Pesquisa na Austrália revela que os primeiros eucariotos dependiam de oxigênio no fundo do mar

Antes de existir qualquer coisa que a gente reconheça como “vida complexa” - nada de florestas, peixes ou dinossauros - o planeta era dominado por formas microscópicas. Foi nesse cenário, bem aos poucos, que surgiram os eucariotos: células pequenas, mas com uma organização interna que abriria caminho para plantas, animais e fungos.

Há décadas, cientistas tentam entender onde essas primeiras células viviam nos oceanos antigos. Um novo estudo feito na Austrália indica que elas não estavam boiando perto da superfície, e sim mais próximas do fundo do mar, em áreas onde havia oxigênio disponível.

Earth’s first complex organisms

Por volta de 1,7 bilhão de anos atrás, os oceanos da Terra eram dominados por microrganismos. Entre eles estavam os primeiros eucariotos - organismos que representaram um salto importante na evolução.

Diferentemente das bactérias, as células eucariotas tinham compartimentos internos delimitados por membranas. O DNA ficava protegido dentro de um núcleo, e as mitocôndrias produziam energia no interior da célula. Essas novidades, mais tarde, permitiram que os seres vivos ficassem maiores e mais complexos.

O problema é que fósseis desse período são raros. Os pesquisadores sabiam que os primeiros eucariotos existiram, mas não conseguiam dizer com segurança onde eles viviam nos oceanos antigos.

“Descobrimos que os eucariotos mais antigos que vimos até agora já precisavam de oxigênio de alguma forma”, disse Leigh Anne Riedman, paleontóloga da UC Santa Barbara. “Conseguimos entender que eles viviam sobre ou dentro do fundo do mar pela forma como estavam distribuídos nas amostras.”

Rocks reveal early habitats

Para resolver o mistério, os pesquisadores reuniram várias linhas de evidência de rochas datadas entre 1,75 e 1,4 bilhão de anos atrás.

Eles analisaram fósseis preservados nessas rochas, examinaram os sedimentos ao redor e estudaram assinaturas químicas presas nas camadas.

Os fósseis indicavam quais organismos estavam presentes. Já os sedimentos ajudavam a revelar se a área, no passado, foi uma costa rasa, uma lagoa ou um ambiente mais profundo, afastado da linha costeira.

A geoquímica, por sua vez, mostrou se existia oxigênio perto do fundo do mar naquele momento.

Somadas, essas pistas permitiram reconstruir ecossistemas marinhos de quase 2 bilhões de anos atrás.

When Australia was underwater

A equipe concentrou o estudo nas bacias McArthur e Birrindudu, no atual Território do Norte, na Austrália. Há cerca de 1,7 bilhão de anos, a região estava coberta por um mar interior raso, com planícies de lama, lagoas e águas costeiras calmas.

Os níveis de oxigênio eram extremamente baixos em comparação com os da Terra moderna. O oxigênio atmosférico pode ter sido de apenas 1% do nível atual.

“Não teríamos conseguido respirar”, disse a autora sênior Susannah Porter, do Departamento de Ciências da Terra da UC Santa Barbara.

Os oceanos também eram quimicamente instáveis. Algumas áreas tinham oxigênio, enquanto outras permaneciam totalmente privadas dele.

Oxygen shaped early life

Os pesquisadores observaram um padrão marcante no registro fóssil.

Eucariotos antigos aparecem em diversos ambientes marinhos, de áreas costeiras rasas até regiões offshore mais profundas.

Porém, eles quase não aparecem em sedimentos formados sob águas de fundo sem oxigênio.

Onde havia oxigênio perto do assoalho marinho, os eucariotos persistiam. Onde o oxigênio sumia, os fósseis também desapareciam.

Esse padrão indica com força que esses organismos dependiam de oxigênio para sobreviver.

Early cells needed energy

Hoje, células eucariotas modernas dependem das mitocôndrias para extrair energia a partir do oxigênio. As novas evidências sugerem que até os eucariotos mais antigos conhecidos já possuíam essas estruturas produtoras de energia.

Os próprios fósseis reforçam essa ideia. O tamanho e o formato deles combinam com organismos que provavelmente carregavam mitocôndrias em suas células.

O fundo do mar também pode ter sido o cenário ideal para a evolução das mitocôndrias. Cientistas acreditam que elas começaram como bactérias de vida livre, que depois foram incorporadas por outra célula em uma relação mutuamente benéfica.

Viver perto de comunidades bacterianas teria mantido esses primeiros eucariotos em contato constante com esses organismos.

Organisms avoided surface waters

Uma das maiores surpresas do estudo está relacionada ao local onde essas células realmente viviam.

Se os primeiros eucariotos flutuassem livremente como plâncton perto da superfície do oceano, seus restos deveriam aparecer tanto em sedimentos ricos em oxigênio quanto em sedimentos pobres em oxigênio.

Plâncton morto afunda pela coluna d’água independentemente das condições no fundo. Mas os fósseis não mostraram esse tipo de distribuição.

Em vez disso, eles estavam fortemente associados a águas de fundo oxigenadas. Isso sugere que os organismos viviam sobre ou dentro do assoalho marinho, e não à deriva em mar aberto.

“O que me chama atenção é o quão restritos os eucariotos são nesse período”, disse Porter. “A água de superfície parece um lugar tão óbvio para viver, especialmente se eles precisam de oxigênio; há muito oxigênio na superfície.”

Complex life spread slowly

Durante grande parte do Éon Proterozoico, os eucariotos parecem ter ocupado apenas uma faixa ecológica estreita ao longo de fundos marinhos oxigenados.

Eles não dominaram os oceanos nem se espalharam rapidamente para novos ambientes. Fósseis de 800 milhões de anos atrás muitas vezes se parecem com os de 1,7 bilhão de anos atrás.

A evolução andou devagar porque o ambiente impunha limites rígidos. Grandes porções do oceano profundo continuavam quimicamente hostis, impedindo esses organismos de expandir para novas áreas.

Eukaryotes entered open oceans

Esse padrão mudou mais tarde, durante a Era Neoproterozoica, entre aproximadamente 1 bilhão e 540 milhões de anos atrás.

Nessa fase, os eucariotos começaram a expandir para estilos de vida planctônicos e a colonizar o oceano aberto.

Essa transição pode explicar por que, às vezes, cientistas encontram traços químicos de eucariotos nas rochas mesmo quando fósseis corporais são raros.

Se os eucariotos iniciais viviam principalmente no fundo do mar, suas assinaturas químicas não teriam se espalhado amplamente pelos sedimentos marinhos.

Complex organisms finally emerged

O estudo conta uma história marcada mais por paciência do que por progresso rápido.

Por mais de 1 bilhão de anos, os primeiros organismos complexos da Terra ocuparam um nicho ecológico pequeno. Eles dependiam de oxigênio e permaneceram fortemente ligados ao fundo do mar, enquanto grande parte do oceano seguia inóspita.

A expansão posterior para o oceano aberto transformou a vida para sempre.

Essa mudança abriu espaço para novas interações ecológicas, maior especialização e, por fim, o surgimento de animais, plantas e fungos.

Todo recife de coral, floresta e mamífero vivo hoje tem sua origem naquelas comunidades microscópicas antigas.

Reconstructing ancient ecosystems

“Estudos como este nos dão a oportunidade de entender esses carinhas como organismos”, disse Riedman.

“Em vez de vê-los apenas como um nome ou parte de uma coleção, podemos imaginar onde eles viviam, o que estavam fazendo e quem eram.”

As rochas da Austrália antiga agora ajudam cientistas a enxergar esses mundos perdidos com mais nitidez.

Elas mostram que o surgimento de organismos complexos não foi repentino, e sim uma jornada lenta que se desenrolou em oceanos muito diferentes dos que conhecemos hoje.