Jardins químicos com hidrogênio e ferro podem ter iniciado a vida na Terra

A ideia de como a vida começou na Terra ainda desafia a imaginação. Nos ecossistemas atuais, os seres vivos estão tão interligados que pouquíssimos organismos conseguem viver diretamente a partir das matérias-primas do planeta - e isso já acontece há muitíssimo tempo.

Mesmo assim, os primeiros organismos num mundo praticamente sem vida teriam de se virar com o que o ambiente mineral oferecia. Havia pouco ou nenhum oxigênio, e a fotossíntese não existia. Como se vê no vídeo abaixo, alguns organismos do mar profundo ainda vivem de maneira semelhante, sustentando-se junto a fontes hidrotermais em profundidades onde a luz do Sol não chega.

Pesquisadores da Alemanha agora recriaram, em um frasco de vidro, um cenário que pode ter sido crucial no início da vida: “jardins químicos” quentes e subaquáticos, ricos em hidrogênio e ferro. Ao simular essas condições primitivas, eles observaram que formas de vida arcaicas que hoje habitam o mar profundo conseguem prosperar nesse tipo de ambiente.

Jardins químicos hidrotermais, hidrogênio e ferro no início da vida

Nas fontes hidrotermais, microrganismos do mar profundo “emprestam” elétrons do hidrogênio que emerge do interior da Terra. Para isso, seguem uma receita metabólica que é ainda mais antiga do que os genes usados para executá-la: a via do acetil-CoA. Trata-se do único método de fixação de carbono - a transformação de carbono inorgânico em compostos orgânicos - que pode ser reproduzido sem enzimas.

Contudo, quando essa “receita” teria sido estabelecida, nos primeiros tempos do planeta, a água do mar tinha muito mais ferro dissolvido do que hoje. Uma equipa liderada pela geoquímica Vanessa Helmbrecht, da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, na Alemanha, quis medir o quanto esse ferro dissolvido poderia ter mudado o cenário, reproduzindo no laboratório as condições dos oceanos antigos.

“"A ocorrência antiga de depósitos hidrotermais ricos em sulfeto de ferro no registo geológico estende-se até o éon Arqueano inicial (4 a 3,6 mil milhões de anos atrás) e exibe características fósseis interpretadas como algumas das assinaturas mais antigas de vida na Terra"”, escreve o grupo no artigo que descreve o experimento.

“"No entanto, as ligações entre a produção abiótica de H₂ [dihidrogênio] em jardins químicos de sulfeto de ferro que simulam sistemas hidrotermais [primordiais] e a vida inicial são escassas."”

Simulação em frasco com Methanocaldococcus jannaschii e a via do acetil-CoA

Para testar o modelo, foi escolhida uma arqueia unicelular, Methanocaldococcus jannaschii. O microrganismo foi recolhido pela primeira vez numa fonte hidrotermal ao largo da costa oeste do México e, recorrendo à via do acetil-CoA, depende principalmente de dióxido de carbono e hidrogênio como fontes de energia.

“"O H₂ abiótico foi um doador de elétrons potencialmente importante e o CO₂ serviu como um aceptor de elétrons fundamental para as primeiras células"”, explica a equipa. “"Organismos anaeróbios que usam a via redutiva do acetil-CoA dependente de H₂ para a fixação de CO₂ são representantes modernos que preservaram vestígios dos primeiros metabolismos."”

No ensaio, os cientistas colocaram M. jannaschii numa versão em miniatura das fontes hidrotermais do mar profundo, organizada dentro de um frasco de vidro. Ao injetar um fluido sulfídrico em água sem oxigênio dissolvido, formou-se um precipitado negro que, em 5 a 10 minutos, cresceu até virar uma estrutura semelhante a uma chaminé.

Sulfeto de ferro, mackinawita, greigita e libertação de H₂

Em temperaturas elevadas, o ferro e o enxofre desse microcosmo deram origem aos minerais de sulfeto de ferro mackinawita (FeS) e greigita (Fe₃S₄). Quando o sulfeto de ferro fica hidratado, há libertação de H₂.

Embora o cenário criado no frasco fosse bem diferente do habitat atual desse microrganismo, M. jannaschii desenvolveu-se muito bem nesse ambiente incomum.

“"No começo, esperávamos apenas um crescimento pequeno, pois não adicionámos quaisquer nutrientes extra, vitaminas ou metais-traço ao experimento"”, diz Helmbrecht. “"Além de superexpressar alguns genes do metabolismo do acetil-CoA, as arqueias na verdade cresceram exponencialmente."”

As células de M. jannaschii tendiam a permanecer bem ao lado das partículas de mackinawita, numa cena que se assemelha a alguns dos vestígios mais antigos de vida identificados em amostras fósseis. Para os cientistas, esses jardins químicos teriam fornecido energia aos primeiros micróbios do planeta.

O resultado sustenta a ideia de que a “receita” do metabolismo do acetil-CoA pode ter surgido em ambientes extremos e com pouca energia - precisamente condições nas quais a vida na Terra pode ter dado os seus primeiros passos.

“"O nosso estudo aponta para jardins químicos de mackinawita e greigita como potenciais incubadoras da vida, ambientes primordiais que poderiam, em teoria, sustentar uma evolução contínua das primeiras células metabolizadoras"”, concluem os autores.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Ecologia & Evolução.