Os Fitoplânctons

Fitoplânctons

Por PGAPereira. Minúsculos microorganismos que flutuam na superfície das águas do oceano desempenham um papel enorme no controle do clima global?

O oceano está repleto de organismos tão pequenos que você não pode vê-los, as populações de microorganismos chamados de fitoplânctons. Minúsculos podem ser, mas nas últimas décadas, estas microscópicas plantas foram mostradas ajudar a conduzir o ciclo de carbono global. Outras pesquisas por biólogos marinhos estão em revelando o importante papel dos microorganismos e seus genes, e levantando novas questões sobre como eles evoluíram. Podemos usar este conhecimento para nos ajudar a restaurar o equilíbrio do ciclo do carbono?

Os fitoplânctons compreendem dois grupos principais: cianobactérias fotossintéticas e algas unicelulares que derivam nas camadas superiores dos oceanos iluminadas pela luz do Sol. Eles fornecem alimentos, direta ou indiretamente, para quase todas as outras criaturas marinhas. Eles emitem a maior parte do oxigênio que permeia nossa atmosfera. Seus restos fossilizados, enterrados e comprimidos por forças geológicas, são transformados em óleo, o líquido denso de carbono que nós usamos para abastecer nossos carros, caminhões e ônibus. Além disso, de acordo com a pesquisa que só recentemente veio ao foco, eles desempenham um papel enorme no ciclo de dióxido de carbono da atmosfera para a biosfera e para trás, e este ciclismo ajuda a controlar o clima da Terra.

A proporção certa

Os indícios para a importância global de fitoplânctons surgiu na década de 1930. Durante viagens de diversas pesquisas, os oceanógrafos haviam recolhido milhares de amostras de água do mar do oceano profundo (abaixo de uma profundidade de 500 metros) ao redor do mundo. Em seguida, mediram as quantidades relativas de carbono, azoto e fósforo - elementos necessários para construir moléculas celulares essenciais - tanto em fitoplânctons como da água do mar. Alfred Redfield, da Universidade Harvard, em Massachusetts percebeu que as proporções desses elementos no oceano não estavam ao acaso. Em cada região do oceano amostrada, a proporção de átomos de azoto para átomos de fósforo no oceano profundo era de 16 para 1 -, a mesma relação como no fitoplâncton. Os fitoplânctons estavam espelhando o oceano? Ou esses minúsculos organismos determinavam a composição química das vastas águas?

Por mais de 20 anos, Redfield e outros ficaram intrigados sobre por que essas proporções eram idênticas. Ele finalmente deu um salto conceitual crucial, propondo em 1958 que o fitoplâncton não só refletiu a composição química do oceano profundo, mas a criou. Ele sugere que, como os fitoplânctons e os animais que os comeram, morreram e foram para o fundo, junto com a matéria fecal dos referidos animais, os microorganismos no alto mar levaram o material para baixo em seus constituintes químicos, criando água do mar com as mesmas proporções de azoto e fósforo.

O mar não é o único lugar onde os microorganismos moldam o ambiente. Desde o tempo de Redfield, os cientistas descobriram que os microorganismos também ajudou a moldar a composição química do ar do nosso planeta e da terra. Mais dramaticamente, trilhões de fitoplânctons criaram o planeta respirável, a atmosfera rica em oxigênio.

Ao analisar uma variedade de minerais nas rochas de idade conhecida, os geólogos descobriram que no primeiro semestre de Terra - 4,6 bilhões de anos de história - a sua atmosfera não continha oxigênio livre - ele só começou a acumular 2,4 bilhões de anos atrás. Eles descobriram rochas fossilizadas contendo algas de cianobactérias, ou azul-esverdeadas, cujos atuais primos realizavam um tipo de fotossíntese que usa a energia do Sol para quebrar a água em hidrogênio e oxigênio. Não houve plantas terrestres para a produção de oxigênio até quase 2 bilhões de anos depois que os níveis de oxigênio atmosférico tornaram-se rosas. Foi o oxigênio desses microrganismos fotossintéticos que criaram a nossa atmosfera rica em oxigênio.

Hoje, diferentes grupos de microrganismos, especialmente no oceano, reciclam os resíduos produzidos por outros microrganismos e os usam na potencialização dos ciclos globais dos elementos mais essenciais à vida. Grupos de cianobactérias e outros também convertem o gás nitrogênio (N₂₎ em amônia (NH _{4 +),} fixando este nutriente essencial em uma forma que eles podem usar para fazer os aminoácidos e proteínas que necessitam para construir e manter as células. Microorganismos diferentes convertem aminoácidos e outros compostos azotados orgânicos contendo azoto para gases, devolvendo-os à atmosfera. E os outros ajudam a impulsionar a reciclagem dos diferentes elementos essenciais à vida, incluindo enxofre, ferro e fósforo.

Os fitoplânctons fornecem matéria orgânica para os organismos que compreendem a grande maioria de vida marinha. Fazem o consumo deste dióxido de carbono que de outra forma se dissolvem na água do mar e a torna mais ácida. Os organismos fornecem matéria orgânica para a grande maioria da cadeia alimentar marinha. Removendo o dióxido de carbono a partir da  água também impede a sua difusão a partir do ar, diminuindo os níveis do gás na atmosfera. Nestas formas, os fitoplânctons são cruciais para o ciclo global do carbono, o caminho circular pela qual os átomos de carbono da atmosfera viajam para a biosfera, para a terra e depois voltam para o oceano.

Demarcação de carbonos

Como vamos saber dos elementos individuais, tais como o movimento do carbono através dos nossos vastos oceanos e na atmosfera? Os primeiros indícios vieram em 1952, quando um ecologista dinamarquês chamado Einar Steeman-Nielsen introduziu uma técnica importante que lança luz sobre os ciclos de carbono no oceano. Isso permitiu aos cientistas medir a produtividade primária de um ecossistema do oceano - a quantidade de matéria orgânica que o fitoplâncton incorpora em seus corpos através da fotossíntese após satisfazer as suas próprias necessidades energéticas.

Para fazer essa medição, Steeman-Nielsen adicionou bicarbonato contendo um isótopo radioativo de carbono chamado  carbono-14 em amostras de água do mar. Quando ele expôs as amostras à luz solar, o fitoplâncton nas amostras incorporou carbono-14 em seus tecidos. Ao isolar o fitoplâncton e medir o decaimento radioativo do carbono-14 nas suas células, os cientistas puderam calcular a quantidade total de dióxido de carbono fixado em matéria orgânica.

O fitoplâncton são a base da cadeia alimentar do oceano, fornecendo matéria orgânica para praticamente todas as outras criaturas marinhas. Sua produtividade primária limita o crescimento de crustáceos, peixes, tubarões, botos e outras criaturas marinhas, assim como a produtividade primária de plantas terrestres limita o crescimento dos elefantes, girafas e macacos. Ao determinar a produtividade do fitoplâncton, os cientistas marinhos também podem determinar a quantidade de dióxido de carbono que está sendo retirada da atmosfera.

Por três décadas, oceanógrafos usaram a ​​técnica Steeman-Nielsen de carbono-14 para responder a uma pergunta ecológica importante: Qual a quantidade de matéria orgânica que os fitoplânctons produzem globalmente? A técnica do carbono-14 ajudou a medir a rapidez com que os fitoplânctons fixaram o carbono em milhares de locais em todo o mundo, mas as estimativas de produtividade primária que eles geraram eram baixas demais. Eles descobriram que, se os números estivessem corretos, a vida média de fitoplâncton no oceano necessários estaria entre 16 e 20 dias para se dividirem, mas que não fazia sentido para os oceanógrafos biológicos que estavam familiarizados com esses organismos. O fitoplâncton deveria ter vindo a crescer muito mais rápido. Algo estava claramente errado, mas o quê?

A vista do espaço

Na década de 1980, o químico John Martin no Moss Landing Marine Laboratory, na Califórnia, percebeu que a discrepância ocorreu por causa da contaminação. A maioria das amostras de água do mar tomada ao longo das três décadas anteriores foi inadvertidamente contaminada por metais pesados, a borracha preta dos anéis usados ​​para selar os dispositivos de amostragem. Produtos de borracha são tratados quimicamente durante a fabricação para dar-lhes as propriedades mecânicas corretas. Este processo, chamado de vulcanização, envolve tratá-los com enxofre contendo algumas pequenas quantidades de zinco e de chumbo. Estes metais lixiviados a partir dos anéis-O e outros componentes entraram nas amostras de água do mar, onde eles envenenaram os fitoplânctons. Como resultado, as medidas de produção primária ao longo de três décadas foram comprometidas, obrigando os cientistas subestimarem a importância dos oceanos do mundo para o ciclo global do carbono.

Martin e outros desenvolveram novas técnicas de amostragem que mantiveram as amostras as mais livres possíveis de traços de metais chumbo e outros, permitindo medições mais precisas da produtividade primária do fitoplâncton. Mas ainda havia um problema. Mesmo com milhares de medições de produtividade primária nos oceanos do mundo, a maior parte do oceano ainda não estava sendo observado em um determinado mês ou ano. Métodos matemáticos poderiam extrapolar a partir dos dados de produtividade primária para ajudar a preencher as lacunas, mas não bem o suficiente. Ninguém sabia quanto de carbono o fitoplâncton do mundo havia retirado da água em torno deles.

A obtenção de estimativas confiáveis ​​de produtividade primária do oceano necessitava uma abordagem diferente. Assim, os cientistas se voltaram para os dados do Scanner da Cor da Zona Costeira (CZCS), lançado ao espaço em um satélite da NASA, que foi capaz de monitorar as populações de fitoplânctons do planeta inteiro cada semana.

Os CZCS tomaram partido do fato de que o oxigênio produtor de fotossíntese ocorre apenas em organismos que têm um pigmento chamado clorofila. Este pigmento permite que o fitoplâncton absorva a luz azul, que de outra forma seriam espalhadas pela água do mar. Quanto mais fitoplânctons existirem em uma área do oceano, mais clorofila haverá,  e  mais escura a área aparece a partir do espaço. Os oceanógrafos primeiro calibraram a cor do oceano nas fotografias do CZCS com medidas de produtividade primária, tal como o desenvolvido por Steeman-Nielsen, e, em seguida, utilizaram nas medições de cor para obter melhores estimativas matemáticas de produtividade do fitoplâncton do que a anteriormente disponível. Os resultados de vários grupos de cientistas mostraram que o fitoplâncton do mundo incorporou um impressionante 45-50 bilhões de toneladas de carbono inorgânico em suas células, duas vezes mais alta que a estimativa anterior. A importância do fitoplâncton na conversão de dióxido de carbono no tecido vegetal e animal tornaram-se evidentes.

Como a contribuição do fitoplâncton se compara com a de plantas terrestres? Em 1998, uma equipe da Carnegie Institution of Science, em Washington DC tentou descobrir baseando-se em dados dos CZCS e outros satélites científicos.

Descobriu-se que as plantas terrestres incorporavam 52 bilhões de toneladas de carbono inorgânico a cada ano, apenas a metade que os ecologistas tinham estimado anteriormente. Os resultados mostraram que eles haviam subestimado a influência global dos fitoplânctons dos oceanos. Embora eles representem menos de 1% da biomassa fotossintética na Terra, os fitoplânctons contribuem com quase a metade da produção mundial total primária, tornando-os muito importantes na modificação do ciclo de carbono e dióxido de carbono do planeta como todas as plantas da terra combinadas. Este resultado surpreendeu muitos ecologistas, mas os dados eram claros. Os fitoplânctons nos oceanos são menos visíveis do que as árvores e gramíneas que vemos em nossas vidas diárias, mas sua influência é profundamente desvalorizada.

A bomba de carbono

Os fitoplânctons foram tão importantes para o ciclo de carbono do planeta que agora precisa reconsiderar o destino do fitoplâncton morto. Biólogos estabeleceram estimar a biomassa total de fitoplânctons e calculou que menos de um bilhão de toneladas dos microorganismos unicelulares estavam vivos no oceano a qualquer momento. Havia 45 bilhões de toneladas de fitoplâncton novo a cada ano, 45 vezes mais do que sua própria massa em um determinado momento. Os fitoplânctons, portanto, tiveram de se reproduzir inteiramente, em média, 45 vezes por ano, ou cerca de uma vez por semana. Em contraste, as plantas em terra de todo o  planeta têm uma biomassa total de 500 bilhões de toneladas, em grande parte de madeira. Os mesmos cálculos mostraram que as plantas em terra do planeta se reproduzem inteiramente uma vez a cada dez anos.

Os fitoplânctons não têm raízes, troncos ou folhas. Então, o que estava acontecendo com toda a matéria orgânica que foram absorvendo? Os biólogos consideraram dois cenários. No primeiro, todos os fitoplânctons nos 100 metros abaixo da superfície ensolarada do oceano seriam consumidos nessa camada por heterótrofos, animais e microorganismos determinados que quebrem a matéria orgânica dos fitoplânctons para obter energia e nutrientes para construir seus próprios tecidos. Este processo iria produzir dióxido de carbono. O dióxido de carbono estaria imediatamente disponível para ser absorvido por outros fitoplânctons, que iria utilizá-lo e a energia do Sol para crescer. Nesta situação, os níveis de dióxido de carbono na camada banhada pela luz do Sol no topo do oceano estariam em estado estacionário, e nenhum dos desses gases seria bombeado para o oceano profundo.

Em um segundo cenário, os corpos de fitoplânctons, parte do material fecal e os corpos das heterótrofas iriam afundar lentamente abaixo da superfície a 500 metros do oceano. No escuro, águas frias abaixo, catadores e microorganismos iriam quebrar toda essa matéria orgânica em seus constituintes químicos. Visto que essas águas frias e profundas raramente se misturam com as águas quentes superiores flutuando acima, o dióxido de carbono e outros nutrientes simples seriam armazenados no oceano profundo. Um ciclo lento de circulação oceânica profunda poderia retornar este carbono, água rica em dióxido de carbono da superfície dos séculos posteriores, retornando o dióxido de carbono para a atmosfera. Neste cenário, a camada superior agiria como uma bomba biológica, o envio de dióxido de carbono para o mar por centenas de anos.

Na verdade, ambos os cenários estão ocorrendo. Em 2000, uma equipe da Universidade do Havaí mostrou que o fitoplâncton e outros organismos da camada iluminada bombeavam cerca de 15% do material orgânico produzido a cada ano para o mar. Uma vez lá, cerca de 1‰ fica enterrado no fundo do mar, presos em sedimentos. Quando as condições forem adequadas na crosta terrestre, os fitoplânctons fósseis são transformados em óleo durante um período de vários milhões de anos.

Estamos  utilizando óleo de fitoplânctons fósseis para abastecer nossos carros e aquecer as nossas casas por mais de um século. Cada ano, nós queimamos petróleo, que levou um milhão de anos para produzir. Esta prática, juntamente com o nosso hábito de queimar plantas terrestres fósseis sob a forma de carvão, empurrou o nível atmosférico de dióxido de carbono para mais de 390 partes por milhão (PPM). Isso é 40% maior do que antes da revolução industrial e está conduzindo ao aquecimento global. Os fitoplânctons ainda estão nos protegendo, no entanto: se os fitoplânctons no oceano superior parassem de bombear carbono até o mar profundo no futuro, os níveis atmosféricos de dióxido de carbono acabariam por subir outros 200 PPM e o aquecimento global deve se acelerar ainda mais.

Ameaçadoramente, o aquecimento global começou a abrandar esta bomba conduzida pelos fitoplânctons. Em um estudo liderado por Michael Behrenfeld, agora na Oregon State University, os pesquisadores cruzaram medições por satélite da clorofila oceânica com medidas climáticas globais, entre 1997 e 2005. Como o clima esquentou entre 1999 e 2005, verificou-se que a camada superior do oceano ficou mais quente. A água torna-se menos densa quando se aquece e é mais provável flutuar sem se misturar com a água fria abaixo, rica em nutrientes. A camada quente acima dessas águas estratificadas, portanto, contendo poucos nutrientes, reduziria o crescimento dos fitoplânctons e diminuiria o bombeamento para o mar profundo. Como o nosso clima se aquece, podemos concluir, podemos esperar a fixação de carbono nas partes mais baixas do oceano em boa parte dos oceanos do mundo. Se isso acontecer, ele vai alterar os ecossistemas, a pesca diminuirá, e deixará mais dióxido de carbono na atmosfera. Em um cenário um pouco mais animador, a fixação de carbono poderia se acelerar em altas latitudes, como o Pacífico Norte, com suas águas frias que se aqueceram.

Genoma no mar

Os fitoplânctons são obviamente essenciais para o ciclo global do carbono e outros elementos, mas eles não são os únicos microorganismos do mar. Como muitos outros microrganismos que existem nos oceanos, como eles estão sobrevivendo? Por muitos anos, ninguém sabia como lidar com essas questões. Para os cientistas estudarem os microrganismos em profundidade, necessitam cultivá-los em culturas de laboratório. Mas as culturas são frações muito pequenas dos microorganismos quando colocamos uma gota de água do mar sob um microscópio.

Tudo isso começou a mudar na década de 1990, quando os  microbiologistas marinhos começaram a usar técnicas de biologia molecular para o levantamento da biodiversidade microbiana do oceano. Eles isolaram grandes quantidades de ADN de todos os micróbios em várias amostras de água do mar. Então, eles usaram uma técnica chamada reação em cadeia da polimerase que lhes permitiu estudar todas as amostras do gene que produziram 16S RNA ribossomal, que cada microorganismo utiliza para fabricar proteínas. Cada variante do gene 16S rRNA presente indicava uma espécie diferente de microorganismo. Essas análises revelaram tipicamente centenas de espécies microbianas em cada amostra de água do mar.

No início de 2000, os biólogos ancoraram-se na pesquisa da biodiversidade através de métodos adaptados a partir do projeto genoma humano. Até então, os biólogos moleculares tinham desenvolvido técnicas poderosas e métodos computacionais que permitem que os clones seqüencie e analise milhares de DNA várias vezes mais rápido do que antes. Craig Venter, biólogo molecular e empresário que fundou a Celera Genomics, ajudou a desenvolver um desses métodos, chamado seqüenciamento shotgun. No seqüenciamento shotgun, o DNA de um organismo é quebrado, aleatoriamente, em muitos segmentos pequenos e seqüenciados. Em seguida, um programa de computador encontra regiões de sobreposição de seqüências entre os segmentos e os usa para costurar os segmentos juntos para reconstruir a seqüência de ADN original.

Não muito tempo depois de sua equipe da Celera Genomics relatar a seqüência do primeiro genoma humano em 2000, Venter, um marinheiro ávido, voltou sua atenção para o mar. Ele partiu em um navio de pesquisa para o Mar dos Sargaços, uma área bem estudada do Oceano Atlântico ao longo da costa das Bermudas, onde sua equipe coletou centenas de litros de água do mar. Eles filtraram os micróbios, isolaram seu DNA em massa, e iniciaram a  seqüenciá-los em uma escala quase industrial.

Ao determinar a seqüência de nucleotídeos de mais de 1,6 milhões de fragmentos de ADN clonados, eles descobriram evidência para 1.164 espécies microbianas diferentes em água do mar. Eles também estimaram a partir de métodos estatísticos que, mesmo com a sua abordagem à escala industrial, não tinha conseguido identificar 98% das espécies presentes. Em outras palavras, havia mais de 47.000 espécies em apenas uma pequena área, e a biodiversidade microbiana em mar aberto era imensa. Além disso, o Mar dos Sargaços é uma das áreas do oceano menos biologicamente ativas. O estudo veterinário abriu uma porta para a grande escala genômica do próprio oceano, e até 2011 microbiologistas tinham identificado 20 milhões de genes. Este trabalho já encontrou formas anteriormente desconhecidas do metabolismo e novos tipos de microorganismos.

Muitos destes genes são essenciais para a sobrevivência dos microorganismos, mas cerca de 1.500 genes são especialmente importantes. Alguns destes genes codificam as proteínas usadas na fotossíntese, que fornece o oxigênio que mantém a nossa atmosfera respirável e converte dióxido de carbono em matéria orgânica. Outros genes codificam enzimas que queimam a matéria orgânica com oxigênio para criar energia, liberando o dióxido de carbono e completando o ciclo. Alguns codificam enzimas que convertem o nitrogênio elementar do ar em amônia, que os organismos podem usar para construir tecidos. Outros codificam enzimas que oxidam o azoto no amoníaco em várias etapas, regenerando o azoto. As 1.500 enzimas codificadas por esses genes fazem mais do que manter os organismos vivos. É importante ressaltar que oxidam e reduzem os elementos mais abundantes nos organismos - hidrogênio, nitrogênio, enxofre, carbono, oxigênio e fósforo - assegurando o ciclo em escala planetária que mantém um ambiente adequado à vida como nós a conhecemos.

Mais perguntas

 Algumas das perguntas estão no campo da biologia básica. Que processos evolutivos mantém uma diversidade tão extraordinária de espécies microbianas? Descobriram microorganismos que desempenham papéis-chave na biogeoquímica? Como essas reações essenciais evoluíram, e quando elas se tornaram suficientemente onipresentes para influenciar a Terra, os oceanos e a atmosfera?

Depois, há as questões práticas. Como a humanidade pode bombear o nitrogênio nos oceanos e carbono para a atmosfera, fazendo com que as zonas mortas perturbem o clima, e quanto tempo os fitoplânctons podem limpar nossa bagunça? Podemos contar com genes de fitoplânctons para produzir hidrocarbonetos de modo a abdicar-mos da prospecção de petróleo? Podemos usar outros genes para nos ajudar a captar a energia do Sol? O estudo das diversas vias metabólicas dos fitoplânctons pode levar a maneiras de ajudá-los a limpar vazamentos de petróleo ou desenvolver combustíveis limpos que não emitam dióxido de carbono que impulsiona a mudança climática?

Em última análise, os microorganismos no oceano vão sobreviver por bilhões de anos, e eles vão ajudar a restaurar a Terra a um estado estacionário biogeoquímico? Se podemos entendê-los melhor, talvez possamos capacitá-los a ajudar a humanidade a sobreviver bem.