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Os humanos há muito são fascinados por organismos que podem produzir luz. Aristóteles, que era cientista e também filósofo, escreveu as primeiras descrições detalhadas do que chamou de “luz fria” há mais de 2.000 anos. Mais recentemente, pesquisadores pioneiros como o veterano do Exército da Segunda Guerra Mundial, Emmett Chappelle, e a piloto de veículos de submersão profunda, Edith Widder, avançaram no estudo desse fenômeno com novas tecnologias.
Pelo menos 94 organismos vivos produzem a sua própria luz através de uma reação química dentro dos seus corpos – uma capacidade chamada bioluminescência. Os exemplos incluem vaga-lumes luminosos, algas que criam baías que “brilham no escuro”, pequenos crustáceos com intrincadas exibições de cortejo e peixes e corais de águas profundas. No entanto, apesar da sua ocorrência generalizada, os cientistas ainda não sabem quando ou onde surgiu pela primeira vez, nem a sua função original.
Como biólogos marinhos especializados em habitats de águas profundas, sabemos que a bioluminescência é particularmente comum no oceano. Isto indica que a produção de luz pode dar aos organismos de toda a árvore da vida uma vantagem de aptidão que melhora as suas hipóteses de sobrevivência.
Nossa pesquisa se concentra nos octocorais – corais de corpo mole, como os leques do mar, que têm formato de árvore e são encontrados em vários lugares dos oceanos do mundo. São um grupo diversificado e antigo de animais que inclui cerca de 3.500 espécies, muitas das quais são bioluminescentes.
Sönke JohnsenCC POR-ND
Os octocorais podem criar jardins de corais e florestas de animais nos oceanos, especialmente no fundo do mar. Estas comunidades fornecem lares e habitats de berçário para muitos outros animais, incluindo peixes e tubarões.
Todos os octocorais usam a mesma reação química para bioluminescência. Um estudo de 2022 determinou as relações evolutivas entre esses corais. Estas conexões genéticas, e o facto de existirem fósseis de octocorais, fazem destes animais um foco ideal para investigar quando a bioluminescência apareceu e como se espalhou ao longo do tempo geológico.
Testes de bioluminescência no mar
Há mais de uma década, começamos a testar a capacidade de bioluminescência de diferentes espécies de octocorais. Para produzir a luz brilhante, os corais devem ser estimulados física ou quimicamente.
A bioluminescência despertou a nossa curiosidade pela primeira vez durante um cruzeiro de pesquisa em 2014 no R/V Celtic Explorer sobre o Whittard Canyon, na costa sudoeste da Irlanda. Estávamos coletando uma amostra de tecido de um coral de bambu coletado do fundo do mar por um veículo operado remotamente.
O veículo possuía braços manipuladores que permitiam ao piloto coletar espécimes de corais e colocá-los em recipientes de amostragem para manter os organismos vivos e protegidos enquanto o veículo subia à superfície. Depois que essa amostra chegou a bordo do navio, usamos uma pinça para retirar um único pólipo de coral em uma sala com pouca iluminação e vimos um flash de luz azul.
Desde então, temos trabalhado com colaboradores do Instituto de Pesquisa do Aquário da Baía de Monterey e da Universidade de Tohoku para registrar quais espécies são capazes de brilhar, seja no navio após a coleta ou enquanto as observamos no fundo do mar usando câmeras com pouca luz. Combinado com registros publicados anteriormente, sabemos agora que a bioluminescência ocorre em aproximadamente 60 espécies de corais. É provável que muitos mais aguardem a descoberta.
Quando e por que surgiu a bioluminescência
Em estudo publicado em abril de 2024, apresentamos o registro mais antigo em tempo geológico de bioluminescência na Terra. Mostrámos que esta reação química evoluiu vários milénios antes da estimativa anterior, por volta da altura em que a vida na Terra se diversificou rapidamente, há mais de 540 milhões de anos, num período denominado Explosão Cambriana. Determinamos isso mapeando a presença de bioluminescência na árvore da vida do octocoral, uma ferramenta gráfica que os biólogos usam para mostrar as relações evolutivas entre as espécies.
Inicialmente, a bioluminescência pode ter evoluído para reduzir os radicais livres – átomos quimicamente instáveis que podem danificar as células. Porém, em algum momento, evoluiu para uma forma de comunicação.
Os nossos resultados indicam que a sinalização luminosa foi a forma mais antiga de comunicação nos oceanos, e sabemos que alguns animais que conseguiam detectar luz evoluíram durante o período Cambriano. Nossa pesquisa indica que as interações envolvendo luz ocorreram entre as espécies durante uma época em que os animais se diversificavam rapidamente e ocupavam novos habitats.
Ganhando e perdendo luz
Continuamos a testar os corais quanto às capacidades bioluminescentes de várias maneiras. Um componente principal envolvido na produção de luz em corais e outros animais é uma enzima chamada luciferase. Usando dados de sequência de DNA, estamos desenvolvendo um teste para o potencial genético de bioluminescência que tornará mais fácil e menos invasivo o estudo dessa característica.
Temos evidências preliminares de que os octocorais não bioluminescentes ainda possuem genes homólogos de luciferase – instruções genéticas que foram transmitidas de um ancestral comum de todos os octocorais. Por que os corais que não conseguem produzir luz retiveram esses genes é um mistério.
Eles produzem luz de nível muito baixo que os cientistas não conseguem detectar com os métodos atuais? Ou os seus genes da luciferase não funcionam? Estudos adicionais podem mostrar porque é que certos octocorais parecem ter perdido a capacidade de bioluminescência e como esta perda pode ter afectado a sua sobrevivência em diferentes habitats.
Nossos resultados recentes mostram que muitos corais que vivem em águas rasas, mas que surgiram de ancestrais de águas profundas, mantiveram a capacidade de bioluminescência. É possível que alguns corais tenham perdido esta capacidade ao longo do tempo, à medida que se tornou menos útil em ambientes oceânicos mais rasos e com mais luz.
Também estamos investigando como a bioluminescência evoluiu em outras criaturas, incluindo camarões que migram de águas profundas para cima para se alimentar durante o dia e retornam para águas profundas à noite. Esses animais são expostos a mudanças nas condições de luz e produzem luz de maneiras múltiplas e únicas.
Como um exemplo notável, alguns camarões vomitam substâncias químicas que produzem luz, criando um vômito luminescente para afastar predadores. Eles também possuem órgãos externos de luz bioluminescente ao longo do corpo que produzem luz azul.
Estudar criaturas como estas melhora a nossa compreensão de como diferentes quantidades de luz no ambiente, incluindo a luz produzida pelos organismos, afetam a evolução da bioluminescência e influenciam a visão dos organismos. Isto pode fornecer informações sobre como a bioluminescência afetou a evolução e a visão ocular há cerca de 540 milhões de anos, quando a vida na Terra estava se diversificando.
O facto de os corais terem sido capazes de produzir luz durante centenas de milhões de anos implica que esta capacidade contribuiu significativamente para a sua sobrevivência. Além disso, as nossas descobertas apoiam a ideia de que a bioluminescência tem sido uma forma crítica de comunicação ao longo do tempo geológico para muitos tipos de animais, particularmente no fundo do mar.
Esta pesquisa gerou novas ideias para nós sobre a evolução e a comunicação dos primeiros animais. A sinalização luminosa deu aos animais uma nova forma de comunicar numa época de rápidas mudanças, em que novos predadores e uma paisagem mais complexa estavam a emergir. O aumento das capacidades sensoriais no oceano poderia ter sido valioso nestas condições. Talvez a bioluminescência seja uma peça que faltava no quebra-cabeça que ainda não recebeu total atenção nos estudos da origem e evolução dos animais no tempo profundo.
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