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Oscilações de oxigênio: como o estresse diário moldou a evolução da vida na Terra

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Há cerca de 500 milhões de anos, os oceanos eram um ambiente estressante para a vida primitiva na Terra. Durante o dia, a fotossíntese das algas enriquecia a água com oxigênio, mas à noite esse gás essencial se esgotava rapidamente. 

Esse ciclo diário de abundância e escassez representava um grande desafio para os primeiros animais, que precisavam se adaptar para sobreviver.

Um estudo publicado sexta-feira (21) na revista Nature Communications sugere que essas variações bruscas nos níveis de oxigênio foram um fator determinante para a diversificação da vida animal na chamada Explosão Cambriana. 

Segundo a nova abordagem, em vez de uma mudança gradual nos níveis globais de oxigênio, como antes se acreditava, o que teria impulsionado a evolução foi a necessidade de lidar com condições imprevisíveis no ambiente marinho raso.

A explosão cambriana foi um momento muito rápido de incrível diversificação do início da vida. Crédito: Katrina Kenny/Museu de História Natural do Reino Unido

Águas quentes e rasas passaram por flutuações significativas de oxigênio

Cientistas há décadas discutem os gatilhos da Explosão Cambriana, um período de rápida diversificação da vida animal. Muitas teorias apontavam para o aumento do oxigênio atmosférico ao longo de milhões de anos como a principal causa. No entanto, pesquisas recentes questionam essa hipótese e sugerem que as mudanças diárias no nível de oxigênio no fundo do mar tiveram um papel primordial.

Modelos computacionais que simulam as condições da época mostram que as águas rasas e quentes experimentavam oscilações extremas de oxigênio. Durante o dia, a intensa fotossíntese elevava a concentração do gás, criando um ambiente favorável à vida. À noite, no entanto, o consumo de oxigênio pelos microrganismos levava rapidamente à anoxia, tornando o ambiente inóspito.

Para os primeiros animais, esse ciclo de abundância e escassez foi crucial. Aqueles que conseguiam lidar melhor com essas flutuações tinham uma vantagem evolutiva, pois conseguiam explorar melhor os recursos disponíveis. Esse estresse ambiental teria sido um poderoso motor para a evolução, favorecendo organismos mais resistentes e adaptáveis.

Em um artigo publicado no site The Conversation a líder do estudo, Emma Hammarlund, pesquisadora de geobiologia da Universidade de Lund, na Suécia, explica que outro fator que contribuiu para a diversificação da vida no Cambriano foi a fragmentação do supercontinente Rodínia. A separação das massas continentais aumentou a área de plataformas rasas iluminadas pelo Sol, criando novos ecossistemas ricos em nutrientes. Essas regiões passaram a abrigar uma biodiversidade crescente, favorecendo espécies que já estavam adaptadas às oscilações de oxigênio.

Os animais que suportavam esse ambiente instável tinham acesso facilitado a alimentos e podiam se espalhar por diferentes regiões. Esse processo levou ao surgimento de novas estratégias evolutivas e maior diversidade biológica. 

Ilustração de um Anomalocaris canadensis, um dos maiores animais do período Cambriano. Crédito: Rowrow/Ball Apirak – Shutterstock. Edição: Olhar Digital

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Estresse pode ter contribuído com a evolução da vida na Terra

Embora o estresse seja geralmente visto como um obstáculo à sobrevivência, na evolução ele pode desempenhar um papel positivo. Ambientes extremos frequentemente impulsionam a seleção de características especializadas que aumentam as chances de sobrevivência.

Um dos mecanismos-chave para enfrentar a falta de oxigênio no Cambriano pode ter sido o desenvolvimento de um sistema celular chamado HIF-1α (fator 1 induzível por hipóxia). Esse sistema permite que as células detectem e respondam rapidamente às mudanças nos níveis de oxigênio, regulando processos metabólicos e protegendo contra substâncias tóxicas como o sulfeto de hidrogênio.

A presença desse mecanismo em animais modernos sugere que ele surgiu durante a Explosão Cambriana como uma resposta evolutiva às condições desafiadoras da época. Organismos que possuíam essa adaptação teriam uma vantagem competitiva sobre aqueles que não conseguiam lidar com a variação diária do oxigênio.

Como condições extremas favorecem a diversidade

Atualmente, os ecossistemas mais biodiversos, como recifes de corais e florestas tropicais, são caracterizados por intensa competição entre espécies. No entanto, em ambientes extremos, onde a sobrevivência depende da tolerância a condições adversas, outros fatores evolutivos entram em jogo.

No Cambriano, os organismos que melhor resistiam às oscilações ambientais tiveram maior sucesso reprodutivo, passando suas adaptações para as gerações seguintes. Esse processo pode ter sido um dos grandes responsáveis pela rápida diversificação da vida animal nesse período.

O estudo sugere que a evolução não foi apenas influenciada por grandes mudanças geológicas, como o aumento do oxigênio na atmosfera. As pressões ambientais locais, como as oscilações diárias de oxigênio nos mares rasos, podem ter sido igualmente determinantes na origem da complexidade biológica que caracteriza o mundo moderno.

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“Microrraios” em gotas d’água podem ter ajudado a criar a vida na Terra

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Como a vida começou na Terra segue sendo um mistério. Algumas hipóteses sugerem que moléculas orgânicas vieram do espaço, trazidas por cometas. Outras apontam para reações químicas em fontes hidrotermais no fundo do oceano. Agora, uma nova teoria propõe que minúsculas faíscas elétricas em gotas d’água possam ter sido essenciais nesse processo.

Em poucas palavras:

  • A origem da vida na Terra é um mistério, com várias teorias sobre como as moléculas orgânicas surgiram;
  • Pesquisadores dos EUA sugerem que faíscas em gotas d’água, chamadas de microrraios, podem ter sido o estopim;
  • Esses microrraios geram reações químicas, formando moléculas essenciais para a vida, como aminoácidos e RNA;
  • Diferentemente dos raios, microrraios são comuns e ocorrem em escalas muito menores, facilitando as reações químicas.

Pesquisadores da Universidade de Stanford, nos EUA, descobriram que jatos finos de água geram cargas elétricas ao se dispersarem no ar. Essas descargas, chamadas de “microrraios”, podem iniciar reações químicas importantes. Quando as gotas estão cercadas pelos gases certos, os microrraios ajudam a formar moléculas que são a base da vida, como aminoácidos e componentes do RNA.

Estudo aponta que gotículas de água carregam cargas opostas e, quando se juntam, pequenas faíscas saltam entre elas criando reações químicas. Crédito: Creatikon Studio – Shutterstock

Publicada sexta-feira (14) na revista Science Advances, a pesquisa sugere que esse processo pode ter acontecido em cascatas, ondas quebrando e até no interior de fendas rochosas. “Sprays de água estão por toda parte, especialmente ao redor de rochas. Esses espaços podem concentrar os produtos químicos necessários para a vida”, disse o químico Richard Zare, líder do estudo, ao jornal The Guardian.

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Primeira teoria sobre a origem da vida na Terra foi proposta por Darwin

Em 1859, Charles Darwin sugeriu que a vida poderia ter surgido em um “pequeno lago quente”. Mais tarde, cientistas levantaram outras possibilidades, como a formação de moléculas orgânicas em fontes hidrotermais ou o impacto de cometas. Nos anos 1950, o famoso experimento de Miller-Urey mostrou que descargas elétricas, simulando raios, podiam produzir aminoácidos.

No entanto, há críticas sobre o papel dos raios na formação da vida. Eles são relativamente raros e, quando ocorrem, os compostos formados podem se dispersar. Já os microrraios identificados pela equipe de Stanford são comuns em gotas d’água e acontecem em escalas muito menores, de poucos bilionésimos de metro.

Os cientistas testaram o efeito pulverizando água em uma mistura de nitrogênio, metano, dióxido de carbono e amônia, gases presentes na atmosfera da Terra primitiva. O resultado foi a rápida formação de moléculas essenciais, como cianeto de hidrogênio, glicina (um aminoácido) e uracila, um dos blocos de construção do RNA.

Detecção de luminescência por fissão de microgotículas de água. Crédito: Richard N. Zare et. al.

A hipótese chamou a atenção de especialistas na origem da vida. Para Eva Stueeken, da Universidade de St Andrews, o estudo abre novas possibilidades. “Precisamos testar diferentes composições de gases e fluidos para entender melhor esse mecanismo”.

O professor David Deamer, da Universidade da Califórnia, também vê potencial na descoberta. “Os microraios agora entram na lista de fontes de energia que podem ter impulsionado a síntese de moléculas orgânicas na Terra primitiva”.

Se confirmada, essa hipótese pode mudar a forma como entendemos o surgimento da vida, provando que as minúsculas faíscas geradas por gotas d’água teriam sido o gatilho para a química que deu origem aos primeiros organismos do planeta.

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