FITOPLÂNCTON É REPROVADO EM TESTE DE EFICIÊNCIA NA FOTOSSÍNTESE. (Comentado)

Fonte de alimento do oceano converte luz solar em calor mais do que o combustível celular.

Pesquisadores luz vermelha utilizada a luz vermelha emitida pelo fitoplâncton para acompanhar o quão eficiente os organismos estão na fotossíntese. Hanzhi LIN

Luz Vermelha – Pesquisadores utilizam a luz vermelha emitida pelo fitoplâncton para acompanhar o quão eficiente os organismos são na fotossíntese. Hanzhi Lin

O fitoplâncton que recebe a luz solar em oceanos do mundo produz mais calor do que alimento, segundo um novo estudo.

Os organismos marinhos microscópicos, que servem como uma importante fonte alimentar no oceano, usam a fotossíntese para transformar luz solar em combustível celular. Mas quase o dobro da energia solar capturada pelo fitoplâncton no oceano é liberada na forma de calor do e é utilizada para produzir alimento, os pesquisadores publicaram seus dados na revista Science. A descoberta sugere que fitoplânctons não fotossintetizam tão eficientes quanto os pesquisadores tinham pensado.

“A eficiência fotossintética do fitoplâncton global é muito baixa, surpreendentemente baixa”, diz o co-autor do estudo Paul Falkowski, um biofísico oceanográfica da Universidade Rutgers em New Brunswick, NJ “Foi um choque completo para nós”.

Quando o fitoplâncton se apoderou da luz solar, um subproduto foi fluorescência. Os satélites sintonizados para detectar a luz vermelha fluorescente reuniram dados sobre a fotossíntese do fitoplâncton do oceano. Mas os satélites não podem ver através das nuvens, e o pouco da luz vermelha que captam vem de partículas na atmosfera da Terra.

Então Falkowski e sua equipe desenvolveram um instrumento altamente sensível para a fluorescência vermelha de fitoplâncton que pode ser implantado em navios oceânicos de investigação. Os cientistas reuniram medições fluorescentes mais de 150 mil fitoplânctons em cruzeiros no Atlântico, Pacífico, Ártico e os oceanos do Sul entre 2008 e 2014. A partir dos dados, a equipe calculou quanta luz solar foi direcionada para a produção de combustível celular em comparação com o quanto foi perdido na forma de calor ou fluorescência.

Enquanto 35% da luz absorvida foi usada para produzir o alimento e estimular o crescimento de fitoplâncton, cerca de 60% da luz foi convertida em calor.

“Isso é uma grande quantidade de luz absorvida pelo fitoplâncton no oceano que está apenas sendo reemitida na forma de calor”, diz Thomas Browning, biogeoquímico marinho da Helmholtz Centro GEOMAR para Ocean Research em Kiel, na Alemanha, que não esteve envolvido no estudo. Ele o chamou o resultado de “um novo achado”.

Em estudos de laboratório com condições favoráveis de nutrientes incentivando o crescimento do fitoplâncton, a equipe observou o resultado oposto: Cerca de 65% da luz absorvida foi usada para fazer combustível celular, enquanto que menos de 35% foi perdida na forma de calor.

A equipe culpa a fotossíntese ineficiente do fitoplâncton no oceano em águas pobres em nutrientes, que cobrem 30% dos oceanos do mundo. Sem nutrientes suficientes, as estruturas de fotossíntese em fitoplâncton não funcionam corretamente e se esforçam para converter eficientemente a luz solar em energia utilizável.

O estudo ilustra a necessidade de instrumentos que monitoram mudanças do fitoplâncton no futuro, diz Browning. “Queremos saber como a sua atividade e distribuição estão mudando ao longo do tempo”.

Fonte: Science News

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Comentários internos

A fotossíntese é um processo bioquímico realizado por bactérias fotossintetizantes e plantas que usam a luz do sol para a produção de energia. A fotossíntese realizada pelas bactérias é diferente em muitos aspectos aquela realizada pelas plantas. De modo geral, a produção de glicose pela fotossíntese dos eucariotos e cianobactérias segue uma equação simples:

6CO2 + 12H2O — C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Tal equação simplesmente expressa que a presença de luz sob a clorofila, junto ao gás carbônico e a água, que são convertidos em um açúcar (a glicose) e a produção de liberação de oxigênio e água.

O oxigênio liberado pelo processo fotossintético dos eucariontes e pelas cianobactérias provém da água, e não do gás carbônico, como acreditava-se antigamente. De fato, o primeiro pesquisador a propor isso foi Cornelius Van Niel, na década de 1930, quando estudava o processo em bactérias. Ele verificou que as bactérias vermelhas sulfurosas (bactérias púrpuras) realizavam uma forma diferenciada de fotossíntese que não havia necessidade de água e não havia produção de oxigênio. Tais bactérias usavam o gás carbônico e sulfeto de hidrogênio (H2S) para produzir carboidrato e enxofre. Assim, Van Niel estabeleceu uma regra geral da fotossíntese dessas bactérias:

6CO2+ 2H2S — CH2O + H2O + 2S

E a partir da compreensão destes fenômenos bioquímicos o pesquisador estabeleceu uma equação geral da fotossíntese:

6CO2+ 2H2A — CH2O + H2O + 2A

Nela, o H2A pode ser a água (H2O) ou, o sulfeto de hidrogênio (H2S) e traz como evidência que, se o processo ocorrer com uso da água, esta é a fonte de oxigênio na fotossíntese. Ou seja, é desta água, decomposta por fotólise, que o oxigênio é produzido.

Essa interpretação foi confirmada posteriormente, na década de 1940 quando experimentos em que se fornecia água às plantas tinha como marca um oxigênio cuja massa era 18 (O18, isótopo pesado do oxigênio) em vez de 16 (O16), como é o esperado o oxigênio da água comum. Eles verificaram que o oxigênio liberado pela fotossíntese era o O18, corroborando a interpretação de Van Niel (SoBiologia).

Assim, as bactérias que realizam uma forma mais simples de fotossíntese não produzem necessariamente oxigênio, e esta foi a versão que evoluiu em primeiro lugar na evolução do processo.

De fato, um novo estudo sugere que esta forma mais primitiva de fotossíntese evoluiu em bactérias em um momento muito mais antigo do que os cientistas imaginavam anteriormente, a cerca de 3,5 bilhões de anos atrás.

O processo fotossintético sustenta a vida na Terra pela liberação de oxigênio na atmosfera e fornece energia para as cadeias alimentares. O aumento da fotossíntese produtora de oxigênio permitiu a evolução de formas de vida complexas, como animais e plantas terrestres em torno de 2,4 bilhões de anos atrás.

O primeiro tipo de fotossíntese que evoluiu não produzia oxigênio. Ele surgiu pela primeira vez em torno de 3,5 e 3,8 bilhões de anos atrás, e até recentemente, os cientistas acreditavam que um dos grupos de bactérias, ainda vivas hoje, usava esse tipo de fotossíntese primitiva, e foram os primeiros a desenvolver tal habilidade.

Mas a nova pesquisa revela que uma das mais antigas bactérias, que, provavelmente, não existe hoje, foi a primeira a evoluir a forma mais simples de fotossíntese, e que esta era um ancestral para a maioria das bactérias vivas hoje.

Um novo cenário emergente está começando a surgir e considera que durante a primeira metade da história da Terra, a maioria das formas de vida provavelmente eram capazes de fotossintetizar. O autor desta tese, o Dr. Tanai Cardona, do Departamento de Ciências da Vida do Imperial College London defende que a forma mais primitiva da fotossíntese é conhecida como fotossíntese anoxigênica, e utiliza moléculas, como o hidrogênio, sulfureto de hidrogênio, ou de ferro como combustível em vez de água. Como descobriu Cornelius Van Niel, na década de 1930.

Como de praxe, os cientistas tinham assumido que um dos grupos de bactérias que ainda usam fotossíntese anoxigênica hoje evoluiu tal competência e, em seguida, passou para outras bactérias a partir da transferência horizontal de genes – processo de doação de todo um conjunto de genes. Neste caso, genes exigidos no processo fotossintético, para os organismos não-relacionados.

O que Dr. Cardona criou é uma árvore evolutiva para as bactérias, analisando a história de uma proteína essencial para a fotossíntese anoxigênica. A partir disto, ele foi capaz de descobrir uma origem muito mais antiga para a fotossíntese. Assim, em vez de um grupo de bactérias evoluir a capacidade e transferi-lo para os outros, a análise do Dr. Cardona revela que a fotossíntese anoxigênica evoluiu antes da maioria dos grupos de bactérias atualmente vivas e ramificou-se diversificando-se. Os resultados foram publicados na revista PLoS ONE.

Praticamente todos os grupos de bactérias fotossintéticas que conhecemos atualmente são sugeridos como os primeiros inovadores da fotossíntese. Isso significa que todos esses grupos de bactérias teriam que ter ramificado-se uns com os outros antes da fotossíntese anoxigênica evoluir a cerca de 3,5 bilhões de anos atrás. A nova tese tem demonstrado que a fotossíntese anoxigênica antecede a diversificação de bactérias em grupos modernos. A evolução da fotossíntese oxigênica levou à extinção muitos grupos de bactérias fotossintetizantes anoxigênicas provocando a diversificação dos grupos modernos.

Para determinar a origem da fotossíntese anoxigênica, Dr. Cardona rastreou a evolução da proteína BCHF, que é chave na biossíntese de uma bacterioclorofila, o principal pigmento empregado na fotossíntese anoxigênica. A característica especial de tal proteína é que ela é encontrada exclusivamente em bactérias fotossintéticas anoxigênicas e sem que uma bacterioclorofila possa ser feita. Ao comparar as sequências de proteínas e reconstruir uma árvore evolutiva para BCHF, ele descobriu que ela se originou antes dos grupos de bactérias atualmente vivos.

Portanto, em síntese: a maioria dos pesquisadores concorda que a oxigenação da atmosfera da Terra aconteceu em duas etapas principais: a primeira durante a chamada Grande Oxidação do evento cerca de 2,5 ou 2,4 bilhões de anos atrás (agora estendida a 3,5 ou 3,8 bilhões de anos), e o segundo durante a Era do Neoproterozóico tardio, a cerca de 750 a 540 milhões de anos atrás.

Para a tese da Grande Oxigenação, há evidências indicando que a produção do oxigênio tenha começado a cerca de 3,5 bilhões de anos atrás, com as algas azuis. Por um longo período, no entanto, o oxigênio liberado por essas algas mal alcançava a atmosfera por interagir rapidamente com o ferro de origem vulcânica dissolvido no mar, originando as grandes formações ferríferas que hoje se encontram nos continentes e abastecem as mineradoras e a indústria siderúrgica. Após o período inicial de produção de oxigênio, que durou quase 1 bilhão de anos, o processo de transformação da atmosfera pode ter sido bem rápido, entre 100 e 200 milhões de anos, ela já apresentaria grandes quantidades de oxigênio. (Revista Pesquisa-FAPESP, 2011).

Além disto, um estudo indicou evidências da presença de pequenas concentrações de oxigênio na Terra á 3,8 mil milhões de anos atrás. Os pesquisadores analisaram essa antigas “bandas” de ferro da Groenlândia Ocidental. Tais bandas de ferro em sedimentos marinhos químicos originalmente compostos por camadas alternadas de sílica e Fe-hidróxidos e são amplamente utilizadas como arquivos geoquímicos. A equipe de investigação utilizou concentrações e composições de isótopos, isto é, variações dos mesmos elementos com diferentes pesos atômicos, dos elementos de cromo (Cr) e urânio (U) presente nas formações de ferro. Cromo e urânio foram usados como elementos meteorológicos rapidamente quando massas continentais estão expostas a espécies reativas de oxigênio (ROS), tais como oxigênio (O2). Depois do intemperismo, eles são transportados para os oceanos por rios, onde são depositados em forma de sedimentos químicos e servem como sinais geoquímicos de intemperismo por ROS. O fato é que as análises das camadas de elementos de ferro da Groenlândia Ocidental mostram que a presença de oxigênio na atmosfera abre a possibilidade da evolução das primeiras formas de vida primitivas fotossintéticas tão cedo quanto 3,8 bilhões de anos atrás. Veremos mais sobre isto.

O Grande evento de Oxigenação.

O evento da Grande oxigenação caracteriza-se pelo aparecimento do oxigênio livre na atmosfera da Terra sendo resultado de fatores bióticos há 2,4 bilhões de anos atrás, no início do Proterozóico, durante o Pré-Cambriano (Pinti, 2009).

A presença do oxigênio na atmosfera conferiu um grande impacto para uma parcela significativa da biodiversidade da Terra, constituída principalmente por seres unicelulares e procariontes. Acredita-se que as cianobactérias, ou algas azuis, sejam as responsáveis por este evento e ter causado uma das maiores extinções em massa na história da Terra (Rasmussen, 2008).

É provável que a fotossíntese ocorria antes do evento, mas as rochas capturavam quimicamente o oxigênio livre, que até então estava dissolvido no oceano. O evento de oxigenação então começa quando os minerais das rochas tornaram-se saturados e não podiam capturar mais oxigênio. Isto significa que durante um longo tempo, a composição do ar permaneceu quase a mesma porque o oxigênio (que é altamente reativo) reagia rapidamente com outras substâncias presentes no mar, oxidando-as. Isto ocorria principalmente com o ferro das rochas que se encontrava dissolvido na água. Assim, ele precipitava o ferro oxidado, depositando-o no leito oceânico, e quase nenhum oxigênio sobrava para a atmosfera (Revista Pesquisa-FAPESP, 2011). Assim, devido o excesso de oxigênio livre foi passando para a atmosfera trouxe alterações significativas na composição da mesma. Ao mesmo tempo, o oxigênio reagiu com o metano atmosférico que atuava como gás de efeito de estufa, reduzindo a sua concentração, induzindo uma das mais longas e severas eras glaciares da história da Terra, que durou 300 milhões de anos. A quantidade de oxigênio na atmosfera tem oscilado desde então, atingindo um pico de 32,5% no Carbonífero, estando atualmente em 21%.

Nas formações ferríferas espalhadas pelo mundo, da Universidade de Alberta, no Canadá, encontraram evidências da transição da atmosfera antiga para a nova, ou seja, do evento de oxigenação: com um acúmulo de oxigênio no ar que teria começado a 2,48 bilhões de anos atrás.

Uma forma de medir isto é a partir do elemento químico cromo e de seus isótopos em formações ferríferas. A cerca de 2,5 bilhões de anos atrás grandes quantidades de cromo foram extraídas dessas rochas e transportadas do continente para o oceano por águas superficiais extremamente ácidas, contendo ácido sulfúrico produzido a partir da decomposição da pirita (sulfeto de ferro). Como essas reações nas rochas são explicadas principalmente pela presença de bactérias aeróbicas acidofílicas. Estas bactérias fazem uso do oxigênio do ar para viver e são capazes de sobreviver em ambientes ácidos, então, isto indica que o oxigênio já se fazia presente e havia se acumulado na atmosfera do planeta (Revista Pesquisa-FAPESP, 2011).

Oxigênio Neoproterozóico

Outro ponto importante da história da Terra em que o oxigênio é protagonista envolve a fauna do Cambriano, esta é a Era do Neoproterozóico tardio, a cerca de 750 a 540 milhões de anos atrás.

Um estudo publicado na revista Nature em 2015 buscou estudar as três grandes glaciações “Terra bola de neve” que ocorreram respectivamente nos períodos Esturtiano (aproximadamente a 716 milhões de anos), Marinoana (aproximadamente a 635 milhões de anos) e Gaskieros (aproximadamente a 580 milhões de anos). Nestes momentos a Terra ficou coberta de gelo e a maioria dos oceanos foram congelados a partir do pólos para os trópicos. Durante estes períodos, as temperaturas despencaram e posteriormente ressuscitaram, causando derretimento glacial e um afluxo de nutrientes para o oceano, o que os investigadores acreditam ter levado os níveis de oxigênio a subir no fundo dos oceanos.

Aumento de nutrientes significa mais plâncton do oceano, que vai enterrar o carbono orgânico nos sedimentos do fundo do mar quando morrem. Os níveis de oxigênio aumentaram, mudando radicalmente as condições na Terra. Até agora, a oxigenação foi vista como tendo ocorrido após o derretimento da relativamente pequena glaciação Gaskiers. Os resultados deste estudo empurram-no para muito mais cedo, à glaciação Marinoana (635 mi), após o os animais começarem a florescer nas condições melhoradas, levando à primeira grande expansão da vida animal.

Isto significa que a cerca de 635 milhões de anos, havia níveis de oxigênio suficientes para favorecer a sobrevivência de pequenas esponjas, por exemplo. Então, depois de 580 milhões de anos, estranhas criaturas viveram em um fundo do mar levemente oxigenado. Cinqüenta milhões de anos mais tarde, os ancestrais de vertebrados estavam deslizando através da água do mar rica em oxigênio. Acompanhar como o oxigênio aumentava é o primeiro passo para entender por que demorou tanto tempo.

Uma equipe de pesquisadores apresentou algumas das evidências mais fortes que apoiam a hipótese de que altos níveis de oxigênio nos oceanos foram cruciais para o surgimento de animais estrutralmente complexos em suas estruturas esqueléticas a cerca de 550 milhões de anos atrás.

O novo estudo distingui as massas de água com níveis baixos e altos de oxigênio e mostra que as águas pouco oxigenadas não suportaram a vida complexa que evoluia imediatamente antes do período Cambriano, sugerindo a presença de oxigênio foi um fator chave para o aparecimento desses animais.

Um aumento no nível de oxigênio nos oceanos deu formas de vida simples, o combustível que precisava evoluir esqueletos, mobilidade e outras características típicas da moderna animais. Embora haja evidências geoquímica para um aumento do oxigênio nos oceanos em torno do momento do aparecimento de mais animais complexos (a Explosão Cambriana), tem sido muito difícil provar um nexo de causalidade. O que foi demonstrado nestanova descobertaé que águas é que os primeiros animais com estruturas esqueléticos eram restritos às águas bem oxigenadas, e que esses ambientes bem oxigenadas pode ter sido escasso, limitando o espaço habitat no oceano para os primeiros animais.

Amostras de rochas do fundo do mar antiga no Grupo Nama – a grupo de rochas extremamente bem preservados na Namíbia que são abundantes com fósseis dos primeiros animais Cloudina, Namacalathus e Namapoikia. Os níveis de elementos, tais como o cério e ferro detectados nas rochas mostrou que houve condições de águas superficiais bem oxigenadas e águas profundas totalmente anóxicas. Embora abundantes em ambientes bem oxigenados, a fauna Cambriana primitiva não ocupou regiões empobrecidas de oxigênio em regiões de plataforma, demonstrando que a disponibilidade de oxigênio (> 10 micromolar) era um requisito fundamental para o desenvolvimento de ecossistemas baseados em animais precoces.

Tendência para o futuro de acordo com as condições climáticas.

Estudar o passado é aprender sobre o presente e entender o futuro. Considerando o contexto climatológico passado e o planeta passa atualmente, a duplicação da concentração de dióxido de carbono fará com que a fotossíntese global realizada pelas plantas aumente em cerca de um terço, de acordo com um artigo publicado recentemente na revista Nature.

Como ressaltado, a fotossíntese é fundamental para a saúde da biosfera porque fornece a forte primária de alimento para a vida animal, mas também tem grande relevância para futuras mudanças climáticas.

Vegetação e solo abrandam os efeitos climatológicos do aquecimento global, absorvendo cerca de um quarto das emissões humanas de dióxido de carbono. Este sumidouro de carbono da terra é em parte resultado do aumento da atividade fotossintética. Cientificamente, é amplamente aceito que a fotossíntese das plantas irá aumentar com a maior disponibilidade de dióxido de carbono, desde que nutrientes, como nitrogênio e fósforo, não sejam fatores limitantes.

Modelos globais do clima prevêem que a fotossíntese global aumentará com dióxido de carbono. O tamanho da fertilização de CO2 é revelado pela forma como o ciclo sazonal da concentração de dióxido de carbono varia na atmosfera. As concentrações de dióxido de carbono medidos por muitas décadas no Havaí e no Alasca mostram ciclos característicos, com valores mais baixos no verão, quando fortemente a fotossíntese acumula biomassa das plantas, e portanto, absorve o CO2, e valores mais elevados no inverno, quando a fotossíntese cessa. A amplitude do ciclo sazonal, portanto, depende da força da fotossíntese do verão e o comprimento da estação de crescimento.

As medições feitas no Havaí e no Alasca mostram uma amplitude crescente do ciclo sazonal. Isto quer dizer que no futuro, haverá uma relação entre o aumento da amplitude de CO2 que um modelo simula e a fertilização do CO2. Portanto, o aumento observado na amplitude de CO2 pode ser convertido em uma estimativa da fertilização do CO2 muito melhor de tal forma que devemos esperar que a sumidouro de carbono da Terra pare de diminuir significativamente quando começamos a estabilizar o CO2.

Saiba mais em: A ATMOSFERA PRIMITIVA E A ORIGEM DA VIDA;

A POEIRA CÓSMICA REVELA ATMOSFERA ANTIGA DA TERRA;

A VIDA NA TERRA EXPLODIU APÓS A ASCENSÃO LENTA DO OXIGÊNIO;

O OXIGÊNIO ESTAVA PRESENTE NA ATMOSFERA MUITO MAIS CEDO DO QUE O PREVISTO ANTERIORMENTE.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Fotossíntese anoxigênica, Fotossíntese oxigênica Cianobactérias, Grande Evento de Oxigenação, Neoproteozóico, Explosão Cambriana.

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Referências

Pinti, Daniele (2011-01-01). Muriel, : . Great Oxygenation Event Springer Berlin Heidelberg [S.l.] p. 693-693.
Rasmussen, Birger; Ian R.. (2008). “Reassessing the first appearance of eukaryotes and cyanobacteria”. Nature 455 (7216): 1101-1104.
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