Os cientistas perceberam que no solo e nas rochas sob nossos pés existe uma vasta biosfera com um volume global quase o dobro de todos os oceanos do mundo. Pouco se sabe sobre esses organismos subterrâneos, que representam a maior parte da massa microbiana do planeta e cuja diversidade pode exceder a das formas de vida que habitam a superfície. Sua existência vem com um grande quebra-cabeça: os pesquisadores muitas vezes assumem que muitos desses reinos subterrâneos são zonas mortas com deficiência de oxigênio habitadas apenas por micróbios primitivos que mantêm seus metabolismos em um rastreamento e raspagem em vestígios de nutrientes. À medida que esses recursos se esgotam, pensava-se, o ambiente subterrâneo deve se tornar sem vida com maior profundidade.

In nova pesquisa publicado no mês passado em Natureza das Comunicações, os pesquisadores apresentaram evidências que desafiam essas suposições. Em reservatórios de água subterrânea 200 metros abaixo dos campos de combustível fóssil de Alberta, no Canadá, eles descobriram micróbios abundantes que produzem quantidades inesperadamente grandes de oxigênio, mesmo na ausência de luz. Os micróbios geram e liberam tanto do que os pesquisadores chamam de “oxigênio escuro” que é como descobrir “a escala de oxigênio proveniente da fotossíntese na floresta amazônica”, disse Karen Lloyd, um microbiologista de subsuperfície da Universidade do Tennessee que não fez parte do estudo. A quantidade de gás que se difunde para fora das células é tão grande que parece criar condições favoráveis ​​para a vida dependente de oxigênio nas águas subterrâneas e nos estratos circundantes.

“É um estudo histórico”, disse Bárbara Sherwood Lollar, um geoquímico da Universidade de Toronto que não participou do trabalho. Pesquisas anteriores muitas vezes analisaram mecanismos que poderiam produzir hidrogênio e algumas outras moléculas vitais para a vida subterrânea, mas a geração de moléculas contendo oxigênio foi amplamente negligenciada porque o oxigênio parece tão ligado à fotossíntese e à presença de luz. Até agora, “nenhum estudo reuniu tudo como este”, disse ela.

O novo estudo analisou aquíferos profundos na província canadense de Alberta, que possui depósitos tão ricos de alcatrão subterrâneo, areias betuminosas e hidrocarbonetos que foi apelidado de “o Texas do Canadá”. Como suas enormes indústrias de criação de gado e agricultura dependem fortemente de águas subterrâneas, o governo provincial monitora ativamente a acidez e a composição química da água. No entanto, ninguém havia estudado sistematicamente a microbiologia das águas subterrâneas.

Escolha Emil Ruff, conduzir tal pesquisa parecia “uma fruta ao alcance da mão” em 2015, quando ele iniciou sua bolsa de pós-doutorado em microbiologia na Universidade de Calgary. Mal sabia ele que esse estudo aparentemente simples iria sobrecarregá-lo pelos próximos seis anos.

As Profundezas Aglomeradas

Depois de coletar água subterrânea de 95 poços em Alberta, Ruff e seus colegas começaram a fazer microscopia básica: eles mancharam células microbianas em amostras de água subterrânea com um corante de ácido nucleico e usaram um microscópio de fluorescência para contá-las. Ao datar por rádio a matéria orgânica nas amostras e verificar as profundidades em que foram coletadas, os pesquisadores conseguiram identificar as idades dos aquíferos subterrâneos que estavam explorando.

Um padrão nos números os intrigou. Normalmente, em levantamentos do sedimento sob o fundo do mar, por exemplo, os cientistas descobrem que o número de células microbianas diminui com a profundidade: amostras mais antigas e profundas não podem sustentar tanta vida porque são mais isoladas dos nutrientes produzidos pelas plantas fotossintéticas e algas perto da superfície. Mas, para surpresa da equipe de Ruff, as águas subterrâneas mais antigas e profundas continham mais células do que as águas mais doces.

Os pesquisadores então começaram a identificar os micróbios nas amostras, usando ferramentas moleculares para identificar seus genes marcadores reveladores. Muitos deles eram archaea metanogênicos – micróbios simples e unicelulares que produzem metano depois de consumir hidrogênio e carbono que vazam das rochas ou da matéria orgânica em decomposição. Também estavam presentes muitas bactérias que se alimentam do metano ou dos minerais da água.

O que não fazia sentido, no entanto, era que muitas das bactérias eram aeróbias – micróbios que requerem oxigênio para digerir metano e outros compostos. Como os aeróbios poderiam prosperar em águas subterrâneas que não deveriam ter oxigênio, já que a fotossíntese é impossível? Mas as análises químicas também encontraram muito oxigênio dissolvido nas amostras de águas subterrâneas de 200 metros de profundidade.

Foi inédito. “Com certeza estragamos a amostra”, foi a reação inicial de Ruff.

Ele primeiro tentou mostrar que o oxigênio dissolvido nas amostras era resultado de manuseio incorreto. “É como ser Sherlock Holmes”, disse Ruff. “Você tenta encontrar evidências e indicações” para refutar suas suposições. No entanto, o teor de oxigênio dissolvido parecia consistente em centenas de amostras. O manuseio incorreto não poderia explicar isso.

Se o oxigênio dissolvido não veio de contaminação, de onde veio? Ruff percebeu que estava à beira de algo grande, embora fazer afirmações controversas fosse contra sua natureza. Muitos de seus co-autores também tinham dúvidas: a descoberta ameaçava destruir a base de nossa compreensão dos ecossistemas subterrâneos.

Fazendo oxigênio para todos

Em teoria, o oxigênio dissolvido nas águas subterrâneas poderia ter origem em plantas, micróbios ou em processos geológicos. Para encontrar a resposta, os pesquisadores recorreram à espectrometria de massa, uma técnica que pode medir a massa de isótopos atômicos. Normalmente, os átomos de oxigênio de fontes geológicas são mais pesados ​​que o oxigênio de fontes biológicas. O oxigênio na água subterrânea era leve, o que implicava que devia ter vindo de uma entidade viva. Os candidatos mais plausíveis eram os micróbios.

Os pesquisadores sequenciaram os genomas de toda a comunidade de micróbios nas águas subterrâneas e rastrearam as vias bioquímicas e as reações com maior probabilidade de produzir oxigênio. As respostas continuaram apontando para uma descoberta feita há mais de uma década por Marc Strous da Universidade de Calgary, autor sênior do novo estudo e chefe do laboratório onde Ruff estava trabalhando.

Enquanto trabalhava em um laboratório na Holanda no final dos anos 2000, Strous percebeu que um tipo de bactéria que se alimenta de metano frequentemente encontrada em sedimentos de lagos e lodo de águas residuais tinha um modo de vida estranho. Em vez de absorver oxigênio de seu ambiente como outros aeróbios, a bactéria criou seu próprio oxigênio usando enzimas para quebrar os compostos solúveis chamados nitritos (que contêm um grupo químico feito de nitrogênio e dois átomos de oxigênio). As bactérias usaram o oxigênio autogerado para dividir o metano para obter energia.

Quando os micróbios decompõem os compostos dessa maneira, isso é chamado de dismutação. Até agora, era considerado raro na natureza como método de geração de oxigênio. Experiências de laboratório recentes envolvendo comunidades artificiais de micróbios, no entanto, revelou que o oxigênio produzido pela dismutação pode vazar das células para o meio circundante em benefício de outros organismos dependentes de oxigênio, em uma espécie de processo simbiótico. Ruff acha que isso pode ser o que permite que comunidades inteiras de micróbios aeróbicos prosperem nas águas subterrâneas e, potencialmente, também nos solos circundantes.

Química para a vida em outro lugar

A descoberta preenche uma lacuna crucial em nossa compreensão de como a enorme biosfera subterrânea evoluiu e como a dismutação contribui para o ciclo de compostos que se movem pelo ambiente global. A mera possibilidade de que o oxigênio esteja presente nas águas subterrâneas “muda nossa compreensão sobre o passado, presente e futuro do subsolo”, disse Ruff, que agora é cientista assistente no Laboratório de Biologia Marinha em Woods Hole, Massachusetts.

Compreender o que vive no subsolo do nosso planeta também é “crucial para traduzir esse conhecimento em outro lugar”, disse Lollar. O solo de Marte, por exemplo, contém compostos de perclorato que alguns micróbios da Terra podem transformar em cloreto e oxigênio. A lua de Júpiter, Europa, tem um oceano profundo e congelado; a luz solar pode não penetrá-lo, mas o oxigênio pode ser produzido ali por dismutação microbiana em vez de fotossíntese. Os cientistas observaram plumas de vapor d'água saindo da superfície de Encélado, uma das luas de Saturno. As plumas provavelmente se originam de um oceano subterrâneo de água líquida. Se algum dia encontrarmos vida em outros mundos como esses, isso pode estar usando caminhos de dismutação para sobreviver.

Independentemente da importância da dismutação em outras partes do universo, Lloyd fica surpreso com o quanto as novas descobertas desafiam noções preconcebidas sobre as necessidades da vida e com a falta de noção científica que revelam sobre uma das maiores biosferas do planeta. “É como se tivéssemos ovos na cara o tempo todo”, disse ela.

Nota do editor: Ruff recebeu financiamento de investigador em início de carreira da Simons Foundation, que também apóia Quanta como uma revista de notícias científicas editorialmente independente. As decisões de financiamento não afetam a cobertura editorial.

Correção: 17 de julho de 2023
Uma versão anterior deste artigo descrevia incorretamente os nitritos como contendo três átomos de oxigênio em vez de dois.