Lagos e sua biodiversidade

Lagos são corpos de água doce formados em cavidades na superfície da Terra. Existem diferentes tipos de lagos dependendo de como eles se formam. Os lagos glaciais são formados pelo derretimento do gelo. Os lagos vulcânicos armazenam água em crateras inativas. Os lagos artificiais são criados por humanos que escavam o solo e enchem a área com água.

Os lagos são importantes porque armazenam água doce, que pode ser usada para agricultura, geração de energia, recreação e água potável. Eles abrigam uma grande variedade de seres vivos. Nos lagos podemos encontrar diversos tipos de peixes, aves aquáticas como patos e garças, anfíbios como sapos, répteis, plantas aquáticas e insetos. A biodiversidade de um lago, ou a diversidade de especies que vivem nele, pode mudar com o tempo devido a mudanças nas condições do lago.

A biodiversidade de um lago está relacionada ao clima da região. Mudanças na temperatura, precipitação ou qualidade da água podem alterar a biodiversidade do lago.

Por exemplo, as espécies que habitam um lago estão adaptadas a temperaturas específicas da água. Quando a temperatura da água muda drasticamente, as espécies podem morrer ou migrar. Quando um lago recebe menos chuva, a biodiversidade pode mudar porque o lago seca e as espécies dependentes da água podem morrer. Mudanças na qualidade da água, como a poluição, também podem afetar os tipos de organismos que vivem num lago. Quando a água está mais contaminada, causa problemas de saúde às plantas e animais que ali vivem.

Quando os organismos lacustres morrem, eles são enterrados em sedimentos no fundo dos lagos. Alguns organismos têm partes duras, como ossos ou conchas, que podem fossilizar, que é o  processo que permite que um organismo seja preservado ao longo do tempo (por exemplo, um osso, um dente) e ser preservado em rocha ou sedimento por muito tempo. Os exemplos variam de um enorme dinossauro a algas microscópicas chamadas diatomáceas (veja este artigo Frontiers for Young Minds, em inglês). Mas alguns organismos têm apenas partes moles e, com o tempo, decompõem-se em sedimentos. Os cientistas podem identificar organismos fossilizados preservados em sedimentos a olho nu, se forem grandes, e usando um microscópio, se forem pequenos.

Contudo, para estudar organismos que não fossilizam, os cientistas devem utilizar técnicas especializadas. Uma delas é a análise de DNA, que permite identificar o tipo de ser vivo por meio do estudo dos genes, parte do DNA que determina uma característica de um ser vivo. Por exemplo, os cientistas descobriram a diversidade de organismos que habitaram o Lago Chalco. (México) ao longo de sua história usando análise de DNA [1].

O que são sedimentos lacustres?

Os sedimentos são formados principalmente pela decomposição de rochas durante longos períodos de tempo. Os sedimentos que se depositam no fundo de um lago são especificamente chamados de sedimentos lacustres. Eles se originam de materiais externos que entram no lago através dos rios ou do ar, como solo e resíduos animais, e de materiais dentro do lago, incluindo conchas, restos fósseis, DNA e proteínas [2].

A cada estação, uma nova camada de sedimentos é depositada sobre a camada de sedimentos do ano anterior. Assim, quanto mais profundo o sedimento, mais antigo ele é! Isto significa que os sedimentos lacustres podem fornecer evidências da história de um lago.

Os cientistas usam sedimentos para descobrir como era um lago no passado e para compreender como as espécies mudaram ao longo do tempo. Você consegue imaginar saber que tipos de peixes, micróbios ou insetos viviam em um lago há 5, 50 ou 100 anos? Os cientistas podem usar a análise de DNA para saber quais espécies habitaram um lago no passado, mesmo que esses organismos não tenham deixado restos fósseis [3, 4].

Obtenção de sedimentos lacustres de um lago

Para realizar análises de DNA, os pesquisadores devem primeiro extrair sedimentos lacustres de um lago. A partir de barcos, os pesquisadores podem usar vários métodos para recuperar sedimentos do fundo do lago. Por exemplo, podem utilizar um instrumento denominado hand corer, ou perfurador manual de solo, que largam do barco até ao fundo do lago, onde penetra nos sedimentos lacustres (Figura 1). A amostra coletada é armazenada em um tubo plástico transparente. O tubo é então aberto no laboratório para que os cientistas possam descrever os sedimentos e colher amostras menores para outras análises. É importante que os cientistas usem jalecos, máscaras e luvas para evitar a contaminação das amostras.

Além dos restos fósseis

O DNA é encontrado nas células de todos os organismos vivos. Contém as informações necessárias para construir o corpo do organismo e manter seus processos vitais. O DNA é feito de quatro compostos chamados bases nitrogenadas – compostos que constituem a sequência única da molécula de DNA. Existem quatro bases, abreviadas A, G, T e C: adenina, guanina, timina e citosina. A ordem destes compostos, chamada sequência de DNA, varia de organismo para organismo, quase como um código de barras que pode ser usado para identificar organismos.

Quando os organismos do lago morrem e ficam enterrados nos sedimentos, o DNA pode persistir nos sedimentos por muitos anos. Isso significa que os sedimentos podem armazenar informações sobre os organismos que vivem atualmente em um lago ou que viveram lá no passado [5].

Nos últimos anos, os cientistas usaram a análise de DNA para reconstruir a história dos lagos e de seus organismos. A análise de DNA pode detectar todos os tipos de organismos, incluindo plantas, animais e até espécies ameaçadas de extinção.

Como o DNA é preservado em sedimentos lacustres?

Certas qualidades do fundo do lago ajudam a preservar o DNA por muitos anos, por exemplo, pouca luz, baixo oxigênio e baixas temperaturas. Os cientistas ainda não sabem exatamente quanto tempo o DNA pode sobreviver em sedimentos lacustres, mas alguns estudos mostraram que o DNA em sedimentos lacustres pode durar até 11.000 anos [6]!

Mas como exatamente o DNA é preservado em sedimentos lacustres e como é protegido contra decomposição? O DNA em sedimentos lacustres pode estar dentro de uma célula (de um organismo que morreu recentemente) ou fora da célula. Quando uma célula se decompõe, ela libera seu DNA nos sedimentos. Frequentemente, substâncias chamadas nucleases, substâncias que decompõem o DNA, que estão presentes nos sedimentos, podem agir como o Pac-Man e decompor o DNA. Neste caso, o DNA não está mais disponível para estudo pelos cientistas. Mas o DNA também pode aderir à matéria orgânica, aos minerais e às argilas dos sedimentos, o que protege o DNA contra nucleases e o preserva. O DNA também pode ser preservado quando é retirado do ambiente por outras células, que armazenam os fragmentos de DNA junto com seu próprio DNA (Figura 2) [7]. Isso também preserva o DNA.

A quem pertence o DNA?

Para descobrir quais organismos viveram num lago, os cientistas primeiro isolam os fragmentos de DNA das suas amostras de sedimentos. Como pode haver apenas pequenas quantidades de DNA nas amostras, os fragmentos de DNA são multiplicados usando uma técnica laboratorial chamada amplificação por PCR – uma técnica que permite aos cientistas fazer milhões de cópias de um único fragmento de DNA, facilitando o estudo.

Uma máquina copiadora de DNA pode fornecer bilhões de cópias de um único fragmento, tornando o DNA muito mais fácil de estudar. As sequências de bases nitrogenadas nos fragmentos de DNA são então “lidas” com máquinas específicas que mostram a ordem das bases. Finalmente, quando os cientistas têm as sequências, eles usam uma técnica chamada bioinformática, usando computadores e softwares para dar sentido a dados biológicos complexos, como sequências de DNA, para comparar essas sequências com sequências conhecidas em grandes bancos de dados. Isto lhes permite identificar de quais organismos veio o DNA (Figura 3).

Explorando a incrível história dos lagos

Amostragem e análise do DNA preservado ao longo de muitos anos em sedimentos no fundo dos lagos é interessante e emocionante. O DNA contém informações sobre a história do lago e pode nos ensinar como os ecossistemas mudaram ao longo do tempo. Os dados históricos são importantes para detectar quais espécies são comuns dentro de um lago, bem como aquelas que são raras e/ou aquelas que não fossilizam. A análise de DNA é uma técnica científica incrível! No entanto, são necessárias mais pesquisas para entender exatamente por quantos anos o DNA pode ser preservado nos sedimentos e como ele pode mudar ao longo do tempo. Informações sobre a história de um lago podem nos ajudar a propor soluções para proteger e manter os lagos saudáveis.

Glossário

Biodiversidade: Seres vivos que existem no planeta.

Fossilização: Processo que permite que um organismo seja preservado ao longo do tempo (por exemplo, um osso, um dente).

Genes: Parte do DNA que determina uma característica de um ser vivo.

Bases Nitrogenadas: Compostos que compõem a sequência única da molécula de DNA. Existem quatro bases, abreviadas A, C, T e G.

Nucleases: Substâncias que decompõem o DNA.

Amplificação por PCR: Técnica que permite aos cientistas fazer milhões de cópias de um único fragmento de DNA, facilitando o estudo.

Bioinformática: Uso de computadores e software para dar sentido a dados biológicos complexos, como sequências de DNA.

Agradecimentos

GAZ e MCDR-C são membros do Conselho Nacional de Humanidades, Ciência e Tecnologia (CONAHCyT), México, enquanto ELP é membro do Conselho Nacional de Pesquisa Científica e Técnica (CONICET), Argentina. O CSM-R foi apoiado por uma bolsa da CONAHCyT. Os autores agradecem a Adriana Naranjo Vallejo e Ricardo Naranjo Vallejo pela contribuição na revisão da versão em inglês deste artigo. Agradecimentos especiais aos jovens revisores e editores pelas sugestões que ajudaram a melhorar o trabalho.

Conflito de interesses

Os autores declaram que a pesquisa foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como potencial conflito de interesses.

Referências

[1] Moguel, B., Pérez, L., Alcaraz, L. D., Blaz, J., Caballero, M., Muñoz-Velasco, I., et al. 2021. Holocene life and microbiome profiling in ancient tropical Lake Chalco, Mexico. Sci. Rep. 11:13848. doi: 10.1038/s41598-021-92981-8

[2] Schnurrenberger, D., Russell, J., e Kelts, K. 2003. Classification of lacustrine sediments based on sedimentary components. J. Paleolimnol. 29:141–54. doi: 10.1023/A:1023270324800

[3] Capo, E., Domaizon, I., Maier, D., Debroas, D., e Bigler, C. 2017. To what extent is the DNA of microbial eukaryotes modified during burying into lake sediments? A repeat-coring approach on annually laminated sediments. J. Paleolimnol. 58, 479–495. doi: 10.1007/s10933-017-0005-9

[4] Capo, E., Monchamp, M. E., Coolen, M. J., Domaizon, I., Armbrecht, L., e Bertilsson, S. 2022. Environmental paleomicrobiology: using DNA preserved in aquatic sediments to its full potential. Environ. Microbiol. 24:2201–9. doi: 10.1111/1462-2920.15913

[5] Domaizon, I., Winegardner, A., Capo, E., Gauthier, J., e Gregory-Eaves, I. 2017. DNA-based methods in paleolimnology: new opportunities for investigating long-term dynamics of lacustrine biodiversity. J. Paleolimnol. 58, 1–21. doi: 10.1007/s10933-017-9958-y

[6] Parducci, L., Bennett, K. D., Ficetola, G. F., Alsos, I. G., Suyama, Y., Wood, J. R., et al. 2017. Ancient plant DNA in lake sediments. New Phytol. 214, 924–942. doi: 10.1111/nph.14470

[7] Pedersen, M. W., Overballe-Petersen, S., Ermini, L., Sarkissian, C. D., Haile, J., Hellstrom, M., et al. 2015. Ancient and modern environmental DNA. Philos. Transact. R. Soc. B Biol. Sci. 370:20130383. doi: 10.1098/rstb.2013.0383

Citação

Manjarrez-Rangel CS, Del Rincón-Castro MC, Piovano EL e Zanor GA (2024) What Kinds of Organisms Have Lived in a Lake? DNA Tells Us!. Front. Young Minds. 12:1252490. doi: 10.3389/frym.2024.1252490

Editores

Becky Thomas

Mentores científicos

Mei-Lin Chang , Abdulsamie Hanano

Datas de publicação

Enviado: 3 de julho de 2023; Aceito: 23 de fevereiro de 2024; Publicado on-line: 11 de março de 2024.

Copyright © 2024 Manjarrez-Rangel, Del Rincón-Castro, Piovano e Zanor

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