O que são diatomáceas e por que são importantes para o clima?

As diatomáceas são algas minúsculas que vivem em quase todos os lugares perto da superfície dos oceanos, lagos e rios. Elas permanecem perto da superfície porque, assim como qualquer planta, precisam de luz para produzir energia através do processo de fotossíntese — um processo pelo qual plantas/algas produzem oxigênio e alimento para si mesmas e para outros organismos usando a luz solar e o CO2. (Para mais informações sobre fotossíntese nos oceanos, consulte este artigo da Frontiers for Young Minds). Para crescer, as diatomáceas também precisam de nutrientes, que são o equivalente aos alimentos que comemos.

Ao contrário dos nossos ossos, os esqueletos das diatomáceas ficam fora de seus corpos, como uma concha, e são feitos de sílica (também chamada de opala), o mesmo material que usamos para fazer vidro. Portanto, os esqueletos das diatomáceas são transparentes. Quando as diatomáceas morrem, elas afundam até o fundo do oceano, levando consigo todo o CO2 que usaram para crescer e criar seus esqueletos enquanto estavam vivas (Figura 1C) [1]. Portanto, as diatomáceas desempenham um papel muito importante na regulação climática, pois removem CO2 da atmosfera, o que contribui para a redução das mudanças climáticas. No fundo do mar, seus esqueletos não se desintegram facilmente e podem permanecer enterrados por milhões de anos. Por meio desse processo, as diatomáceas são responsáveis ​​por até 40% do carbono removido da atmosfera pelos oceanos.

As diatomáceas são tão pequenas que é necessário um microscópio para vê-las (Figura 1A). Apenas as maiores podem atingir um comprimento de 0,5 mm e têm aproximadamente a largura de um fio de cabelo. Ao coletar amostras do fundo do mar, os cientistas podem encontrar esqueletos de diatomáceas e usar esses esqueletos para obter informações sobre as condições oceânicas no passado e no presente. Este campo de pesquisa chama-se paleoceanografia, o estudo das condições oceânicas do passado.

Como as diatomáceas constroem seus esqueletos vítreos?

Para construir seus esqueletos, as diatomáceas precisam de silício, que encontram dissolvido na água do mar. Elas armazenam esse silício em pequenas bolsas chamadas vesículas dentro de seus corpos, onde podem transformar o silício em pequenos cristais de opala (Figura 1) [2]. Elas usam esses cristais de opala para construir seus esqueletos, que são decorados com espinhos e orifícios. Em alguns lugares, as diatomáceas usam todo o silício da água da superfície, não deixando nada para trás.

Sabemos que elas fazem isso porque os cientistas descobriram uma maneira de rastrear suas impressões digitais — ou melhor, suas impressões de silício — no oceano e no fundo do mar. Para isso, os cientistas medem isótopos de silício — átomos do mesmo elemento com o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons e, portanto, um número de massa diferente —, o que é uma maneira poderosa de entender o que as diatomáceas estavam fazendo no passado, bem como quais eram as condições para elas.

Você disse isótopo?

Os átomos são os principais blocos de construção de tudo o que existe. Os átomos são compostos por pequenas partes chamadas prótons, elétrons e nêutrons (Figura 2). Um átomo é identificado pelo número de prótons que contém. Por exemplo, um átomo de silício contém 14 prótons. Na maioria dos casos, um átomo contém o mesmo número de nêutrons que de prótons, ou seja, 14 nêutrons para o silício. O número de prótons mais o número de nêutrons resulta no número de massa do átomo. Por exemplo, a maioria dos átomos de silício tem um número de massa de 28. No entanto, em casos raros, o silício pode ter 16 nêutrons em vez de 14, portanto seu número de massa será 30 em vez de 28.

Essas pequenas variações no número de nêutrons produzem átomos de silício “leves” (com número de massa 28) e átomos de silício “pesados” (com número de massa 30). Os átomos de silício mais leves e mais pesados ​​são chamados de isótopos. Na natureza, o isótopo de silício mais abundante tem número de massa 28 e é chamado de ²⁸Si, e o menos abundante tem número de massa 30 e é chamado de ³⁰Si.  

Por que as diatomáceas se importam com os isótopos de silício?

As diatomáceas preferem usar o isótopo de silício mais leve (²⁸Si) quando constroem seus esqueletos. Em termos científicos, elas fracionam isótopos de silício, a proporção preferencial de dois isótopos que são absorvidos durante um processo específico, o que significa que eles absorvem preferencialmente o isótopo mais leve (²⁸Si) até uma certa quantidade [3]. Isso pode parecer complicado, mas aqui está um exemplo que pode ajudar você a entender.

As diatomáceas são como você e eu: elas preferem certos alimentos. Imagine ter um saco cheio de jujubas rosas e azuis em proporções iguais. Você gosta das duas cores, mas tem uma pequena preferência pelas rosas. Como você é sábio, decide não comer o saco inteiro de uma vez, mas apenas uma pequena fração das jujubas diariamente.

No primeiro dia, você obviamente pega mais jujubas rosas do que azuis, porque rosa é a sua cor favorita. No segundo dia, você faz a mesma coisa, mas percebe que agora há mais jujubas azuis do que rosas no seu saco. No último dia, é difícil encontrar jujubas rosas no saco, e você acaba com mais jujubas azuis do que rosas na mão. Ao comer preferencialmente jujubas rosas, você alterou a proporção de cores de jujubas no seu saco e na sua mão. Você aumentou a proporção de jujubas azuis (suas menos favoritas) no saco e na sua mão.

As diatomáceas fazem o mesmo com os isótopos de silício no oceano (Figura 3). Elas preferem usar o isótopo ²⁸Si, então, à medida que continuam a absorver seu isótopo de silício preferido da água, aumentam a proporção de ³⁰Si que permanece na água. Isso significa que as diatomáceas que crescem depois delas terão que formar opalas com mais ³⁰Si  [4].

Reconstruindo o passado com a impressão de Sílica

Devido ao fracionamento, a atividade das diatomáceas deixa uma impressão (ou impressão de silício) tanto na água do mar quanto em seus esqueletos de opala. Se as diatomáceas absorverem muito silício, eventualmente terão que incorporar mais ³⁰Si em seus esqueletos, porque esse é o isótopo que sobra depois que elas consomem seu preferido, o ²⁸Si.

Por outro lado, quando as diatomáceas absorvem menos silício, elas utilizam menos ³⁰Si. Quando as diatomáceas morrem, elas afundam até o fundo do mar, onde são enterradas, preservando essa impressão digital de silício. Ao medir a proporção dos dois isótopos de silício nesses esqueletos antigos de diatomáceas encontrados no fundo do mar, os paleoceanógrafos podem investigar a atividade das diatomáceas nas águas superficiais no passado.

Para isso, os paleoceanógrafos utilizam navios equipados com dispositivos que coletam água do mar na superfície do oceano e diatomáceas no fundo do mar. Em seguida, os cientistas extraem o silício da água do mar e dos esqueletos das diatomáceas em seus laboratórios e utilizam instrumentos que medem a proporção entre os dois isótopos de silício. Chamamos essa proporção de δ³⁰Si (pronuncia-se “delta-30-sílica”).

Quando o δ³⁰Si é alto, há mais ³⁰Si na amostra, e quando o δ³⁰Si é baixo, há mais ²⁸Si na amostra [4, 5]. Ao medir o δ³⁰Si na água do mar, os cientistas podem calcular a quantidade de silício que as diatomáceas absorveram na última semana ou no último mês. Ao medir o δ³⁰Si das diatomáceas preservadas no fundo do mar, os paleoceanógrafos podem investigar quanto silício foi utilizado pelas diatomáceas que viveram no oceano há milhares de anos. Portanto, os cientistas podem descobrir quão abundantes e saudáveis ​​eram as diatomáceas e se elas conseguiam absorver muito CO2 da atmosfera por meio da fotossíntese no passado.

Já sabemos tudo sobre os hábitos alimentares das diatomáceas em relação aos isótopos de silício?

A investigação das impressões de silício através da medição de isótopos de silício nos esqueletos de diatomáceas funciona muito bem. No entanto, os cientistas ainda têm muitas dúvidas sobre o fracionamento de isótopos de silício pelas diatomáceas. Por exemplo, assumimos que as diatomáceas sempre utilizam os dois isótopos de silício na mesma proporção. Isso significa que a proporção de ³⁰Si para ²⁸Si que elas absorvem não se altera. Usando o exemplo das balas de goma, isso seria como assumir que você sempre consome a mesma proporção de balas de goma rosas e azuis.

Hoje, começamos a considerar que essa proporção pode mudar, mas ainda não sabemos o porquê. Talvez diferentes tipos de diatomáceas tenham preferências diferentes e fracionem os isótopos de silício de maneira distinta. As diatomáceas também podem alterar a proporção dos dois isótopos de silício que normalmente utilizam, dependendo das condições ambientais, como a disponibilidade de outros nutrientes e luz. Essas questões importantes precisam ser respondidas, pois utilizamos isótopos de silício para reconstruir como as diatomáceas influenciam a química oceânica e como interagiram com o clima no passado. Precisamos entender completamente como as coisas funcionam nos tempos modernos para avaliar com precisão o que aconteceu no passado.

Apesar de todas as incógnitas que ainda precisam ser exploradas, os isótopos de silício são uma ferramenta poderosa que nos ajuda a rastrear a atividade das diatomáceas no passado e nos oceanos atuais, e a compreender melhor o papel do oceano na regulação do clima da Terra. Eventualmente, essas informações permitirão que os pesquisadores prevejam melhor como o meio ambiente responderá às mudanças climáticas e como as consequências das atividades humanas afetam a saúde dos ecossistemas oceânicos.

Glossário

Fotossíntese: Processo pelo qual plantas/algas produzem oxigênio e alimento para si mesmas e para outros organismos, utilizando a luz solar e o CO2.

Clima: Padrão médio de longo prazo do tempo em uma região da Terra.

Paleoceanografia: Estudo das condições oceânicas do passado.

Vesícula: Estrutura dentro de uma célula, composta por líquido envolto por uma membrana. As vesículas transportam e armazenam material dentro da célula.

Isótopos: Átomos do mesmo elemento com o mesmo número de prótons, mas com um número diferente de nêutrons e, portanto, um número de massa diferente.

Número de massa: O número de prótons mais o número de nêutrons de um átomo.

Fracionamento: A proporção preferencial de dois isótopos que são absorvidos durante um processo específico.

Referências

[1] Tréguer, P., Bowler, C., Moriceau, B., Dutkiewicz, S., Gehlen, M., Aumont, O., et al. 2018. Influence of diatom diversity on the ocean biological carbon pump. Nat. Geosci. 11:27-37. doi: 10.1038/s41561-017-0028-x

[2] Martin-Jézéquel, V., Hildebrand, M., e Brzezinski, M. A. 2000. Silicon metabolism in diatoms: implications for growth. J. Phycol. 36:821-40. doi: 10.1046/j.1529-8817.2000.00019.x

[3] Fry, B. 2006. Stable Isotope Ecology. New York, NY: Springer.

[4] De La Rocha, C. L., Brzezinski, M. A., e DeNiro, M. J. 1997. Fractionation of silicon isotopes by marine diatoms during biogenic silica formation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 61:5051-6. doi: 10.1016/S0016-7037(97)00300-1

[5] De La Rocha, C. L., Brzezinski, M. A., DeNiro, M. J., e Shemesh, A. 1998. Silicon-isotope composition of diatoms as an indicator of past oceanic change. Nature 395:680-3. doi: 10.1038/27174

Citação

Closset I, Doering K e Liguori BTP (2023) Diatoms Like It Light! How Diatom Eating Habits Help Us Understand the Past Ocean. Front. Young Minds. 11:1176653. doi: 10.3389/frym.2023.1176653

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