Em um deserto feroz, 'Crostas' de micróbios mostram como a vida domesticou a terra | Revista Quanta

Em 2017, uma equipe de cientistas da Alemanha viajou para o Chile para investigar como os organismos vivos esculpem a face da Terra. Um guarda local os guiou pelo Pan de Azúcar, um parque nacional de aproximadamente 150 milhas quadradas na costa sul do deserto de Atacama, que é frequentemente descrito como o lugar mais seco da Terra. Eles se encontraram em um deserto plano e pedregoso interrompido por colinas ocasionais, onde cactos peludos estendiam os braços em direção a um céu que nunca chovia. O chão sob seus pés formava um tabuleiro de xadrez, com trechos irregulares de seixos escuros entre outros mais claros, tão descorados quanto osso.

Inicialmente, as manchas pretas salpicadas na superfície do deserto não interessaram ao líder do grupo. Burkhard Budel, um biólogo veterano que passou as últimas décadas vasculhando desertos em todos os sete continentes em busca de sinais de vida. Descolorações como essas, conhecidas como verniz do deserto, são onipresentes e rotineiramente significam depósitos de manganês ou outros minerais. Continue andando, ele instruiu seus companheiros de equipe.

Mas seu aluno de pós-graduação Patrick Jung não conseguia tirar o tabuleiro de damas da cabeça. Tendo visto o que pareciam ser líquens em alguns dos seixos escuros, Jung suspeitou que algo mais poderia habitá-los. Eventualmente, ele pegou uma pedra, pingou um pouco de água de uma garrafa e olhou para ela através de sua lente de aumento portátil. A face da pedra negra explodiu em verde. Os escombros ganharam vida.

Jung tirou um monitor de fotossíntese de sua mochila. Um toque de seu sensor azul fluorescente confirmou que algo dentro das rochas estava convertendo dióxido de carbono em oxigênio. Depois que os colegas de Jung, incluindo Büdel, replicaram o experimento, todos dançaram com entusiasmo sob o sol do deserto. Em seguida, deitaram-se de bruços, com os olhos fixos no tapete microbiano que vive na poeira. Ao redor deles, as manchas escuras se repetiam na paisagem, cada uma preenchida com seu próprio universo microscópico.

Desde 2019, Jung lidera um projeto na University of Applied Sciences em Kaiserslautern, Alemanha, dedicado ao estudo do comunidade incomum de micróbios, agora conhecido como crosta de areia. Sua equipe trabalhou para entender as adaptações extremas que permitiram que esses microrganismos habitassem uma terra tão infamemente hostil, onde são refrescados apenas ocasionalmente por goles de neblina. O respostas que eles descobriram oferecem pistas sobre como a vida pode ter encontrado um controle sobre a superfície do nosso planeta há bilhões de anos.

Há dois meses, o guarda florestal que primeiro trouxe os cientistas alemães a Pan de Azúcar me guiou até o local de sua descoberta. Ajoelhado em um dos espaços negros do tabuleiro de damas, José Luis Gutiérrez Alvarado pegou uma pedra do tamanho de um brinco. Do bolso ele tirou uma lupa de joalheiro, uma lembrança pessoal com a inscrição “Los secretos de las rocas”. Ele segurou a lupa sobre a pedra na palma da mão para que eu também pudesse aprender seus segredos.

A descoberta da crosta de areia transformou o deserto para Gutiérrez Alvarado, que o patrulha todos os dias na última década. “Não são apenas pedras, não são apenas espaços vazios”, disse ele, espiando por cima dos seixos. “Tudo está respirando agora.”

A pele viva do planeta

Dirigir pelo Pan de Azúcar com Gutiérrez Alvarado é como andar em uma máquina do tempo geológico. Cavernas vulcânicas antigas de uma época desaparecem em colinas ondulantes de areia erodida de outra, e além delas fica uma pedreira gramada ocasional ou um bosque de cactos.

Entre as colinas espreita um afloramento do leito rochoso, um amontoado de quartzo temperado com diferentes minerais. A seus pés está sua progênie, pedaços menores que se quebraram ao longo de milhões de anos. Abaixo deles está um desfile de rochas progressivamente menores, até os grãos do tamanho de brincos que primeiro cativaram Jung. As pedras, que cobrem o chão do deserto, são conhecidas localmente como “maicillo” e em inglês como “grit”. O substrato é amplamente poroso, oferecendo muitas rachaduras e cantos para os micróbios se aninharem. Encravados nas fendas de cada grau de rocha estão minúsculos matagais de vida verde e negra.

Durante a expedição de 2017, Jung coletou e secou amostras desse grão e as despachou para a Alemanha. Então se dedicou a aprender mais sobre os micróbios com tanta determinação que concluiu o doutorado em apenas dois anos e meio, com mais de 10 publicações para mostrar. A partir de amostras de DNA, ele deduziu que a crosta arenosa é composta por várias centenas de espécies de cianobactérias, algas verdes e fungos – incluindo várias combinações de líquens previamente desconhecidas. Enquanto isso, seus colegas cortaram as pedras finas para imagens. As fotos mostraram como hifas fúngicas individuais perfuraram profundamente as rochas, esculpindo redes de canais ramificados.

À primeira vista, a crosta de areia pode parecer um exemplo rotineiro do que os pesquisadores chamam de crosta biológica do solo, ou “biocrosta” – uma comunidade de bactérias, fungos, algas e outros microorganismos coexistentes que cobrem o solo em camadas coerentes. Cerca de 12% da terra da Terra é coberta por biocrostas. Os ecologistas costumam se referir a essas colônias como a “pele viva” do planeta.

Ao longo do último século, os cientistas identificaram biocrostas em todo o mundo e trabalharam para entender seu papel na formação dos ecossistemas. Eles aprenderam que as crostas ancoram os grãos do solo e fornecem aos organismos que crescem naquele solo nutrientes essenciais, como carbono, nitrogênio e fósforo. Em 2012, Büdel e seus colegas estimado que as biocrostas absorvem e reciclam cerca de 7% de todo o carbono e quase metade de todo o nitrogênio que é quimicamente “fixado” pela vegetação terrestre. O papel das biocrostas na obtenção de nitrogênio digerível é particularmente crítico em desertos áridos: em outros lugares, raios frequentemente podem converter nitrogênio atmosférico em nitratos, mas nos desertos, tempestades elétricas são raras.

A biocrosta cria “pequenos oásis de fertilidade”, disse Jayne Belnap, um ecologista do US Geological Survey que ajudou a padronizar o termo “biocrosta” em 2001. “Essa área vai ser [como] picolés para os organismos do solo. Eles são viciados em açúcar, assim como todos nós.

Mas a comunidade microbiana em Pan de Azúcar não é apenas uma velha biocrosta. Enquanto as biocrostas tradicionais cobrem a camada superior de finas partículas de solo, e outros tipos de organismos brotam diretamente no topo de rochas individuais, “o cascalho está no meio – é uma zona de transição”, disse Liesbeth van den Brink, um pesquisador de ecologia da Universidade de Tübingen que agora mora nos arredores de Pan de Azúcar com Gutiérrez Alvarado. Na crosta de areia, as pedras fornecem a estrutura, mas os micróbios as colonizam em uma folha coerente – como uma fina camada de resina rejuntando um jardim de pedras.

Como os organismos estão tão intimamente associados ao substrato rochoso, as crostas arenosas incorporam “a colisão do abiótico com o biótico”, disse Rómulo Oses, biólogo da Universidade do Atacama. “Nessa interface, você verá muitas respostas.”

As crostas arenosas do Pan de Azúcar obrigaram os cientistas a expandir sua concepção do que são biocrostas, onde os micróbios podem sobreviver e como as comunidades microbianas moldam o ambiente ao seu redor. Eles estão abrindo a porta para reconsiderações de como a Terra e a vida coevoluíram ao longo das épocas.

Bebendo na névoa

Pan de Azúcar está desolado, mas longe de ser sem vida. Margeando o Oceano Pacífico próximo ao nível do mar, o parque é muito mais temperado do que o núcleo hiperárido elevado do Atacama. Ainda assim, recebe no máximo 12 milímetros de chuva por ano, e os níveis de radiação solar costumam ser incrivelmente altos.

No caminho para o único food truck do parque, onde Gutiérrez Alvarado, van den Brink e eu podemos parar para uma empanada de frutos do mar local, fazemos um desvio. Gutiérrez Alvarado pára para verificar um de seus dispositivos de monitoramento do tempo, que é cercado por arame farpado e preso com pedras no deserto. Ao lado, ele aponta uma depressão do tamanho de uma vaca no solo onde um guanaco, um parente selvagem da lhama, recentemente tomou banho de areia. Gutiérrez Alvarado e os outros guardas florestais contaram recentemente 83 guanacos vivendo no parque.

“Como eles sobrevivem aqui?” Van den Brink ficou maravilhado. “Como alguma coisa sobrevive aqui?”

A resposta é a espessa neblina característica que envolve a costa chilena, um fenômeno climático conhecido localmente como camanchaca. Com tão pouca chuva, toda a vida em Pan de Azúcar depende, em última análise, da umidade que o nevoeiro carrega. O guanaco, por exemplo, depende de goles de água retidos por musgos agarrados a cactos, que crescem em solo adubado por crosta de areia.

Os humanos no parque não são diferentes. Em um cume com vista para a costa, há quatro painéis de malha do tamanho de portas de garagem, que Gutiérrez Alvarado e os outros guardas instalaram como coletores de névoa. Água suficiente se condensa neles todos os dias para abastecer a pia de um dos poucos banheiros do parque. A névoa é tão espessa que uma vez quase fez com que Gutiérrez Alvarado caísse direto de um penhasco no oceano; apenas uma pequena placa no chão o lembrou de virar à esquerda no último momento.

A maior parte dessa água, no entanto, está fora do alcance dos organismos da crosta arenosa. Na maior parte do dia, as pedras ficam tão quentes que uma camada limite de ar quente se forma sobre elas, impedindo que os micróbios absorvam a umidade. Os microorganismos aprenderam a esperar o calor do dia passar em estado de dormência e desidratação. Mas à noite, não há luz do sol para eles usarem na fotossíntese. Assim, os micróbios têm no máximo algumas horas após o nascer do sol para beber a água que se condensou como nevoeiro ou orvalho.

Jung e seus colegas testaram quão pouca água os micróbios precisam para começar a fotossintetizar. A porção ideal era de 0.25 milímetros de água - menor do que a exigência de qualquer outra biocrosta conhecida. Uma vez amortecidos, os micróbios começam a fotossintetizar mais rápido do que qualquer comunidade que os pesquisadores já viram.

“Existe uma maneira de esses organismos viverem muito e prosperarem, apesar do fato de estarem em uma área hiperárida”, disse Belnap. Essa desenvoltura estende enormemente o terreno que as biocrostas podem ocupar além do que os cientistas pensavam. Embora a crosta arenosa tenha sido encontrada apenas no Pan de Azúcar até agora, os pesquisadores suspeitam que ela também possa crescer em outras regiões do Atacama e possivelmente nos desertos do sul da África.

“A crosta de areia está estabelecendo um novo limiar para as condições que tornam a vida possível”, disse Jung.

No entanto, assim como o deserto condicionou esses micróbios, os micróbios literalmente moldam o deserto. Por causa de todos os organismos que colonizam as minúsculas rochas, quando as crostas de areia ficam molhadas e as células se reidratam, o volume de cada pedra de areia aumenta em cerca de 25%. À medida que a névoa do deserto entra e sai, as pedras de areia incham e encolhem. Essas contrações regulares, juntamente com os ácidos secretados pelos micróbios durante a fotossíntese, têm um efeito de “intemperismo biológico” – quebrando rochas em seixos e de seixos em cascalho.

Embora todas as biocrostas apresentem algum grau de intemperismo, os grãos maiores da crosta arenosa são especialmente adequados para isso. O processo revela todo o potencial dos micróbios para impactar seu ambiente. Uma pele microbiana pode colar seixos, quebrá-los no solo e fertilizá-lo com nutrientes essenciais. Com efeito, a crosta pode “terraformar” o deserto.

O poder dos micróbios estava em plena exibição após um desastre em 2015. Dois anos antes de Jung pisar em Pan de Azúcar, uma rara inundação repentina devastou a área. Em apenas dois dias, a região recebeu chuvas de muitos anos. As inundações resultantes causaram pelo menos 31 mortes em cidades vizinhas.

O deserto, no entanto, explodiu de vida. Nos meses seguintes, a terra deu origem a uma exibição milagrosa de flores silvestres – um “desierto florido”. Como as plantas despertaram de um descanso de décadas com tanto entusiasmo deixou os biólogos do solo perplexos. Mas, novamente, a chave pode estar na crosta.

Fernando D. Alfaro, um ecologista microbiano da Major University no Chile, testa essa hipótese desencadeando suas próprias pequenas inundações no deserto. Ele despeja galões de água engarrafada em terrenos desérticos de metros quadrados. As parcelas cobertas com biocrosta retêm a água por muito mais tempo, e algumas conseguiram brotar plantas em apenas algumas semanas.

“Por muitos anos, [as biocrostas] estão preparando o sistema e o substrato para responder muito rapidamente a essa entrada de chuvas”, disse Alfaro. “Esses eventos florais dependem dessas minúsculas comunidades de micróbios”.

Jung também testemunhou a resiliência dos micróbios. Em 11 locais ao redor de Pan de Azúcar, ele selecionou manchas pretas e brancas vizinhas e mediu sua atividade biológica. Em seguida, ele recolheu a camada superior de areia, esterilizou-a em uma panela de pressão e colocou-a de volta no chão. Em um ano, as áreas outrora negras tornaram-se escuras novamente quando os microorganismos começaram a recolonizar as parcelas estéreis – muito mais rapidamente do que normalmente ocorre com os liquens e outros micróbios em biocrostas. Dados de sensoriamento remoto coletados durante a última década mostraram que 89% da superfície do parque é coberta pelo padrão quadriculado. Dentro dessa área colonizada, cerca de um quarto do design em preto e branco mudou nos últimos oito anos – um tempo de reação surpreendentemente rápido para os micróbios geralmente lentos.

Pequenos Conquistadores da Terra

A crosta arenosa desempenha um papel importante no ecossistema local, mas seu fascínio científico não para por aí. Antigo, estável e sobrenatural, esse ambiente também chama a atenção dos astrobiólogos.

Durante décadas, os cientistas usaram seções do Deserto do Atacama como análogos terrestres para Marte. A radiação extrema, a precipitação pouco frequente, a paisagem árida e as fortes flutuações de temperatura tornam o deserto distintamente sobrenatural. (Gutiérrez Alvarado, no entanto, afirma que a coisa mais estranha sobre Pan de Azúcar são seus colegas guardas florestais – “definitivamente eles são marcianos”, disse ele, abrindo um sorriso.)

Pesquisadores estão usando biocrostas do Atacama para construir uma biblioteca de assinaturas químicas que podem guiar a busca por vida microbiana em Marte. Mas os organismos da biocrosta também abrem uma janela para a vida em um planeta um pouco menos estranho: a Terra primitiva.

evidência fóssil sugere que os micróbios viviam perto das fontes hidrotermais do fundo do mar há cerca de 3.5 bilhões de anos. Quando e como a vida conquistou a terra, no entanto, é menos claro. O terreno nos continentes era mais difícil, mais agudo e muito mais ameaçador do que é hoje.

“Você não teria solo bem desenvolvido como tem agora”, disse Ariel Anbar, geoquímico da Arizona State University. “Plantas que dependem de ter havido muitas gerações de plantas antes para criar um ambiente hospitaleiro – elas teriam passado por momentos difíceis.”

Antes da chegada das plantas, acreditam alguns pesquisadores, crostas de micróbios poderiam ter ajudado a preparar a terra, transformando a rocha nua em solo fertilizado. Uma biocrosta bem adaptada a condições extremas poderia se apoderar de um substrato adequado que retivesse nutrientes e fosse regularmente umedecido com névoa. Ao desgastar gradualmente as rochas e estabilizar o sedimento como solo, poderia alterar o ambiente de forma a promover o desenvolvimento de organismos superiores.

“Essa biocrosta da Pan de Azúcar representa esse cenário”, disse Alfaro. “É como uma comunidade primordial para aumentar o desenvolvimento dos solos e fazer comunidades mais complexas.”

Os micróbios da crosta de areia no Atacama hoje não são uma réplica perfeita daqueles que podem ter preparado a Terra primitiva. Uma comunidade tão antiga provavelmente teria sido ajustada para um ambiente com deficiência de oxigênio e sem liquens, que se acredita terem evoluído apenas nos últimos 250 milhões de anos. Mas os pesquisadores concordam que as comunidades modernas de crosta de areia ainda podem servir como análogos valiosos para o que aconteceu eras antes.

A ideia de que os micróbios poderiam ter iniciado a habitabilidade da Terra primitiva não é nova. Na década de 1980, os cientistas ambientais David Schwartzman, da Howard University, e Tyler Volk, da New York University, sugeriram que o intemperismo biológico causada pela vida terrestre primitiva poderia ter sequestrado dióxido de carbono suficiente da atmosfera para resfriar a superfície da Terra em uma faixa habitável para outras criaturas. “Temos evidências de intemperismo realmente intenso no Arqueano”, disse Schwartzman. “Presumivelmente, os biocrusts desempenharam algum papel nisso.”

Mas não precisamos confiar em suposições. Nas últimas décadas, surgiram evidências indiretas de comunidades microbianas em terra durante o Arqueano. Gregory Retallack, professor emérito da Universidade de Oregon, acredita ter encontrado evidências de comunidades semelhantes a biocrostas em solos fossilizados (ou “paleossolos”) já há 3.7 bilhões de anos – desafiando a suposição comum de que a vida se originou no mar. “A evidência dos paleossolos é bastante clara de que havia todo tipo de coisas em terra, mesmo muito cedo”, disse ele. “Você pode ver esses tecidos de crosta microbiana apenas a olho nu.”

Uma equipe liderada por Christophe Thomazo, geobiólogo da Universidade da Borgonha, encontrou evidências de que algumas biocrostas modernas poderiam ter sobrevivido na atmosfera da Terra primitiva durante o Arqueano: seus micróbios poderiam ter fixado eficientemente nitrogênio gasoso em amônio e nitrato, fornecendo nutrientes acessíveis para o planeta ecossistema. Os pesquisadores também notaram que parte do conteúdo isotópico de carbono e nitrogênio de algumas biocrostas do deserto é semelhante ao das rochas do Arqueano.

“Existem assinaturas [nessas biocrostas] que são compatíveis com a matéria orgânica arqueana”, disse Thomazo. Ele está “bastante confiante” de que os primeiros residentes terrestres do planeta eram algo semelhante às biocrostas modernas.

Resiliente, mas Frágil

Durante a saída do parque, Gutiérrez Alvarado para o carro, desce e dá a volta. As marcas dos pneus de seu carro cortaram bruscamente a densa cobertura de crosta de areia, deixando uma série de cadáveres microbianos em seu rastro. A crosta é resistente, mas está longe de ser indestrutível, e até pegadas humanas podem destruir pequenos pedaços dela. É por isso que o Serviço Nacional de Parques colocou cartazes “Não quebre a crosta” em todo o oeste dos Estados Unidos, pedindo aos caminhantes que permaneçam nas trilhas para proteger o solo que respira.

Gutiérrez Alvarado valoriza a extensão da crosta arenosa. Como guarda florestal, sua missão é manter a paisagem do parque e tudo o que o habita protegido de visitantes negligentes e operações de mineração invasivas, disse ele. em um estudo publicado em abril que escreveu em coautoria com Jung e van den Brink, ele instou a administração do parque nacional chileno a considerar as biocrostas em seus planos de conservação da natureza.

“Precisamos justificar por que fechamos estradas ou fechamos algumas trilhas para que ninguém possa passar por lá”, disse Gutiérrez Alvarado. “Não temos leis, então a pesquisa é nosso backup.”

Mas as biocrostas enfrentam uma ameaça antropogênica muito pior do que as pegadas: a mudança climática.

Em 2018, Belnap, Büdel e seus colegas publicaram um estudo estimando como diferentes biocrostas ao redor do mundo se adaptariam às mudanças climáticas e à intensificação do uso da terra. Seus modelos previram que, até o final do século, a cobertura global de biocrostas poderia diminuir em 25% ou mais. Essas reduções podem tornar os solos menos saudáveis ​​e fazer com que a poeira solta se acumule nas camadas de neve, retendo mais calor e piorando os problemas climáticos do planeta. “Então vamos realmente começar a ver os análogos com Marte”, disse van den Brink.

No entanto, as biocrostas do Atacama se destacam neste modelo. Em cenários climáticos avançados, quando a maioria das outras crostas morre, o grão parece florescer.

À medida que o sol se põe, Gutiérrez Alvarado, van den Brink e eu escalamos um monte de areia para um último vislumbre das colinas sendo engolidas pela névoa. Do topo, também posso admirar a verdadeira extensão do império grit e suas legiões silenciosamente reivindicando território no horizonte. Não posso deixar de pensar que, o tempo todo, as rochas podem ter guardado mais um segredo: se micróbios como esses foram os primeiros a chegar, talvez também sejam os últimos a desaparecer.