A vida usa metais dessa forma desde que organismos unicelulares flutuavam nos primeiros oceanos da Terra. Quase metade das enzimas — proteínas que realizam reações químicas nas células — dentro dos organismos requerem metais, muitos dos quais são metais de transição nomeados pelo espaço que ocupam na tabela periódica.
Agora, uma equipe de cientistas da Universidade de Michigan, Instituto de Tecnologia da Califórnia e Universidade da Califórnia, Los Angeles, argumenta que o ferro foi o primeiro e único metal de transição da vida. Seu estudo, intitulado “Ferro: metal de transição primordial da vida”, foi publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences-PNAS.
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“Fazemos uma proposta radical: o ferro foi o metal de transição original e único da vida”, disse Jena Johnson, professora assistente no Departamento de Ciências da Terra e do Meio Ambiente da UM.
“Argumentamos que a vida dependia apenas de metais com os quais ela pudesse interagir, e o oceano primitivo rico em ferro tornaria outros metais de transição essencialmente invisíveis.”
Para investigar essa ideia, Johnson se juntou à professora da UCLA Joan Valentine e ao pesquisador do Caltech Ted Present.
Química bioinorgânica, Valentine se interessou em como a vida primitiva evoluiu de microscópica para a proliferação de organismos complicados que existem hoje. Especificamente, ela se perguntou quais metais foram incorporados em enzimas durante a vida primitiva para que os organismos pudessem realizar os processos vitais necessários. Repetidamente, ela ouviu outros pesquisadores dizerem que, na primeira metade da história da Terra, os oceanos estavam cheios de ferro.
“Você tem que entender que na minha área de bioquímica e química bioinorgânica, na medicina e na vida, o ferro é um oligoelemento. Esses são elementos que estão presentes apenas em pequenas quantidades”, disse Valentine. “Quando esses caras me disseram que o ferro não era um oligoelemento, isso me deixou perplexo”.
Johnson, cujo grupo estuda formações de ferro e biogeoquímica oceânica primitiva, e Ted Present estavam familiarizados com evidências geológicas sugerindo que os oceanos primitivos eram ricos em ferro — especificamente, um íon de ferro chamado Fe(II). O Fe(II) pode ser facilmente dissolvido em água e teria sido o metal primário encontrado nos oceanos durante o Éon Arqueano, um período geológico que começou há cerca de 4 bilhões de anos e terminou há cerca de 2,5 bilhões de anos.
O fim do Éon Arqueano foi marcado por algo chamado de Grande Evento de Oxigenação. Nessa época, a vida desenvolveu a capacidade de realizar fotossíntese produtora de oxigênio. Ao longo do próximo bilhão de anos, o oceano da Terra se transformou de um mar anóxico e rico em ferro no corpo de água oxigenado de hoje, de acordo com os pesquisadores. Isso também oxidou Fe(II) em Fe(III), tornando-o insolúvel.
Embora Johnson e Present tenham dito que os geólogos sabiam da onipresença do ferro na Terra naquela época, foi somente quando começaram a conversar com Valentine que perceberam o quão grande o impacto que o ferro pode ter tido na vida primitiva.
Para examinar o impacto potencial, Present projetou um modelo que atualizou as previsões das concentrações de certos metais, incluindo ferro, manganês, cobalto, níquel, cobre e zinco, que poderiam estar disponíveis nos oceanos da Terra quando a vida começou. O grupo foi capaz de estimar a concentração máxima e a disponibilidade desses elementos para a vida mais antiga, disse ele.
“A coisa que mudou mais dramaticamente quando o Grande Evento de Oxigenação ocorreu não foi realmente a concentração desses outros elementos-traço”, disse Present. “A coisa que mudou mais dramaticamente foi uma diminuição nas concentrações de ferro dissolvido. As implicações para o que isso significava para a vida e como ela ‘vê’ os elementos na água não tinham sido realmente discutidas”.
Depois que o grupo determinou quais metais estavam disponíveis nos oceanos primitivos, eles exploraram a quais metais essas biomoléculas simples se ligariam nessas soluções ricas em ferro.
“Percebemos que o ferro teria que fazer quase tudo”, disse Johnson.
“As biomoléculas podem capturar magnésio e ferro, mas o zinco não está entrando — talvez o níquel possa entrar em algumas biomoléculas nas circunstâncias certas, mas o zinco não é competitivo. O cobalto é invisível. O manganês é bem invisível. Essa diferença de ordem de magnitude na concentração de ferro nos oceanos teve esse efeito realmente tangível no que as biomoléculas podem ‘ver’ e se ligar do ambiente”.
Para determinar se o ferro funcionaria em metaloenzimas que atualmente dependem de outros metais, Valentine e Johnson pesquisaram a literatura científica para descobrir como a vida usa certos metais hoje.
Em cada caso, eles encontraram exemplos de como ferro ou magnésio poderiam ser substituídos. Embora uma metaloenzima possa usar um certo tipo de metal, como zinco, eles descobriram que isso não significa que seja o único metal que a enzima pode usar.
“Zinco e ferro são um exemplo realmente dramático porque o zinco é absolutamente essencial para a vida agora”, disse Valentine. “A ideia de vida sem zinco era realmente difícil para mim pensar até que nos aprofundamos nisso e percebemos que, enquanto você não tiver oxigênio por perto para oxidar seu ferro de Fe(II) para Fe(III), o ferro é frequentemente melhor do que o zinco nessas enzimas”.
Present disse que, uma vez que o ferro foi oxidado e não estava mais tão disponível biologicamente como antes do Grande Evento de Oxigenação, a vida teve que encontrar outros metais para conectar às suas enzimas.
“A vida, diante de ordens de magnitude de mais ferro do que outros metais, não poderia saber evoluir para uma maneira tão sofisticada de gerenciá-los”, disse Present. “A queda da abundância de ferro forçou a vida a gerenciar esses outros metais para sobreviver, mas isso também permitiu novas funções e a diversidade de vida que temos hoje”.
