Se, como resultado de um cataclismo global, não houver mais oxigênio na atmosfera da Terra, um dos poucos organismos sobreviventes será a Escherichia coli. Seu principal trunfo é a capacidade de respirar qualquer coisa e em qualquer lugar: na superfície, no solo, no estômago humano, e não necessariamente com oxigênio. Junto com a E. coli, várias centenas de espécies de criaturas antigas permanecerão no planeta, capazes de respirar enxofre, ferro, urânio e até arsênico.
Ar envenenado
Em 2010, Felisa Wolf-Simon, pesquisadora do Departamento de Astrobiologia da NASA, enquanto estudava o salgado Lago Mono da Califórnia, descobriu bactérias incomuns. Eles viviam na água, onde a concentração de álcalis ultrapassava 80 vezes o indicador correspondente no oceano. Os micróbios usavam arsênico para a respiração, um veneno para a maioria dos organismos vivos.
Em laboratório, a descoberta, chamada de "cepa GFAJ-1", foi colocada em uma solução nutritiva com teor normal de açúcares e vitaminas, mas completamente desprovida de fosfatos - compostos dos quais o fósforo vem do meio ambiente. Em vez disso, os microrganismos foram plantados com arsenatos (compostos de arsênio).
Descobriu-se que, em um ambiente sem fósforo, as bactérias não apenas respiram arsênico, mas também sabem como incorporá-lo às moléculas de DNA e RNA em vez de fósforo. Em termos de propriedades químicas, esses elementos são semelhantes - as enzimas na célula podem não distinguir o fosfato do arseniato, e isso acontece com bastante frequência. É verdade que tal substituição geralmente termina com a morte e petrificação da bactéria, mas não no caso da cepa GFAJ-1.
“Microrganismos anaeróbicos (aqueles que não precisam de oxigênio para a vida ou são mortais. - Ed.) São capazes de reduzir o arsênico, usando-o na respiração como um aceptor de elétrons. Além disso, os anaeróbios são capazes de respirar sulfatos, ferro, manganês, urânio, selênio, nitratos. Estamos falando apenas de micróbios que não possuem um núcleo formalizado - procariotos, incluindo bactérias e arquéias. Existem fungos crescendo anaerobicamente, mas isso é raro e, entre os eucariotos (organismos com um núcleo formado), essa é a exceção e não a regra”, disse Olga Karnachuk, chefe do Departamento de Fisiologia Vegetal e Biotecnologia do Instituto Biológico da Universidade Estadual de Tomsk, para RIA Novosti.
À esquerda - Felisa Wolf-Simon, que descobriu microrganismos que usam o fósforo como material de construção das células. À direita - bactérias cepam GFAJ-1 em uma solução nutritiva contendo vitaminas, açúcares e arsenatos.
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Antigo e tenaz
Mais de três bilhões de anos atrás, os primeiros organismos vivos na Terra se alimentaram de moléculas de hidrogênio e enxofre.
“A mais antiga das respirações anaeróbias é a respiração sulfúrica. O enxofre, como o hidrogênio molecular, veio dos vulcões. Esse tipo de metabolismo era usado quando toda a vida consistia apenas em bactérias e arquéias”, diz Olga Karnachuk.
Com o aparecimento das cianobactérias, cujo produto metabólico era o oxigênio, a composição da atmosfera terrestre começou a mudar gradativamente. Cerca de 850-600 milhões de anos atrás, já havia muito O2 no ar. Para os microrganismos antigos, isso significava um desastre - o oxigênio é tão tóxico para eles quanto o cloro gasoso para os humanos. Portanto, alguns morreram, outros (os chamados anaeróbios obrigatórios) fugiram para locais anóxicos - por exemplo, no subsolo. Também houve quem conseguisse se adaptar e aprender a neutralizar o gás tóxico.
Com o tempo, alguns microrganismos "entenderam": o oxigênio é um forte aceptor de elétrons e, ao oxidar moléculas orgânicas com ele, é possível obter muita energia necessária para a vida. Isso significa que o tamanho da célula aumenta, portanto, mais DNA é colocado nela e a estrutura se torna mais complexa - é assim que existe a chance de se tornar multicelular.
Animais que não conseguem respirar
“Plantas, animais, pessoas - todos respiram oxigênio. Esta é a forma mais eficaz de obter energia, portanto, quando surgiu a respiração aeróbica, abriu-se a perspectiva para que os organismos vivos formassem formas superiores, incluindo os humanos. Micróbios anaeróbicos também são capazes de evoluir, mas em uma direção diferente. Muitos deles escolheram o caminho de combinar os dois tipos de respiração. Por exemplo, a E. coli (Escherichia coli) respira oxigênio, e quando entra no corpo humano (em um ambiente anaeróbio) - nitratos. Se as condições forem completamente ruins, a bactéria é capaz de não respirar, ela vagueia - esse é um tipo de metabolismo completamente diferente. Praticamente não existem tais oportunistas entre as formas superiores”, observa o especialista.
No entanto, há uma exceção - o rato-toupeira pelado. Este mamífero, que vive em tocas subterrâneas, custa por horas um nível baixíssimo de oxigênio, e completamente sem ar vai durar até 18 minutos (para comparação: a morte cerebral humana ocorre em média após cinco minutos em um ambiente sem oxigênio).
Quando há pouco O2 no ar, o rato-toupeira pelado muda para a degradação anaeróbia da frutose - devido ao fato de os canais do GLUT5, responsáveis pela liberação da frutose no sangue, serem sintetizados em diferentes tecidos. Em outros mamíferos, eles são produzidos apenas nos intestinos.
Rato-toupeira nu - o único mamífero capaz de decomposição anaeróbia de frutose.
Para ajudar uma pessoa
“Existem muitos organismos na Terra que podem passar sem oxigênio, porque as condições anaeróbias são facilmente criadas - por exemplo, em um vaso de flores, montão de composto ou sedimento costeiro, até mesmo em nosso próprio corpo”, continua o pesquisador.
Embora alguns anaeróbios causem infecções graves quando alvejados ou esfaqueados, a maioria beneficia os humanos. Por exemplo, cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego ensinaram a bactéria Salmonella enterica a destruir tumores cancerígenos: algumas salmonelas sintetizaram uma toxina que faz buracos nas membranas das células cancerosas, a segunda uma proteína especial que ativa o sistema imunológico e ainda outras produziram uma molécula que desencadeia um programa de autodestruição nas células cancerosas.
As arquéias metanogênicas são usadas na produção de biogás a partir de resíduos domésticos comuns, e grupos redutores de sulfato são capazes de purificar as águas residuais da contaminação.
“Hoje, muitas minas estão sendo fechadas devido à alta concentração de sulfato. Quando o carvão é extraído, uma grande quantidade de água residual é gerada, que, após a purificação, flui para os rios. Se os sulfatos não forem eliminados, os peixes e outras biota aquáticas podem ser mortos no inverno. Purificamos as águas residuais da mina desses compostos prejudiciais usando microorganismos cultivados em nosso laboratório. Criamos condições nas minas para que a respiração do sulfato seja possível ali e todo o sulfato seja removido com a ajuda de bactérias. Essa tecnologia já está sendo usada na prática no Reino Unido, EUA, Alemanha. Estamos agora apenas criando uma biotecnologia que pode funcionar nas condições climáticas da Rússia com baixas temperaturas médias anuais”, conclui o especialista.
Alfiya Enikeeva
