Um lago em camadas é um pouco como os primeiros oceanos da Terra – e permite aos investigadores explorar como o oxigénio se acumulou na nossa atmosfera há milhares de milhões de anos.

Little Deming Lake não recebe muita atenção dos visitantes do Itasca State Park, em Minnesota. Há melhores passeios de barco nas proximidades do Lago Itasca, nas cabeceiras do Rio Mississippi. Meus colegas e eu precisamos manobrar centenas de quilos de equipamentos por um caminho escondido estreitado pela hera venenosa do final do verão para lançar nossos barcos a remo.

Mas o modesto Lago Deming oferece mais do que aparenta para mim, um geoquímico interessado em como o oxigénio se acumulou na atmosfera há 2,4 mil milhões de anos. A ausência de oxigênio nas camadas profundas do Lago Deming é algo que este pequeno corpo de água tem em comum com os primeiros oceanos da Terra.

Em cada uma de nossas diversas expedições aqui todos os anos, remamos nossos barcos até a parte mais profunda do lago – mais de 18 metros (60 pés), apesar da área de superfície do lago ser de apenas 13 acres. Lançamos âncora e conectamos nossos barcos em uma flotilha, nos preparando para o trabalho que temos pela frente.

O Lago Deming é meromítico, um termo do grego que significa mistura apenas parcialmente. Na maioria dos lagos, pelo menos uma vez por ano, a água no topo afunda enquanto a água no fundo sobe devido ao vento e às mudanças sazonais de temperatura que afetam a densidade da água. Mas as águas mais profundas do Lago Deming nunca chegam à superfície. Isso evita que o oxigênio na camada superior da água se misture com a camada profunda.

Menos de 1% dos lagos são meromíticos e a maioria deles tem águas de fundo densas e salgadas. As águas profundas do Lago Deming não são muito salgadas, mas dos sais nas águas inferiores, o ferro é um dos mais abundantes. Isso torna o Lago Deming um dos tipos mais raros de lagos meromíticos.

A superfície do lago está calma e o ar parado é glorioso nesta manhã fresca e sem nuvens de agosto. Baixamos uma bomba d’água de 60 centímetros de comprimento amarrada a um cabo conectado a quatro sensores. Os sensores medem a temperatura, quantidade de oxigênio, pH e quantidade de clorofila na água em cada camada que encontramos. Bombeamos água das camadas mais intrigantes até o barco e enchemos uma infinidade de garrafas e tubos, cada um destinado a uma análise química ou biológica diferente.

Os meus colegas e eu estivemos no Lago Deming para explorar questões sobre como a vida microbiana se adaptou e mudou as condições ambientais na Terra primitiva. Nosso planeta foi habitado apenas por micróbios durante a maior parte de sua história. A atmosfera e as profundezas dos oceanos não tinham muito oxigênio, mas tinham muito ferro, assim como o Lago Deming. Ao investigar o que os micróbios do Lago Deming estão a fazer, podemos compreender melhor como há milhares de milhões de anos ajudaram a transformar a atmosfera e os oceanos da Terra no que são agora.

Camada por camada, no lago

Há dois mil milhões e meio de anos, as águas oceânicas tinham ferro suficiente para formar os atuais depósitos de ferro enferrujado, distribuídos globalmente, chamados formações ferríferas em faixas, que fornecem ferro para a moderna indústria siderúrgica global. Hoje em dia, os oceanos têm apenas vestígios de ferro, mas oxigênio abundante. Na maioria das águas, o ferro e o oxigênio são antitéticos. As rápidas reações químicas e biológicas entre o ferro e o oxigênio significam que você não pode ter muito de um enquanto o outro estiver presente.

O aumento do oxigênio na atmosfera primitiva e no oceano foi devido às cianobactérias. Estes organismos unicelulares surgiram há pelo menos 2,5 mil milhões de anos. Mas foram necessários cerca de 2 mil milhões de anos para que o oxigénio que produzem através da fotossíntese atingisse níveis que permitissem o aparecimento dos primeiros animais na Terra.

No Lago Deming, meus colegas e eu prestamos atenção especial à camada de água onde saltam as leituras de clorofila. A clorofila é o pigmento que torna as plantas verdes. Ele aproveita a energia da luz solar para transformar água e dióxido de carbono em oxigênio e açúcares. Quase 6 metros abaixo da superfície de Deming, a clorofila está nas cianobactérias e nas algas fotossintéticas, não nas plantas.

Mas o curioso desta camada é que não detectamos oxigénio, apesar da abundância destes organismos produtores de oxigénio. Esta é a profundidade onde as concentrações de ferro começam a subir para os elevados níveis presentes no fundo do lago.

Esta camada com alto teor de clorofila, alto teor de ferro e baixo teor de oxigênio é de especial interesse para nós porque pode nos ajudar a entender onde as cianobactérias viviam no oceano antigo, quão bem elas cresciam e quanto oxigênio produziam.

Suspeitamos que a razão pela qual as cianobactérias se reúnem nesta profundidade no Lago Deming é que há mais ferro lá do que no topo do lago. Assim como os humanos precisam de ferro para os glóbulos vermelhos, as cianobactérias precisam de muito ferro para ajudar a catalisar as reações da fotossíntese.

Uma razão provável pela qual não podemos medir nenhum oxigênio nesta camada é que, além das cianobactérias, existem muitas outras bactérias aqui. Depois de uma vida longa de alguns dias, as cianobactérias morrem e as outras bactérias se alimentam de seus restos mortais. Essas bactérias consomem rapidamente qualquer oxigênio produzido pelas cianobactérias ainda fotossintetizantes, da mesma forma que o fogo faz ao queimar a madeira.

Sabemos que há muitas bactérias aqui com base na turvação da água, e as vemos quando inspecionamos uma gota dessa água ao microscópio. Mas precisamos de outra forma de medir a fotossíntese além de medir os níveis de oxigênio.

Laboratório antigo à beira do lago

A outra função importante da fotossíntese é a conversão do dióxido de carbono em açúcares, que eventualmente são usados ​​para produzir mais células. Precisamos de uma maneira de rastrear se novos açúcares estão sendo produzidos e, se estiverem, se é por cianobactérias fotossintéticas. Então enchemos garrafas de vidro com amostras de água dessa camada do lago e as fechamos com rolhas de borracha.

Dirigimos os 3 milhas de volta à Estação Biológica e Laboratórios de Itasca, onde montaremos nossos experimentos. A estação foi inaugurada em 1909 e é nossa base esta semana, oferecendo cabines confortáveis, refeições quentes e esse espaço de laboratório.

No laboratório, injetamos em nossa garrafa de vidro dióxido de carbono que carrega um traçador isotópico. Se as cianobactérias crescerem, suas células incorporarão esse marcador isotópico.

Tivemos uma ajudinha para formular nossas perguntas e experimentos. Estudantes da Universidade de Minnesota que frequentaram cursos de campo de verão coletaram dados de décadas no Parque Estadual de Itasca. Um diligente bibliotecário universitário digitalizou milhares de trabalhos finais desses alunos.

Meus alunos e eu nos debruçamos sobre os artigos relativos ao Lago Deming, muitos dos quais tentavam determinar se as cianobactérias na camada rica em clorofila estão realizando fotossíntese. Embora a maioria tenha indicado que sim, esses estudantes mediram apenas oxigênio e obtiveram resultados ambíguos. Nosso uso do traçador isotópico é mais complicado de implementar, mas fornecerá resultados mais claros.

Naquela tarde, estamos de volta ao lago. Lançamos uma âncora; preso à corda está um saco plástico transparente contendo as garrafas seladas de água do lago, agora corrigidas com o traçador isotópico. Eles passarão a noite na camada rica em clorofila e nós os recuperaremos após 24 horas. Mais do que isso, o rótulo isotópico pode acabar nas bactérias que comem as cianobactérias moribundas, em vez das próprias cianobactérias. Amarramos a corda a uma bóia flutuante e voltamos ao refeitório da estação para o jantar.

Ferro, clorofila, oxigênio

Na manhã seguinte, enquanto esperamos que as garrafas terminem a incubação, recolhemos água das diferentes camadas do lago e adicionamos alguns produtos químicos que matam as células, mas preservam os seus corpos. Examinaremos essas amostras ao microscópio para descobrir quantas cianobactérias existem na água e mediremos quanto ferro existe dentro das cianobactérias.

É mais fácil falar do que fazer, porque primeiro temos que separar todas as “agulhas” (cianobactérias) do “feno” (outras células) e depois limpar qualquer ferro da parte externa das cianobactérias. De volta à Universidade Estadual de Iowa, atiraremos as células individuais, uma por uma, em uma chama que as incinerará, liberando todo o ferro que elas contêm para que possamos medi-lo.

Nosso palpite científico, ou hipótese, é que as cianobactérias que vivem na camada rica em clorofila e ferro conterão mais ferro do que as cianobactérias que vivem na camada superior do lago. Se o fizerem, ajudar-nos-á a estabelecer que um maior acesso ao ferro é um motivo para vivermos nessa camada mais profunda e mais escura.

Estas experiências não contarão toda a história da razão pela qual a Terra demorou tanto tempo a acumular oxigénio, mas ajudar-nos-ão a compreender uma parte disso – onde o oxigénio pode ter sido produzido e porquê, e o que aconteceu ao oxigénio naquela região. ambiente.

O Lago Deming está rapidamente a tornar-se a sua própria atracção para aqueles que têm curiosidade sobre o que se passa sob a sua superfície tranquila – e o que isso poderá nos dizer sobre como novas formas de vida se estabeleceram há muito tempo na Terra.