William Blake pode ter visto um mundo em um grão de areia, mas para os cientistas do MIT, a menor de todas as bactérias fotossintéticas contém pistas para a evolução de ecossistemas inteiros, e talvez até mesmo toda a biosfera.

A chave é uma pequena bactéria chamada Prochlorococcus, que é a forma de vida fotossintética mais abundante nos oceanos. Uma nova pesquisa mostra que o metabolismo desta diminuta criatura evoluiu de uma forma que pode ter ajudado a desencadear o surgimento de outros organismos, para formar um ecossistema marinho mais complexo. Sua evolução pode até ter ajudado a impulsionar mudanças globais que tornaram possível o desenvolvimento de organismos mais complexos da Terra.

A pesquisa também sugere que a coevolução de Prochlorococcus e seus co-organismos interdependentes pode ser vista como um microcosmo dos processos metabólicos que ocorrem dentro das células de organismos muito mais complexos.

A nova análise é publicada esta semana na revista. Proceedings of the National Academy of Sciences , em um artigo do pós-doutorado Rogier Braakman, Professor Michael Follows, e o professor do instituto Sallie (Penny) Chisholm, que fez parte da equipe que descobriu este minúsculo organismo e sua influência descomunal.

"Temos todas essas cepas diferentes que foram isoladas de todos os oceanos do mundo, que têm diferentes genomas e diferentes capacidades genéticas, mas eles são todos uma espécie por medidas tradicionais, "Chisholm explica." Portanto, há essa extraordinária diversidade genética dentro desta única espécie que permite que ela domine essas vastas faixas dos oceanos da Terra. "

Porque Prochlorococcus é tão abundante e bem estudado, Braakman diz que era um assunto ideal para tentar descobrir "dentro de toda essa diversidade, como as redes metabólicas mudam? O que impulsiona isso, e quais são as consequências disso? "

Eles encontraram uma grande variação na "rede metabólica da bactéria, "que se refere às formas como os materiais e a energia passam para dentro e para fora do organismo, ao longo de sua filogenia. O fato de que tais mudanças significativas ocorreram ao longo da evolução de Prochlorococcus "diz a você algo bastante dramático, " ele diz, porque esses processos metabólicos são tão fundamentais para a sobrevivência do organismo que "é como o motor do sistema. Imagine tentar mudar o motor do seu carro enquanto você está dirigindo. Não é fácil, então se algo está mudando, está lhe dizendo algo significativo. "

As variações formam uma espécie de estrutura em camadas, com variantes mais ancestrais vivendo mais profundamente na coluna de água e variantes mais recentes vivendo perto da superfície. A equipe descobriu que, como Prochlorococcus começou a viver nas camadas superiores do oceano, onde a luz é abundante, mas a comida é relativamente escassa, desenvolveu uma taxa de metabolismo cada vez mais alta. Ele absorveu mais energia solar e a usou para aumentar a absorção de nutrientes escassos da água - na verdade, criando um aspirador de pó mais poderoso, mas no processo também gerando mais resíduos, Braakman diz.

À medida que as novas variantes aspiravam nutrientes nas camadas superficiais, mais tipos ancestrais tiveram que descer para profundidades maiores, onde os níveis de nutrientes permaneceram mais elevados, em última análise, resultando na estrutura em camadas vista hoje.

Os compostos de carbono que constituem os resíduos de Prochlorococcus, por sua vez, forneceram nutrientes que impulsionaram a evolução de outro tipo de bactéria, conhecido como SAR11, cujos próprios resíduos eram úteis para Prochlorococcus, formando assim um sistema cooperativo que beneficiou ambos os organismos. A reciclagem mútua de resíduos reforça a maximização coletiva da taxa metabólica. "Parece que o sistema está de fato evoluindo para maximizar a produção total" de energia, não apenas de organismos individuais, Braakman diz.

"À medida que otimizam sua capacidade de adquirir nutrientes, as células produzem mais carbono orgânico e acabam promovendo maiores níveis de mutualismo, "Segue acrescenta.

Esse interdependente, relação cooperativa é muito semelhante à relação entre mitocôndrias e cloroplastos, os dois tipos de subunidades que fornecem a energia dentro das células de todas as formas de vida vegetal, Braakman diz. Os cloroplastos coletam energia da luz solar e a usam para formar compostos químicos que transferem energia para as mitocôndrias, que pode, por sua vez, liberar e transferir carbono e energia de volta aos cloroplastos e ao resto da célula - por meio de vias muito semelhantes às usadas por Prochlorococcus e SAR11.

Outras características dos dois sistemas também são muito semelhantes, incluindo seus pigmentos fotossintéticos e como eles lidam com a desintoxicação do peróxido de hidrogênio. Isso sugere que processos evolutivos paralelos produziram o mesmo resultado em ambientes muito diferentes. "As células vegetais realmente se parecem com ecossistemas microbianos microscópicos do oceano, " ele explica.

Em parte por causa desses paralelos, Braakman diz que esta dinâmica pode potencialmente descrever a evolução da biosfera de forma mais geral. Ele sugere que as descrições matemáticas da evolução de Prochlorococcus, que ele e Follows desenvolveram juntos, emergir de princípios básicos de cinética e termodinâmica e, portanto, pode fornecer alguns insights sobre outros sistemas também. "Pode ser um tipo universal de dinâmica, " ele diz.

"Essa estrutura também pode nos ajudar a modelar as interações da vida, luz solar, e a química do oceano na escala do oceano, "Follows diz.

A evolução metabólica do Prochlorococcus pode ter tido um outro efeito importante:por meio de um complexo ciclo geoquímico envolvendo os compostos de carbono que o micróbio produziu e suas interações com o ferro, a bactéria pode ter contribuído para um aumento significativo do oxigênio na atmosfera da Terra cerca de meio bilhão de anos atrás, de níveis muito baixos até níveis quase modernos. Acredita-se que esse grande aumento no oxigênio tenha desencadeado uma rápida explosão de novas espécies, também conhecida como explosão Cambriana, que viu o nascimento da maioria dos principais filos animais.

O que esta análise sugere, ele diz, "é o que parece um processo evolutivo direcional, que está continuamente marchando em uma direção onde está aumentando o fluxo de energia através do sistema. Uma das consequências disso é que o oxigênio acabou subindo na atmosfera, e a complexidade do ecossistema aumentou. "

Muita teoria da evolução enfatiza a competição, Braakman diz, onde "os recursos são limitados e todos nós lutamos por eles. Mas o que essa dinâmica evolutiva está dizendo é que é uma forma de aumentar os recursos de todo o sistema, para que todos fiquem melhor. Aumenta os recursos totais do sistema. "

Este trabalho, Chisholm diz, demonstra que "você realmente tem que pensar sobre a evolução em todas essas escalas, para entender isso. Não se trata apenas de um monte de genes egoístas pulando de um lado para o outro. Se você quiser entender a vida em todas as suas dimensões, você tem que olhar para os genes, mas também até os ecossistemas. Nada disso fará sentido se você não olhar para todas essas escalas. "

A "integração inovadora de filogenia desta equipe, fisiologia, e a genômica abre novos caminhos para a pesquisa sobre a evolução do fitoplâncton, enquanto estimula um novo pensamento sobre a coevolução de longo prazo da Terra e da vida, "diz Andrew Knoll, professor de história natural na Universidade de Harvard, que não estava ligado a esta pesquisa.