Proteínas antigas que captam luz, essenciais para a visão, podem ajudar-nos a encontrar vida extraterrestre.

Será que vamos encontrar vida simples algures? Talvez em Encélado ou Europa, aqui no nosso Sistema Solar, ou mais longe, num exoplaneta?

À medida que nos tornamos mais capazes de explorar o Sistema Solar e de observar exoplanetas com maior detalhe, a hipótese de detetarmos alguma forma de vida elementar está a deixar de ser matéria de ficção científica para passar a integrar, de forma cada vez mais concreta, o planeamento de missões.

E, com essa possibilidade a aproximar-se, vale a pena colocar uma pergunta essencial: que aspeto poderia ter essa eventual vida?

Uma equipa de investigadores da Universidade da Califórnia, Riverside, recorreu à Terra antiga e a alguns dos seus primeiros habitantes para clarificar como poderia ser a vida simples noutros mundos - e como poderiam ser as atmosferas desses mundos.

A Terra de hoje pouco tem a ver com a Terra quando era habitada apenas por vida simples. O Grande Evento de Oxigenação (GOE, na sigla em inglês) transformou o planeta de forma irreversível e colocou-o no caminho que levou ao mundo atual, com uma atmosfera rica em oxigénio e formas de vida complexas. Antes do GOE, a atmosfera terrestre era muito diferente - e a própria vida esteve na origem dessa mudança. Esta breve história sublinha um ponto fundamental: vida e ambiente evoluem em conjunto.

As primeiras formas de vida terrestres existiam num contexto relativamente pobre em energia, sob uma atmosfera com pouco oxigénio.

A luz do Sol era a única fonte de energia prontamente disponível e, muito antes de a fotossíntese ter surgido, os organismos exploravam a luz solar de outra maneira.

Em vez disso, recorriam a proteínas chamadas rodopsinas para captar energia do Sol - um método mais simples de aproveitar essa energia do que o mecanismo, mais complexo, da fotossíntese.

"On early Earth, energy may have been very scarce. Bacteria and archaea figured out how to use the plentiful energy from the Sun without the complex biomolecules required for photosynthesis," afirmou o astrobiólogo Edward Schwieterman, da UC Riverside, num comunicado de imprensa.

Schwieterman é coautor de um novo estudo publicado na Molecular Biology and Evolution. O trabalho intitula-se "Earliest Photic Zone Niches Probed by Ancestral Microbial Rhodopsins" e é liderado por Betul Kacar, astrobióloga da Universidade do Wisconsin–Madison.

A utilidade das rodopsinas evidencia-se pelo facto de não terem desaparecido com as formas de vida iniciais que as originaram. Pelo contrário, estão amplamente distribuídas nos organismos atuais - incluindo em nós. Existem nos bastonetes da retina, onde são fundamentais para a visão em condições de pouca luz. Também aparecem em vida simples moderna, em ambientes como tanques de salinas.

O facto de continuarem presentes em organismos contemporâneos cria uma ponte para a história evolutiva das rodopsinas. É essa ponte que os investigadores estão a examinar com recurso a aprendizagem automática e sequenciação de proteínas. Com estas ferramentas, conseguem seguir a evolução dessas proteínas ao longo de escalas de tempo geológicas.

Observar a vida e a atmosfera atuais da Terra, por si só, não é uma boa forma de inferir como procurar vida noutros mundos. A nossa atmosfera, hoje, é rica em oxigénio; contudo, segundo alguns estudos, a atmosfera da Terra primitiva poderá ter sido mais semelhante à de Vénus.

Ao reconstruir a forma como as rodopsinas mudaram ao longo do tempo, os autores do novo artigo criaram uma espécie de árvore genealógica destas proteínas. Assim, conseguiram reconstituir rodopsinas datadas de há cerca de 2,5 a 4 mil milhões de anos.

Grande parte da procura de vida concentra-se nas atmosferas planetárias. Certas moléculas atmosféricas podem funcionar como biomarcadores; porém, para perceber quais poderiam indicar a presença de vida simples e antiga, é preciso conhecer com detalhe como era a atmosfera da Terra primitiva quando o planeta já tinha vida simples.

"Decoding the complex relationships between life and the environments it inhabits is central to reconstructing the factors that determine planetary habitability over geologic timescales," escrevem os autores no início do artigo, preparando o terreno para os resultados apresentados.

"Life as we know it is as much an expression of the conditions on our planet as it is of life itself. We resurrected ancient DNA sequences of one molecule, and it allowed us to link to the biology and environment of the past," disse a líder do estudo, Kacar.

O trabalho da equipa tem paralelos com os testes genealógicos hoje disponíveis. Nós enviamos o nosso ADN e ficamos a saber bastante sobre as nossas origens. O esforço desta equipa vai muito além disso, mas a analogia ajuda a visualizar a abordagem.

"It's like taking the DNA of many grandchildren to reproduce the DNA of their grandparents. Only, it's not grandparents, but tiny things that lived billions of years ago, all over the world," explicou Schwieterman.

Os investigadores identificaram diferenças entre rodopsinas antigas e modernas no tipo de luz que absorvem. As reconstruções genéticas indicam que as rodopsinas ancestrais absorviam sobretudo luz azul e verde, enquanto as rodopsinas atuais absorvem azul, verde, amarelo e laranja. Esta diferença é um indício das condições ambientais que distinguiam a Terra antiga da Terra moderna.

Sabe-se que a Terra primitiva não tinha camada de ozono antes do GOE, que ocorreu há aproximadamente 2 a 2,4 mil milhões de anos.

A camada de ozono não pode existir sem oxigénio livre na atmosfera e, sem essa proteção, a vida na Terra estava exposta a níveis de radiação UV muito superiores aos atuais.

Hoje, a camada de ozono terrestre absorve entre 97% e 99% da radiação UV do Sol.

A equipa considera que o facto de as rodopsinas antigas captarem luz azul e verde - mas não amarelo e laranja - sugere que a vida que dependia delas vivia a vários metros de profundidade na coluna de água. A água acima desses organismos atuava como escudo contra a radiação UVB intensa à superfície.

Depois do GOE, a camada de ozono passou a fornecer proteção contra a radiação UV solar, e a vida evoluiu rodopsinas mais modernas, capazes de absorver uma gama mais ampla de luz. Assim, as rodopsinas atuais conseguem aproveitar luz amarela e laranja, além da azul e verde.

As rodopsinas modernas têm ainda outra particularidade: conseguem absorver luz que os pigmentos de clorofila da fotossíntese não conseguem. Num exemplo notável de “elegância” evolutiva, rodopsinas modernas e fotossíntese complementam-se ao absorverem comprimentos de onda diferentes, apesar de serem mecanismos independentes e sem relação direta. Esta complementaridade levanta uma questão intrigante na evolução.

"This suggests co-evolution, in that one group of organisms is exploiting light not absorbed by the other," disse Schwieterman. "This could have been because rhodopsins developed first and screened out the green light, so chlorophylls later developed to absorb the rest. Or it could have happened the other way around."

Muitas pistas sobre a natureza da vida inicial da Terra estão inscritas na geologia. É comum os cientistas analisarem rochas antigas para perceber de que modo a vida primitiva sobreviveu e evoluiu.

Também se investiga o comportamento do Sol e a fração da sua energia que atingiu a superfície do planeta à medida que a Terra mudava ao longo do tempo. Mas existe agora uma ferramenta adicional.

"The information encoded in life itself may provide novel insights into how our planet has maintained planetary habitability where geologic and stellar inferences fall short," explicam os autores no artigo.

Na vida antiga, as rodopsinas funcionavam como um tipo de bomba de protões. Uma bomba de protões cria um gradiente de energia no organismo. Isto é distinto da fotossíntese, que gera energia química para sustentar a sobrevivência. A bomba de protões e o gradiente energético resultante produzem uma diferença de potencial eletroquímico através da membrana celular. É comparável a uma bateria, porque esse gradiente disponibiliza energia para utilização posterior.

Ainda assim, do ponto de vista de quem tem curiosidade científica, não é indispensável perceber ao pormenor o mecanismo. O essencial é compreender como estas pistas podem ajudar a reconhecer atmosferas de exoplanetas semelhantes à da Terra primitiva - e a vida simples que poderia prosperar em tais condições.

A equipa afirma que a informação contida em biomoléculas pode revelar nichos onde a vida antiga sobreviveu e que não aparecem em qualquer registo paleontológico. Referem-se a estas moléculas como “paleosensores”.

Os investigadores acrescentam que, como a "… functional diversification and spectral tuning of this taxonomically diverse protein family…" estão interligadas, as rodopsinas constituem um excelente sistema de teste em laboratório para identificar bioassinaturas detetáveis à distância em exoplanetas.

E o trabalho não termina aqui.

O objetivo passa por aplicar técnicas de biologia sintética para investigar rodopsinas ancestrais, o modo como influenciaram a atmosfera primitiva da Terra e como poderiam também moldar atmosferas de exoplanetas.

"We engineer the ancient DNA inside modern genomes and reprogram the bugs to behave how we believe they did millions of years ago. Rhodopsin is a great candidate for laboratory time-travel studies," afirmou Kacar.

Algumas evidências sobre a vida e a atmosfera iniciais da Terra continuam fora do nosso alcance. Ainda assim, a metodologia desta equipa está a contornar parte dos obstáculos que dificultam a procura dessas pistas. E é impossível prever até onde pode levar.

"Our study demonstrates for the first time that the behavioral histories of enzymes are amenable to evolutionary reconstruction in ways that conventional molecular biosignatures are not," disse Kacar.

Quanto mais aprendemos sobre a Terra primitiva, mais pistas ganhamos sobre outros mundos. Se vários planetas forem capazes de sustentar vida, é provável que cada um tenha seguido um percurso diferente até a alojar. No entanto, haverá semelhanças na química e na física subjacentes. E, tal como aconteceu aqui, a interação entre vida e ambiente deverá moldar a história desses mundos.

"The co-evolution of environment and life early in Earth's history serves as a model for predicting universal, detectable biosignatures that might be generated on a microbe-dominated planet beyond our Solar System," escrevem os autores.

"Early Earth is an alien environment compared to our world today. Understanding how organisms here have changed with time and in different environments is going to teach us crucial things about how to search for and recognize life elsewhere," concluiu Schwieterman.

Este artigo foi originalmente publicado pelo Universe Today. Leia o artigo original.