Astronomia e Física 14 de abril de 2022, 07:00 14/04/2022

A busca por vida em Marte com base em estudos da vida na Terra

Autores

Jovens revisores

Resumo

Hoje, Marte é um ambiente seco, inóspito, sem água líquida em sua superfície; mas, há bilhões de anos, pode ter sido rico em água, como a Terra. Os cientistas acreditam que, quando a água desapareceu de Marte, a quantidade restante foi se tornando cada vez mais salgada e rica em enxofre. Pesquisando ambientes na Terra com química similar, podemos elaborar hipóteses sobre a possível existência de vida em Marte no passado. Em nossa pesquisa, estudamos o Pico Colour, um sistema de nascentes ricas em enxofre e sal no extremo do Ártico canadense. Nesse ambiente, as bactérias usam o enxofre para obter energia. Analisando amostras de água e sedimentos da região, confirmamos: bactérias que usavam enxofre como fonte de energia poderiam ter vivido em Marte. Esses resultados talvez ajudem os cientistas que analisam dados das missões de Marte a encontrar evidências de que já houve vida naquele planeta.

A água de Marte

Todo ser vivo precisa de água. Desde 1971, nove missões pousaram com sucesso em Marte e há hoje catorze satélites orbitando o planeta. Nenhuma dessas missões observou diretamente água em estado líquido ou encontrou indícios de vida atualmente na superfície. Entretanto, observaram-se estruturas (como bacias fluviais) e rochas e minerais (como argila) com traços de umidade na superfície marciana, o que pode ser prova da presença de água [1]. Os cientistas acham que, há bilhões de anos, havia água em Marte.

A água líquida desapareceu do planeta, em parte, devido à perda de sua atmosfera; mas, graças a dados obtidos pelas missões, temos uma ideia de como era o ambiente de Marte no passado. Segundo os estudos indicam, quando começou a evaporar, a água se tornou salgada (com pelo menos duas vezes mais sal do que a água dos mares da Terra) e rica em enxofre, sobretudo em sua forma de sulfato. Essa é a substância que dá cheiro aos ovos podres! Sabemos também que os principais elementos exigidos para haver vida na Terra (carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre (abreviatura: CHONPS) foram, todos eles, identificados em rochas e solos marcianos.

Se existiu vida em Marte, isso aconteceu no interior ou nas redondezas de corpos d’água; e os possíveis organismos marcianos devem ter deixado marcas de sua existência. Antes de enviar missões a Marte a fim de rastrear evidências de vida, precisamos ter uma ideia do tipo de evidência que devemos procurar. Essa preparação é importante porque tais missões são incrivelmente complicadas e caras. Os cientistas começam sua preparação estudando ambientes na Terra que possuam elementos químicos de água similares aos que existiram em Marte. Não há na Terra nenhum ambiente perfeitamente adequado, mas muitos são parecidos o bastante para aprimorarmos nosso conhecimento da água marciana e da possibilidade de ter havido vida ali. 

Um desses ambientes é o sistema de nascentes do Pico Colour, na ilha Axel Heiberg, região do Ártico setentrional do Canadá (Figura 1), onde a água é muito salgada e rica em enxofre. A temperatura média do ar, no Pico Colour, é de -200C. No inverno, pode descer a -400C, mas as nascentes da ilha nunca se congelam devido a seu alto teor de sal (o sal é espalhado em estradas para impedir a formação de gelo) [2, 3]. Coletamos sedimentos e água do Pico Colour e os armazenamos a baixa temperatura até chegarem a um laboratório no Reino Unido.

Figura 1 (A) Mapa da ilha Axel Heiberg com terra em marrom e capas de gelo em branco.
O Pico Colour é indicado com uma estrela e duas nascentes salgadas com pontos vermelhos. (B) Fotografia do Pico Colour com indicações de suas nascentes. O mapa foi produzido pela modificação de uma imagem do Google Maps (Map Data @2020 Google) com uso do programa Illustrator Creative Cloud, versão 21.0.2. Essas imagens foram tiradas de Macey et al., [3] sob licença da Creative Commons 4.0 (creativecommons.org/licences/by/4.0).

Analisamos a composição química da água das fontes do Pico Colour usando uma técnica chamada espectroscopia de emissão ótica de plasma indutivamente acoplado (inductively coupled plasma optical emission spectroscopy, ICP-OES). A ICP-OES trabalha aquecendo água a fim de criar plasma (um gás muito quente e energizado) e detectando cores específicas da luz emitida por cada elemento da água.

Usando dados geológicos coletados na superfície de Marte pelo Curiosity Rover da NASA, recorremos a um programa de computador para modelar a composição química da antiga água de Marte. A composição da provável água antiga de Marte era incrivelmente similar à da água do Pico Colour. Isso quer dizer que as bactérias que vivem nas fontes do Pico Colour sobrevivem e crescem sob condições semelhantes às que outrora devem ter prevalecido em Marte.

O que vive na água do Pico Colour

Identificamos as bactérias que vivem nas fontes do Pico Colour examinando seu DNA (ácido desoxirribonucleico). A famosa hélice dupla do DNA é o código genético que instrui as células a produzirem vários tipos de proteínas e regula o modo como estas são usadas nas funções celulares. Há um gene-chave que nos permite identificar as bactérias que vivem num determinado ambiente: o 16S rRNA. Esse gene, que existe numa forma ligeiramente diferente em todos os tipos de bactérias, desempenha um papel fundamental na replicação e no crescimento das bactérias. Estudando esse gene num ambiente, podemos identificar os vários tipos de bactérias que vivem ali.

No entanto, antes de podermos estudar o gene, precisamos retirar o DNA das bactérias presentes na amostra. Para isso, temos de superar dois grandes problemas. Primeiro: o modo padrão de extrair DNA de bactérias é usar substâncias químicas para abrir as células e só aproveitar o DNA. A grande quantidade de sal na água do Pico Colour fez com que essas substâncias químicas reagissem de maneira estranha, de modo que não conseguimos coletar nenhum DNA.  Segundo: dado que a água do Pico Colour é fria e salgada, o DNA das bactérias mortas e destruídas há anos ficou preservado, mas não podemos distinguir o DNA de bactérias mortas há muito tempo do DNA daquelas que estão vivas [5].

A fim de superar o primeiro problema, lavamos as amostras com água puríssima, para retirar o sal das bactérias. A fim de superar o segundo, estudamos o ácido ribonucleico (RNA), bem como o DNA. O RNA é uma cópia de cadeia simples do DNA que a célula lê para produzir proteínas. O RNA se decompõe de maneira incrivelmente rápida, mesmo sob condições de frio e quantidade grande de sal; assim, procurar o gene 16S rRNA no RNA e no DNA ajudou-nos a constatar quais bactérias estavam vivas quando a amostra foi colhida. Usando essa abordagem, nossa pesquisa revelou que muitas das bactérias que vivem no Pico Colour pertencem a um grupo chamado bactérias oxidantes de enxofre (BOE) [3].

Qual o significado desses resultados?

As BOEs usam o enxofre como fonte de energia. Dada a grande quantidade de enxofre na água do Pico Colour, faz sentido que essa seja uma maneira bem-sucedida de viver nesse ambiente. A água do passado de Marte também conteria muito enxofre, fornecendo a principal fonte de energia para as BOEs. Muitas destas obtêm o carbono de que precisam capturando-o do dióxido de carbono do ar, como fazem as plantas – a isso se dá o nome de autotrofia.

A autotrofia terá sido também uma boa estratégia em Marte, em virtude da imensa quantidade de dióxido de carbono em sua atmosfera (95.000 partes por milhão [ppm], contra 415 ppm na Terra). Algumas BOEs também podem crescer sem oxigênio (muito raro em Marte) e usar substâncias químicas com base de nitrogênio, os nitratos, que foram detectados nas rochas de Marte (Figura 2)[6].

Figura 2. Fontes propostas de elementos essenciais à vida (carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre – CHONPS) para as BOEs das nascentes do Pico Colour e o ambiente aquático previsto em Marte. A presença dos elementos no sedimento e as concentrações de dióxido de carbono na atmosfera se baseiam em estudos do ambiente do Pico Colour e em dados de missões enviadas à superfície de Marte [6, 7]. Essas imagens foram extraídas de Macey et al., [3], sob licença da Creative Commons 4.0 (creativecommons.org/licences/by/4.0).

Depois de mostrar que as BOEs podem prosperar na água do Pico Colour e sabendo que todos os principais elementos (CHONPS) exigidos para o crescimento estão presentes, procuramos descobrir se a água marciana que modelamos conseguiria amparar o crescimento bacteriano. Isso é importante porque, além de precisar de elementos específicos, as BOEs têm de produzir energia para crescer. Se soubermos as concentrações dos elementos específicos, poderemos calcular se eles existem em quantidade suficiente para produzir a energia de que as bactérias necessitam. A equação usada para calcular essa energia se chama equação da energia de Gibbs e foi desenvolvida pelo cientista Willard Gibbs [8]. Com essa equação, podemos dizer que as BOEs não apenas produzem energia suficiente para crescer como são um dos poucos tipos de bactérias que conseguem prosperar nessas águas específicas. Um esboço de nosso trabalho está na Figura 3.

Figura 3. Os passos dados nesse estudo. Os passos do trabalho de campo estão em branco; os da microbiologia, em amarelo; a constituição química, em laranja; e o trabalho relacionado a Marte, em vermelho.
Esse é um resultado bastante animador porque as BOEs alteram a química de seu ambiente enquanto crescem. Isso gera evidências de vida, inclusive a elaboração e formação de substâncias químicas e minerais específicos, que podem ser utilizados como indícios de vida até muito depois da morte das bactérias [9, 10]. Se bactérias como as BOEs já cresceram em Marte, é possível que o tipo de evidência deixado por elas na Terra seja encontrado lá.

O futuro

Estudamos um ambiente na Terra (as águas salgadas e sulfurosas das nascentes do Pico Colour) considerado similar ao que possa ter existido em Marte no passado (4,1 – 3,7 bilhões de anos atrás). Com base nesse trabalho, pudemos obter um conhecimento melhor do tipo de vida que teria sobrevivido em Marte. Combinando microbiologia, química e modelagem, mostramos que as bactérias oxidantes de enxofre sobrevivem nessas nascentes do Ártico e, potencialmente, podem ter crescido em Marte no passado.

Dois veículos espaciais (o Perseverance da NASA e o Tianwen-1 da Administração Espacial Chinesa) pousaram recentemente em Marte. Vai levar anos até que possamos compreender os dados que essas missões estão obtendo e determinar se existiu vida em Marte, e isso será tarefa para a futuras gerações de jovens pesquisadores. É animador pensar que nosso trabalho e nossos métodos contribuirão para responder a uma das perguntas mais intrigantes de nosso tempo: estamos sozinhos no universo?

Glossário

CHONPS: Sigla para carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo e enxofre, considerados os principais elementos para a vida, uma vez que constituem quase 98% de todas as moléculas das células vivas.

Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES) [Espectroscopia de Emissão Ótica de Plasma Indutivamente Acoplado]: Técnica científica que utiliza o aquecimento de água para criar plasma (um gás quente e energizado) e detectar as cores da luz emitida por cada elemento da água.

Gene 16S rRNA: Gene que desempenha papel de destaque no crescimento e replicação da célula. Encontra-se, de forma parecida, em todas as bactérias e as diferenças na sequência podem ajudar a identificá-las.

Bactérias Oxidantes de Enxofre: Um tipo de bactéria que retira energia do enxofre.

Autotrofia: Processo de obter compostos complexos (por exemplo, os blocos que constituem uma célula) a partir de substâncias simples (por exemplo, o dióxido de carbono, CO2).

Equação da Energia de Gibbs: Equação usada para calcular a quantidade de energia que uma dada reação química produzirá.

Fonte original

Macey, M. C., Fox-Powell, M., Ramkissoon, N. K., Stephens, B. P., Barton, T., Schwenzer, S. P. et al., 2020. “The identification of sulfide oxidation as a potential metabolism driving primary production on late noachian Mars”. Sci Rep. 10:10941. DOI: 10.1038/s41598-020-67815-8.

Referências

  1. Carr, M. H. e Head, J. W. 2010. “Geologic History of Mars”. Earth Planet Lett. 294:185-203. DOI: 10.1016/j.epsl. 2009.06.042.
  2. Perreault, N. N., Andersen, D. T., Pollard, W. H., Greer, C. W. e Whyte, 2007. “Characterization of the prokaryotic diversity in cold saline perennial springs of the Canadian high Arctic”. Appl. Environ. Microbiol. 73:1532-43 DOI: 10.1128/AEM. 01729-06.
  3. Macey, M. C., Fox-Powell, M., Ramikissoon, N. K., Stephens, B. P., Barton, T., Schwenzer, S. P. et al. 2020. “The identification of sulfide oxidation as a potential metabolism driving primary production on late noachian Mars”. Sci. Rep. 10:10941. DOI: 10.1038/s41598-020-67815-8.
  4. Bridges, J. C. e Schwenzer, S. P. 2012. “The nakhlite hydrothermal brine on Mars”. Earth Planet Sci. Lett. 359-60:117-23. DOI: 10.1016/j.epsl.2012.09.044.
  5. Willerslev, E., Hansen, A. J., Rønn, R., Brand, T. B., Barnes, I., Wiuf, C. et al. 2004. “Long-term persistence of bacterial DNA”. Curr. Biol. 14:13-4. DOI: 10.1016/j.cub.2003.12.012.
  6. Stern, J. C., Sutter, B., Freissinet, C., Navarro-González, R., McKay, C. P., Archer, P. D. et al. 2005. “Evidence for indigenous nitrogen in sedimentary and aeolian deposits from the Curiosity rover investigations at Gale crater, Mars”. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 112:4245-50. DOI: 10.1073/pnas:1420932112.
  7. Mahaffy, P. R., Webster, C. R., Atreya, S. K., Franz, H., Wong, M., Conrad, P. G. et al. 2013. “Abundance and isotopic composition of gases in the Martian atmosphere from the Curiosity rover. Science. 341:263-6. DOI: 10.1126/Science.1237966.
  8. McCollom, T. M. 2007. “Geochemical constraints on sources of metabolic energy for chemolithoautotrophy in ultramafic-hosted deep-sea hydrothermal systems”. Astrobiology. 7:933-50. DOI: 10.1089/ast.2006.0119.
  9. Battler, M. M., Osinski, G. R. e Banerjee, N. R. 2013. “Mineralogy of saline perennial cold springs on Axel Heiberg Island, Nunavut, Canada and implications for spring deposits on Mars”. Icarus. 224:364-81. DOI: 10.1016/j.icarus.2012.08.031.
  10. Pellerin, A., Antler, G., Holm, S. A., Findlay, A. J., Crockford, P. W., Turch V. et al. 2019. “Large sulfur isotope fractionation by bacterial sulfide oxidation”. Adv. 5:eaaw1480. DOI: 10.1126/sciadv.aaw1480.

Citação:

Macey, M., Grand, A., Fox-Powell M., Ramkissoon, N., Cousins, C. e Olsson- Francis, K. (2021). “Hunting for life on Mars by studying life on Earth”. Front. Young Minds. 9:665529. DOI: 10.3389/frym.2021.665529. 

Agradecemos a Evelyn Sanchez, da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, pela leitura atenta.

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