósforo não é apenas essencial para a vida, "Planavsky disse." O que está implícito em tudo isso é:pode controlar a quantidade de vida em nosso planeta. "

Quando a bactéria recém-multiplicada morreu, eles caíram no fundo das águas rasas do oceano, empilhando camada por camada para decompor e enriquecer a lama com fósforo. A lama eventualmente se transformou em pedra.

"À medida que a biomassa aumentou no teor de fósforo, quanto mais pousou em camadas de rocha sedimentar, "Reinhard disse." Para os cientistas, esse xisto são as páginas do livro de história do fundo do mar. "

Os cientistas os folheiam há décadas, compilar dados. Planavsky e Reinhard analisaram cerca de 15, 000 registros de rocha para seu estudo.

"A primeira compilação que tivemos foi de apenas 600 amostras, "Disse Planavsky. Reinhard acrescentou:"Mas você já podia ver. O choque do fósforo foi tão claro quanto o dia. E à medida que o banco de dados crescia, o fenômeno se tornou mais arraigado. "

O primeiro sinal de fósforo nas águas rasas da costa da Terra surge no registro de xisto como um tiro de uma pistola na corrida por vida abundante.