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Por todo o oceano, bilhões e bilhões de micróbios semelhantes a plantas formam uma floresta flutuante invisível. À medida que flutuam, os minúsculos organismos usam a luz solar para sugar o dióxido de carbono da atmosfera. Coletivamente, esse plâncton fotossintetizante, ou fitoplâncton, absorve quase tanto CO2 quanto as florestas terrestres do mundo. Uma fração mensurável de seu músculo de captura de carbono vem do Prochlorococcus – um flutuador livre de cor esmeralda que é o fitoplâncton mais abundante nos oceanos hoje.
Mas o Prochlorococcus nem sempre habitou águas abertas. Os ancestrais do micróbio provavelmente ficaram mais perto das costas, onde os nutrientes eram abundantes e os organismos sobreviviam em tapetes microbianos comunais no fundo do mar. Como, então, os descendentes desses habitantes costeiros acabaram se tornando as potências fotossintetizantes dos oceanos abertos hoje?
Os cientistas do MIT acreditam que o rafting foi a chave. Em um novo estudo, eles propõem que os ancestrais do Prochlorococcus adquiriram a capacidade de se prender à quitina – as partículas degradadas de exoesqueletos antigos. Os micróbios pegaram carona em flocos que passavam, usando as partículas como jangadas para se aventurar mais longe no mar. Essas jangadas de quitina também podem ter fornecido nutrientes essenciais, alimentando e sustentando os micróbios ao longo de sua jornada.
Assim fortalecidas, gerações de micróbios podem ter tido a oportunidade de desenvolver novas habilidades para se adaptar ao oceano aberto. Eventualmente, eles teriam evoluído a um ponto em que poderiam abandonar o navio e sobreviver como os habitantes flutuantes do oceano que vivem hoje.
“Se o Prochlorococcus e outros organismos fotossintéticos não tivessem colonizado o oceano, estaríamos olhando para um planeta muito diferente”, diz Rogier Braakman, pesquisador do Departamento de Ciências da Terra, Atmosféricas e Planetárias (EAPS) do MIT. “Foi o fato de que eles foram capazes de se conectar a essas jangadas de quitina que lhes permitiu estabelecer uma posição em uma parte inteiramente nova e massiva da biosfera do planeta, de uma forma que mudou a Terra para sempre.”
Braakman e seus colaboradores apresentam sua nova hipótese de “jangada de quitina”, juntamente com experimentos e análises genéticas que apóiam a ideia, em um estudo publicado esta semana na PNAS.
Os co-autores do MIT são Giovanna Capovilla, Greg Fournier, Julia Schwartzman, Xinda Lu, Alexis Yelton, Elaina Thomas, Jack Payette, Kurt Castro, Otto Cordero e a professora Sallie (Penny) Chisholm do MIT Institute, juntamente com colegas de várias instituições, incluindo o Woods Hole Oceanographic Institution.
um gene estranho
Prochlorococcus é um dos dois principais grupos pertencentes a uma classe conhecida como picocyanobacteria, que são os menores organismos fotossintetizantes do planeta. O outro grupo é o Synechococcus, um micróbio intimamente relacionado que pode ser encontrado abundantemente nos oceanos e sistemas de água doce. Ambos os organismos vivem da fotossíntese.
Mas acontece que algumas cepas de Prochlorococcus podem adotar estilos de vida alternativos, particularmente em regiões pouco iluminadas onde a fotossíntese é difícil de manter. Esses micróbios são “mixotróficos”, usando uma mistura de outras estratégias de captura de carbono para crescer.
Os pesquisadores do laboratório de Chisholm estavam procurando por sinais de mixotrofia quando se depararam com um gene comum em várias cepas modernas de Prochlorococcus. O gene codificava a capacidade de quebrar a quitina, um material rico em carbono que vem das cascas descamadas de artrópodes, como insetos e crustáceos.
“Isso foi muito estranho”, diz Capovilla, que decidiu aprofundar a descoberta quando ingressou no laboratório como pós-doutora.
Para o novo estudo, Capovilla realizou experimentos para ver se o Prochlorococcus pode de fato quebrar a quitina de maneira útil. Trabalhos anteriores no laboratório mostraram que o gene de degradação da quitina apareceu em cepas de Prochlorococcus que vivem em condições de pouca luz e em Synechococcus. O gene estava faltando em Prochlorococcus que habita regiões mais iluminadas pelo sol.
No laboratório, Capovilla introduziu partículas de quitina em amostras de cepas de baixa e alta luminosidade. Ela descobriu que os micróbios contendo o gene podem degradar a quitina e, destes, apenas Prochlorococcus adaptados à luz fraca pareciam se beneficiar dessa quebra, pois pareciam também crescer mais rápido como resultado. Os micróbios também podem aderir a flocos de quitina – um resultado que interessou particularmente Braakman, que estuda a evolução dos processos metabólicos e as formas como eles moldaram a ecologia da Terra.
“As pessoas sempre me perguntam: como esses micróbios colonizaram o oceano primitivo?” ele diz. “E enquanto Gio fazia esses experimentos, houve um momento ‘aha’.”
Braakman se perguntou: esse gene poderia estar presente nos ancestrais do Prochlorococcus, de uma maneira que permitisse que os micróbios costeiros se ligassem e se alimentassem de quitina e levassem os flocos para o mar?
Está tudo no tempo
Para testar essa nova hipótese da “jangada de quitina”, a equipe procurou Fournier, especialista em rastrear genes de espécies de micróbios ao longo da história. Em 2019, o laboratório de Fournier estabeleceu uma árvore evolutiva para os micróbios que exibem o gene de degradação da quitina. A partir dessa árvore, eles notaram uma tendência: os micróbios começam a usar quitina somente depois que os artrópodes se tornam abundantes em um determinado ecossistema.
Para que a hipótese da jangada de quitina se sustentasse, o gene teria que estar presente nos ancestrais do Prochlorococcus logo após os artrópodes começarem a colonizar ambientes marinhos.
A equipe analisou o registro fóssil e descobriu que as espécies aquáticas de artrópodes se tornaram abundantes no início do Paleozóico, cerca de meio bilhão de anos atrás. De acordo com a árvore evolutiva de Fournier, isso também ocorre na época em que o gene degradador de quitina aparece em ancestrais comuns de Prochlorococcus e Synecocchus.
“O timing é bastante sólido”, diz Fournier. “Os sistemas marinhos foram inundados com esse novo tipo de carbono orgânico na forma de quitina, assim como os genes para usar esse carbono se espalharam por todos os diferentes tipos de micróbios. E o movimento dessas partículas de quitina de repente abriu a oportunidade para os micróbios realmente chegar ao oceano aberto.”
A aparência da quitina pode ter sido especialmente benéfica para os micróbios que vivem em condições de pouca luz, como ao longo do fundo do mar costeiro, onde se acredita que antigas picocianobactérias viveram. Para esses micróbios, a quitina teria sido uma fonte de energia muito necessária, bem como uma saída de seu nicho costeiro comunal.
Braakman diz que, uma vez no mar, os micróbios do rafting eram resistentes o suficiente para desenvolver outras adaptações oceânicas. Milhões de anos depois, os organismos estavam prontos para “dar o mergulho” e evoluir para o Prochlorococcus flutuante e fotossintetizante que existe hoje.
“No final, trata-se de ecossistemas evoluindo juntos”, diz Braakman. “Com essas jangadas de quitina, tanto os artrópodes quanto as cianobactérias foram capazes de se expandir para o mar aberto. Em última análise, isso ajudou a semear o surgimento dos ecossistemas marinhos modernos.”
Esta pesquisa foi apoiada pela Simons Foundation, pela EMBO Long-Term Fellowship e pelo Human Frontier Science Program. Este artigo é uma contribuição da Simons Collaboration on Ocean Processes and Ecology (SCOPE).
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