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Biomineralização: e eu com isso???

Frésia S. Ricardi-Branco, Sem categoria, , , , , ,

Quando pensamos em minerais, cristais, etc. raramente relacionamos esse tipo de processo com a vida e com o nosso próprio corpo. Mas basta um rápido sorriso no espelho para ver nos nossos dentes as evidências do processo de biomineralização que realizamos. Aliás sem biomineralização não conseguiríamos viver no planeta que habitamos, e precisamente essa capacidade dos organismos de biomineralizar pode ser exclusiva do nosso planeta, fazendo com que ele seja diferente de todos os outros conhecidos no sistema solar e fora dele.

Mas a final, o que é a biomineralização? Pode ser definida como um processo mediante o qual os organismos formam minerais a partir da retirada seletiva de elementos do meio que os rodeia e incorporação na sua estrutura funcional. Esse processo, por exemplo, incorpora cristais de hidroxiapatita [(Ca10(PO4)6(OH)2)] para construir e reparar nossos ossos e dentes. A hidroxiapatita é um mineral do grupo dos fosfatos, pois utiliza o fosforo como cátion para formar os cristais que vão sendo alocados entre as fibras de colágeno e dando forma e resistência aos nossos ossos. Os cristais de hidroxiapatita possuem forma de placas e são muito pequenos. Quando esse processo para ou é realizado de forma incompleta terá como consequência a osteoporose.

Os organismos utilizam vários íons no processo de biomineralização, entre os quais o mais comum é o cálcio (Ca), podendo ser encontrado em aproximadamente 50% dos biominerais. Outros íons bastante comuns são o Silício (Si), o Fosforo (P), o Ferro (Fe) e o Enxofre (S) embora a lista seja bem mais extensa.

O processo de biomineralização não é exclusividade dos eucariontes, pois entre os registros mais antigos de biominerais se encontram os associados a bactérias que biomineralizavam Fe, por exemplo, em magnetita formando cristais denominados de magnetosomos há 3.000 milhões de anos. Essas bactérias que geram magnetita recebem o nome de magnetotáticas. Os vegetais também biomineralizam utilizando como íon principal o Si, pelo menos nos últimos 400 milhões de anos, ou seja, desde que temos registros de plantas sobre os continentes. Quem já não se cortou com a folha de capim? Essas folhas possuem diminutos corpos de sílica hidratada, ou opala, denominados como fitólitos que cumprem funções de defesa e sustentação da planta. Por sinal, cada planta biomineraliza fitólitos com formas diferentes que podem ser estudados e utilizados em estudos de reconstrução de antigas florestas.

Alguns exemplos fitolitos e de folhas capim (Poaceae) rico em fitolitos.

Há uma enorme diversidade de organismos que biomineralizam cristais utilizando o Ca na forma de calcita ou aragonita nos mares e oceanos. Um grupo que utiliza cálcio e que produz belíssimas carapaças formadas por cristais de calcita são os cocolitoforídeos. Sob essa denominação sofisticada de cocolitoforídeos são reunidos os organismos autotróficos marinhos mais abundantes do fitoplâncton, ou seja, que vivem flutuando nas camadas mas superficiais dos mares até uns 20m de profundidade. Os cocolitoforídeos são tão abundantes que, junto aos foraminíferos, são responsáveis por criar e manter o gradiente vertical da alcalinidade na água do mar, e tudo por devido à biomineralização.

Cocolitoforídeo com suas pelas placas que representam um cristal de calcita. As placas ao morrer o organismo caem isoladas no fundo dos mares e formam espessos depósitos de carbonatos, os chalk. Depósitos formados dessa forma são os white cliff da costa da Inglaterra. (sopasdepedra,ebah.com.br, wonderfulseaworld)

Os biominerais são caracterizados por apresentar uma fórmula química definida, embora a sua morfologia externa possa ser incomum se comparada com os minerais produzidos inorganicamente, mas nessa característica reside parte da sua complexidade e diversidade. Muitos são, na realidade, compostos ou aglomerações de cristais separados por matéria orgânica como no caso dos nossos ossos. Os biominerais podem existir como pequenos corpos dentro de uma rede de colágeno ou quitina (como no caso da carapaça dos caranguejos).

Como acontece a biomineralização? Para que ocorra a nucleação (formação dos primeiros núcleos cristalinos) e o posterior crescimento, a biomineralização precisa de uma zona de deposição saturada, geralmente isolada do ambiente em volta e delimitada por uma geometria física, como vesículas intracelulares, onde o meio ao redor é precisamente controlado. Há dois processos básicos responsáveis: um biologicamente induzido e outro biologicamente controlado. No primeiro caso, os organismos não têm controle do tipo e da forma dos minerais depositados, embora controlem o pH, pCO2 e a composição das secreções, como acontece nos microbialitos comentados no post “Microbialitos – fósseis mais persistentes” da Flavia.

No processo biologicamente controlado, os organismos utilizam as atividades celulares para controlar diretamente a nucleação, o crescimento, a morfologia e a localização final do mineral que está sendo depositado. Assim, a maior parte do processo ocorre num ambiente isolado. O resultado é muito sofisticado e com uma função biológica especializada dada pelo organismo, como no caso dos nossos ossos e dentes. Pense nisso na próxima vez que escovar os dentes.

Vamos deixar o mamute extinto

Flávia Callefo, Paleodiversidade, Para refletir, ,

Há poucos anos se vêm noticiando mundo a fora tentativas mirabolantes de trazer animais já extintos de volta à vida, como o grandioso mamute. Este grande animal pleistocênico é o maior alvo desta ideia por razões diferenciadas, dentre elas, a facilidade de encontrar seus corpos mumificados extremamente bem preservados devido ao aparecimento de diversos espécimes por conta do derretimento do gelo em regiões como a Sibéria. Não é de se estranhar que, vendo-os assim tão bem preservados, a ideia de “revivê-los” fica extremamente atraente, seja pelo fascínio que estes grandes animais despertam, seja pela ambição de ser dono de um grande feito como este.

Bebê mamute mumificado. Créditos: Martin Meissner
Bebê mamute mumificado. Créditos: Martin Meissner

Mas será que a interferência nos caminhos que foram traçados naturalmente pela história do nosso planeta seria realmente uma boa ideia? O que seria do pobre mamute, que fora adaptado para os períodos glaciais da Terra, a habitar grandes espaços, correr atrás de suas presas e se defender de seus predadores, bem ao modo da Era do Gelo? Os tempos eram outros, as características físicas e ambientais de nosso planeta eram outras.

O surgimento de novas tecnologias na área da biologia molecular tende a aguçar a mente dos pesquisadores mais ambiciosos, o que é excelente para novas descobertas, chances de desenvolvimento de cura e tratamento de doenças, e principalmente, um maior domínio e possibilidade de manipulação do genoma de inúmeras espécies, incluindo o ser humano. E por que não os mamutes?

Em meados de 2015, o geneticista George Church, de Harvard, e seus colaboradores, anunciaram que utilizaram uma técnica de “edição de genes chamada CRISPR (do inglês Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, ou seja, Repetições Palindrômicas Curtas Agrupadas e Regularmente Interespaçadas) para inserir genes de mamute em elefantes. Estes genes inseridos seriam os responsáveis pela expressão de alguns caracteres dos mamutes, como tamanho das orelhas mais reduzido, cor e comprimento dos pelos e a presença de gordura subcutânea. É claro que pesquisadores como estes têm em mente que, apesar da ideia soar simples, há muitas questões em jogo, como a reação das células à expressão desses genes, se de fato conseguiriam dar origem à tecidos especializados, etc.

Pensando em um futuro não muito distante, e se por acaso um experimento como este tivesse sucesso? E se nascesse um mamute de um elefante vivo? Outra questão importante a se pensar é com relação aos efeitos do meio externo ao fenótipo (características físicas do organismo que têm origem da expressão dos genes). Seria um híbrido com características tão semelhantes assim aos mamutes pleistocênicos? São inúmeras questões a serem pensadas além do experimento em laboratório. Pensando em um sucesso ainda maior (que é com relação à sobrevivência desses híbridos), até quanto tempo viveriam? Ou seriam saudáveis por quanto tempo? E penando na manutenção desses animais, teriam eles, obviamente, que ficarem restritos à ambientes polares, com alimentação fornecida e especializada, etc.

Quero deixar claro que não estou querendo levantar somente os aspectos negativos deste tipo de pesquisa, até por que acho que a ousadia é um estímulo para mover a Ciência, e nela há espaço para qualquer experimento, desde que esteja de acordo com as questões éticas. Mas o objetivo deste post é levantar as implicações à longo prazo e gerar uma reflexão do quanto valeria a pena realizar tal façanha. Apenas sou mais adepta da ideia de se utilizar técnicas como esta, por enquanto, para tentar auxiliar na luta contra a extinção de espécies atuais devido às ações antrópicas, por exemplo.

Como diz a famosa expressão, a natureza sabe o que faz.  Os eventos de extinção que ocorreram ao longo da história da vida na Terra, sejam eles por causa da própria evolução da geosfera (por exemplo, o movimento das placas tectônicas e vulcanismo, que expeliram enormes quantidades de gases na atmosfera), ou por interações ecológicas (competição entre espécies, predação, etc), ou como obra do acaso (como os impactos de corpos celestes), apesar de terem sido catastróficos para os seres que viviam nestes períodos, foram responsáveis pela “reciclagem” da vida na Terra, ou seja, possibilitaram o surgimento de novos organismos, de novos nichos, até a vida se moldar ao que conhecemos hoje. Estamos aqui devido às extinções ocorridas? Provavelmente elas têm grande parte nisso.

A evolução da vida tende a acompanhar as mudanças que a Terra vai sofrendo com o passar do tempo geológico, mas o tempo sentido pelo homem é curto demais, tem uma escala muito, mas muito menor. Então tendemos a não enxergar os benefícios causados por eventos catastróficos ou mudanças naturais, quanto menos ainda perceber os efeitos que o ambiente causa, à longo prazo, no sucesso ou “fracasso” da sobrevivência de uma espécie. Pensando desta maneira, apesar de também sermos agentes causadores de mudanças, nossas ações estão causando um prejuízo à biodiversidade do planeta muito mais além da conta para a recuperação natural dessas extinções provocadas. Mas isto seria uma discussão para outro post.

Quanto aos mamutes? Por mim é melhor deixá-los extintos, para o bem deles, e para o bem do nosso planeta. Sim, a natureza sabe o que faz, e às vezes o acaso faz bem também!

Quanto tempo demora?

Carolina Zabini, para refletir, Tempo geológico, ,

“Quanto tempo demora um mês pra passar? A vida inteira de um inseto, um embrião pra virar feto, a folha do calendário, o trabalho pra ganhar um salário… mas daqui a um mês, quando você voltar, a lua vai estar cheia, e no mesmo lugar…”

Biquini cavadão “Quanto tempo demora”

Independentemente de seu gosto pela banda, estilo musical ou por esta canção em específico a questão aqui é o tempo.

A quantidade de tempo percebida pelas pessoas é bem diferente daquela que geólogos e paleontólogos trabalham. Nesse meio é comum ouvir a expressão: “poucos milhares de anos…” Como assim, “poucos milhares?” você deve estar se perguntando; 100 anos já é muito, não?…

Vamos voltar um pouco: pense em sua infância. Um ano para cada aniversário, Natal, Páscoa entre outras festividades, não parecia muito tempo? Um mês sem aulas e você já não queria mais voltar… não é mesmo?

Bem, o que quero dizer é que mesmo ao longo de nossas vidas, a percepção de tempo muda. Já li em algum lugar que, pelo fato de aprendermos muitas coisas diferentes ao longo de um único dia, quando somos crianças, nossa noção de “dia” é expandida. Talvez por isso o ano levasse “mais tempo” para passar, apesar de contar os mesmos 365 dias. E, claro, para cada pessoa, que vive uma experiência diária diferente e percebe o mundo de forma diferente, a noção de tempo também muda.

Se para cada pessoa temos percepções diferentes de tempo, imagine agora o que acontece entre diferentes espécies. Um camundongo vive em torno de 2 anos. Acha pouco? Existe um inseto (efemérides) que, em sua fase adulta, vive somente um dia. Em 24 horas ele eclode de sua fase larval, tem sua adolescência pela manhã, torna-se um adulto a tarde, se reproduz e morre à noite.

Baseando–se no fato de que nós, mamíferos primatas, estamos acostumados com intervalos de tempo menores do que séculos, as amplitudes de tempo envolvidas, na concepção das outras espécies biológicas, são curtas – quando envolvem segundos, minutos e dias –, “normais” – quando de duração semelhante a nossa expectativa de vida – e longas  – algumas espécies vivem centenas de anos. Porém, para a escala cósmica… as coisas mudam. Como diz a música, a lua permanece em sua mesma posição, com a passagem de um mês. Assim como a Terra e os demais planetas do sistema solar, seguindo sua órbita e girando em torno de seu próprio eixo. Mas será que foi sempre assim? Nos últimos 100 anos, sim. Mas, e nos últimos 3 bilhões de anos? Em relação à lua sabemos que ela está se afastando do nosso planeta… há 4,5 bilhões de anos atrás ela e o sistema solar simplesmente ainda não haviam se formado.

Três espécies e três percepções de tempo diferentes
Três espécies e três percepções de tempo diferentes

O registro contido nas rochas representa eventos de duração diferenciada. Pode ter ocorrido em poucos segundos ou mesmo ter levado séculos para se formar. Cabe aos Geólogos e Paleontólogos analisar os diferentes vestígios e tentar descobrir de que forma foram produzidos, e também tentar investigar qual o tempo envolvido em sua criação. Olhar para as rochas, estrelas e planetas é olhar para o passado. Os processos envolvidos em suas formações são muito complexos e escapam de nossas noções cotidianas. E é isso que mais me fascina! E você? o que te fascina?

Do gelo à biodiversidade – Snowball Earth

Flávia Callefo, Geociências, Paleodiversidade, Paleontologia,

Os períodos de glaciações pelos quais a Terra passou que são mais famosos aos olhos da população, graças a filmes bem populares, são as que ocorreram durante o Quaternário, as chamadas “Eras do Gelo”. Neste cenário, podemos exemplificar a megafauna que reinava, como os mamutes e preguiças gigantes. Todo mundo deve imaginar que nesses períodos, onde a temperatura diminuía consideravelmente e o gelo cobria extensas áreas do globo, deveria ter efeitos devastadores para a vida no planeta. E de fato tinha, pois a oferta de alimentos e refúgios diminuía, assim como a luminosidade e calor nos oceanos e continentes. De um modo geral, a produtividade primária era consideravelmente prejudicada. Mas eventos como essas glaciações foram cruciais para grandes passos na evolução e diversificação da vida em um certo período da história da Terra. E este período foi há aproximadamente 540 milhões de anos atrás, que marca o fim do Pré-Cambriano, onde a vida era dominada por microrganismos e restrita aos oceanos.

Sabe-se que antes do período Cambriano (540 milhões de anos atrás), a vida surgiu de forma unicelular e permaneceu relativamente simples até ocorrer a chamada Explosão da Vida Cambriana, na qual houve uma verdadeira multiplicação e diversificação da vida multicelular, inclusive o surgimento de partes duras como exo e endoesqueletos. Mas o que poderia ter sido o gatilho para essa repentina (do ponto de vista do tempo geológico) diversidade da vida? E o que isso tem haver com as glaciações?

Figura 1: Snowball Earth (Terra Bola de Neve) – perspectiva artística de como a Terra ficou coberta por gelo no Pré-Cambriano. Fonte: desconhecido.
Figura 1: Snowball Earth (Terra Bola de Neve) – perspectiva artística de como a Terra ficou coberta por gelo no Pré-Cambriano. Fonte: desconhecido.

Bom, para responder a estas perguntas, precisamos primeiro nos atentar a duas evidências curiosas desse intervalo de tempo (Pré-Cambriano – Cambriano). A primeira delas são depósitos de tilitos encontrados em diversos locais do mundo. Essas rochas são relativas à deposição por ação de geleiras, e são datadas de 800 a 600 milhões de anos, ou seja, pertencem ao final do Pré-Cambriano. Seriam evidências de glaciações que ocorreram neste período. Há algumas teorias que apontam que as causas dessas glaciações no Pré-Cambriano teriam sido geradas pelo aumento do sequestro de carbono da atmosfera por maior fixação de CO2 pelo solo no supercontinente Rodínia, o que diminuiu o efeito estufa da Terra, tendo como consequência a diminuição da temperatura. Com isto, houve uma expansão das calotas polares e, consequentemente, um aumento no albedo (quando os raios solares refletem ao atingem a superfície da Terra). Esta intensificação do albedo teria aumentado mais ainda a expansão das calotas polares, que atingiram latitudes próximas ao Equador, dando o significado literal para a expressão Snowball Earth (Terra Bola de Neve).

A segunda evidência consiste de camadas de carbonatos (rochas que se formam a temperaturas mais quentes e muitas vezes são associadas à precipitação orgânica), encontradas depositadas logo acima das camadas de tilitos (depositadas em ambientes de geleiras). O fato curioso é que isto representaria uma mudança brusca de significados paleoambientais: de um ambiente glacial a um ambiente quente em um intervalo muito curto de tempo. O que poderia explicar essa sucessão de depósitos inusitada é que, por mais que a Terra estivesse coberta por gelo, o movimento dos continentes continuava. Sendo assim, o rifteamento do supercontinente Rodínia ocasionou intensa atividade vulcânica, o que aumentou as concentrações de CO2 na atmosfera, gerando novamente um efeito estufa, o qual auxiliou no derretimento das geleiras.

Figura 2: reconstituição paleoartística do que seria a Fauna de Ediacara. Vitrine do Smithsonian Museum, Washington, DC.
Figura 2: reconstituição paleoartística do que seria a Fauna de Ediacara. Vitrine do Smithsonian Museum, Washington, DC.

Entendendo esta história toda, podemos agora tratar da explosão da vida ocorrida no Cambriano. Como dito anteriormente, um período glacial não é tão favorável à manutenção da vida na Terra, ainda mais os tipos de vida reinantes nos mares do Pré-Cambriano, que eram menos complexas. Não só a temperatura diminuiu, mas também a luminosidade nos oceanos devido ao recobrimento pelo gelo. Com isto, a vida ficou restrita a porções de refúgio, como fontes hidrotermais, zonas de rifteamento e lugares onde a espessura do gelo que recobria as águas era menor. As formas de vida que não resistiram a esta mudança ambiental extrema morreram e acabaram enriquecendo as águas dos oceanos com matéria orgânica. Quando a temperatura da Terra voltou a subir, houve condições para a proliferação da vida novamente, de maneira mais intensa e muito mais diversificada. Hipóteses que defendem o aumento da oxigenação nos mares sustentam que isto pode ter sido um dos gatilhos para eventos evolutivos que deram origem a toda aquela diversidade.

Enfim, com tantas hipóteses e incertezas acerca da teoria do Snowball Earth, que até hoje é muito controversa, não se pode negar que houve benefícios para a vida na Terra após este período. Desta explosão de vida que ocorreu no Cambriano é que teve origem os ancestrais de diversos filos que conhecemos hoje, que fazem parte da grande biodiversidade do nosso planeta.

Figura 3: Explosão da vida cambriana. Fonte: Burgess Shale Fauna, de Carel Brest van Kempen, 1989.
Figura 3: Explosão da vida cambriana. Fonte: Burgess Shale Fauna, de Carel Brest van Kempen, 1989.