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Astrobiologia
Mestrado e Doutorado em Física e Astronomia
Prof. Dr. Sergio Pilling
Alunos: Evelyn Cristine de Freitas Marques Martins, Fredson de Araujo Vasconcelos
1. Introdução
Nas últimos tempos os cientistas têm se interessado pela busca dos organismos que sobrevivem aos ambientes mais hostis ou letais para a maioria dos seres vivos. A maioria dos seres vivos necessita de condições parecidas para sobreviverem, apesar das diferenças específicas de cada tipo de habitat. No entanto, alguns organismos têm como principal características a capacidade de se proliferarem em ambientes com condições que seriam consideradas extremas e até fatais para a maioria dos outros seres vivos. O fato de viverem em ambientes inóspitos para todos os outros seres e em geram de maneira extrema deu origem ao termo extremófilos. Uma vez que eles vivem em "ambientes extremos" (sob alta pressão e temperatura), eles podem nos dizer em que intervalo as condições de vida são possíveis. É importante notar que estes organismos são "extremos" apenas a partir de uma perspectiva humana. Enquanto oxigênio, por exemplo, é uma necessidade para a vida como conhecemos, contudo, alguns organismos prosperam em ambientes sem oxigênio. A razão do estudo de extremófilos na Terra é uma forma de entender melhor a grande variedade de condições sob as quais a vida pode evoluir e sobreviver, assim como nos ajudar a compreender alguns dos mecanismos que os organismos podem empregar para sobreviver em diferentes condições ambientais extremas^12. A possibilidade de desenvolvimento de vida em ambientes extremos aumenta exponencialmente a capacidade de habitabilidade do universo, o que é de grande interesse no campo da astrobiologia. Sendo assim, quando olhamos para um ambiente extremo em algum outro planeta ou lua, teremos uma ideia muito melhor de como os organismos, tais como os extremófilos, poderiam sobreviver nesses ambientes. Nesta aula estudaremos os extremófilos, seus tipos, propriedades e zona de habitabilidade extrema.
2. Extremófilos
O termo extremófilo foi utilizado pela primeira vez em 1974 por MacElroy quando o mesmo se referia a ambientes extremos, ambientes esses que foram definidos como ambientes que apresentam diversidade biológica restrita, isto é, tem condições que exclui a maior parte dos organismos. Sob o ângulo antropocêntrico, ambientes “amenos” são aqueles com temperaturas próximas da ambiente até 40ºC, valores de pH próximo da neutralidade, salinidade relativa a dos oceanos, pressão atmosférica e radiação semelhantes à superfície terrestre em condições normais. Enquanto, regiões polares, fontes ácidas ou alcalinas, lagos com níveis de salinidade próximos ou acima de saturação, regiões abissais frias ou zonas bombardeadas com altos níveis de radiação são ambientes terrestres imediatamente reconhecidos como ambientes extremos. Em diversos lugares na terra podemos econtrar ambientes extremófilos tais como zonas vulcânicas terrestres e sistemas hidrotermais submarinos. Na Figura a seguir vemos o Parque Nacional de Yellowstone nos Estados Unidos, um exemplo de ambiente, onde as temperaturas podem ser maiores que 80 ºC.
Aula 16 - Extremófilos (tipos, propriedades, zona de habitabilidade extrema).
Figura 1. Yellowstone National Park, EUA^11 , um exemplo de ambiente extremófilo.
Outro exemplo inclui regiões extremamente ácidas, como o Rio Tinto, localizado na Espanha, onde o nível de pH gira em torno de 1.5 a 3, com alta concentração de sulfatos Fe3+, Metais pesado (Zn2+, Cu2+), etc. Diversas espécies já foram detectadas nesse rio como Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum sp, Thermoplasma acidophilum
Figura 2. Rio Tinto, na Espanha. Em suas águas residem uma grande variedade de extremófilos. Foto: Monike Oggerin.
O Great Salt Lake localizado na parte norte dos Estados Unidos, em Utah, é o maior lago de água salgada no Hemisfério Ocidental. tem muito alta salinidade , muito mais salgado que a água do mar , e seu conteúdo mineral está aumentando constantemente^24. Possui concentração salina próxima a saturação (5. M NaCl) similar composição salina da água do mar.
Figura 3. Great Salt Lake, Utah (USA).
Figura 6. Árvore filogenética segundo Woese et al. 1990, com localização de extremófilo. O tipo de extremófilia está identificado com o código de cores indicado.
Woese descobriu que muitos archaea eram extremófilos e considerou esta evidência no fato de sua origem antiga ("archaea" significa antiga). Archaea é um grupo diversificado de organismos com o seu próprio tipo de rRNA, a partir de bactérias diferentes (rRNA produz polipeptídicos, que ajudam a formar proteínas). Em muitos casos, arquebactérias extremófilos desenvolveram mecanismos relacionados com as suas células com membranas para protegê-los de ambientes hostis^13. Existem vários tipos de extremofilia entre os quais podemos citar os Halófilos, possuindo adaptação em ambiente salinos, os Termófilos e Hipertermófilos, com adaptação a temperatura elevada, os Psicrófilos, que se adaptam em condições de temperaturas muito baixas, os Acidófilos e Alcalófilos, com adaptação a extremos de pH, e os que possuem adaptação a altos níveis de radiação, que são os Microorganismos Radioresistentes^13. A Tabela 1 mostra diversos tipos de extremófilos e sua classificação.
Tabela 1. Classificação e exemplos de extremófilos. Fonte: Rothschild, Nature 2001.
Os acidófilos e os alcalófilos mantém o pH intracelular próximo a neutralidade, portanto, a maquinaria enzimática não necessita de nenhuma mudança. Os halófilos, que vivem em ambientes próximos a saturação do sal, acumulam íon potássio (atrai menos água que o sódio) no interior da célula, por isso, as proteínas apresentam maior número de aminoácidos carregados negativamente para atraírem cátions (íons positivos) hidratados, mantendo a proteína solúvel. Já as proteínas dos hipertermófilos são ricas em aminoácidos carregados que quando interagem formam redes de pontes de sal, uma combinação entre interações eletrostáticas e pontes de hidrogênio, aumentando a força total que mantém a estrutura terciária^22.
3.1 Halófilos
Em casos de adaptação a ambientes extremos, os componentes estruturais e celulares do organismo devem sofrer alterações para sobrevivência nesse tipo de meio. É o caso dos halófilos extremos, os arqueões da família Halobacteriaceae ou bactérias da família haloanaerobiales. Eles acumulam íons orgânicos (K+,Na+,Cl-) em concentrações elevadas para equilibrarem com a pressão osmótica externa e conservarem sua integridade celular. Juntamente com essa osmoadaptação, a proteína desses organismos também contém excesso de resíduos de carga negativa, os catalisadores das enzimas precisam de certos níveis de salinidade, além de modificações nos ribossomos. Os arqueões do gênero halobacterium desenvolveram uma parede celular que contém glicoproteínas com elevado número de aminoácidos carregados negativamente e que se estabilizam por interação com os íons de sódio do meio exterior.
FIgura 7. Exemplos de Halófilos: e squerda) Halobacterium sp. estirpe NRC-1. Cada célula de cerca de 5 um de comprimento. Direita) halococcus.^14
Já os halococcus têm paredes celulares constituídas por heteropolisacáridio sulfurado que é estabilizado por altas concentrações de sódio. O fato de possuírem condições tão específicas para meios extremos de salinidade, também os restringem à esses ambientes, não sendo possível a sua sobrevivência em outros ambientem com níveis inferiores. Isso não acontece com os chamados halófilos moderado, que se utilizam de estratégias mais flexíveis de adaptação, permitindo respostas mais rápidas às flutuações de salinidade do meio. Essas estratégias variam desde acumulação de solutos compatíveis, de baixa massa molecular que mesmo em concentrações elevadas não causam danos. Um exemplo é a microalga do gênero Dunaliella que usa o soluto glicerol para contrabalancear a pressão osmótica em ambientes altamente salinos. Essa estratégia não implica em implica em alterações de componentes celulares e permite respostas rápidas à alterações do ambiente.
3.2 Hipertermófilos
Organismos cuja temperatura de Crescimento estritamente acima de 80 ° C. Procariontes. São em sua maioria anaeróbios obrigatórios que utilizam em seu metabolismo, de alguma forma, compostos de enxofre. Os mecanismos de adaptação à altas temperaturas ainda são um grande mistério para ciência, pois não é possível compreender com clareza como as proteínas, por exemplo, as principais biomoléculas do
crescer a temperaturas abaixo de 45 °C, como por exemplo, a bactéria Bacillus stearothermophilus que cresce otimamente entre 55 e 65°C, mas também apresenta um pequeno crescimento em temperaturas em torno de 30°C. 16
Fonte 9 : Bacillus stearothermophilus (Geobacillus stearothermophilus) é uma bactéria utilizada como indicador em monitoramento e validação de ciclos de esterilização por calor úmido, realizado em equipamentos denominados de autoclaves 16.
3.4 Psicrófilos
São organismos que necessitam de baixas temperaturas para sobreviverem. Eles necessitam de temperatura ideal para crescimento em aproximadamente 15ºC, com máxima de 20ºC e mínima de 0ºC. Essa adaptação pode ser explicado através do alto conteúdo de ácidos graxos insaturados que ajuda a manter o estado semifluídico da membrana a baixas temperaturas, não inibindo as funções das membranas e ainda protege a célula do congelamento à temperaturas acima da máxima. Nesses casos, o congelamento previne o crescimento microbiano, isto não necessariamente causa a morte dos microrganismos. Um exemplo de Psicrófilos é a é Chlamydomonas nivalis, uma alga verde que deve a sua cor vermelha a um pigmento vermelho brilhante chamado carotenoide , que protege o cloroplasto da radiação ultravioleta visível intensa e também o calor de absorção. 18 Elas são abundantes nos mares polares e de sedimentos do fundo do oceano, onde há trevas e a temperatura nunca superior a 4 °C. Elas também crescem em geleiras alpinas e na neve, muitas vezes em concentração suficiente para mancharem o gelo com cores exóticas. Este tipo de neve é comum durante o verão nas regiões polares alpinas e costeiras em todo o mundo, como a Serra Nevada de Califórnia. Quando as temperaturas sobem na primavera e a neve derrete, a alga esporula antes de morrer e os seus esporos, ricos em carotenoides, mancham a neve com um vermelho brilhante. Em alguns locais atribuem o nome “Neve Melancia" a este fenômeno. Quando a neve finalmente derrete, esses esporos podem permanecer tão coloridos em todo o verão até que as primeiras neves chegam, e depois germinam para abrir caminho para uma nova geração de algas psicrofílicas^19.
Figura 10. Direita) Chlamydomonas nivalis, uma alga verde que vive em gotas de água líquido disperso nos flocos de neve. Esquerda) Ilustração de uma "neve melancia". 19
3.5 Acidófilos e alcalófilos
Acidófilos são micro-organismos que crescem em ambientes altamente ácidos (pH inferior a 3) e são encontrados em todos os três domínios da vida: Archaea, bactérias e Eucarya. Tais organismos prosperam em fontes de ácido de enxofre e em associação com atividades de mineração onde a oxidação microbiana de pirita e outros compostos reduzidos de enxofre levam à formação de ácido sulfúrico 20. Os ambientes ácidos naturalmente surgem de atividades geoquímicas tais como a produção de gases sulfurosos de emanações vulcânicas. O Ferroplasma acidiphilum é uma espécie de acidófilo ferro-oxidante, imóvel pois não possui flagelos. Vive em uma ambientes de metais pesados que contém altos níveis de ferro e enxofre com pH ótimo em 1,7. Além de utilizar o ferro com sua fonte de energia, essa espécie também o utiliza como elemento essencial para estrutura de organizacional da maioria de suas proteínas celulares.
Figura 11. Ferroplasma acidiphilum, uma exemplo de acidófilo.
Os organismos acidófilos e os alcalófilos são tão adaptados a ambientes com valores de pH extremos, de aproximadamente 0 e 11,5 respectivamente, que são incapazes de se reproduzirem em meios com pH próximo da neutralidade. Porém, apesar desse nível de adaptação, ainda não foi elucidado qual o mecanismo que consegue manter a homeostase do pH, se o pH intercelular dos acidófilos varia entre 5 e 7 e dos alcalófilos entre 7 e 9, isto é, dentro dos níveis encontrados dos mesófilos que habitam meios ácidos e alcalinos respectivamente. Como os componentes celulares não sofreram grandes alterações devido a semelhança de acidez ou alcalinidade, dependendo da situação, os principais estudos sobre a adaptação desses organismos se concentram em alterações nas membranas celulares. Micro-organismos acidófilos mantém o seu pH intracelular perto de neutralidade e sua membrana citoplasmática pode apoiar gradientes de prótons até cinco ordens de grandeza; o seu potencial de membrana é frequentemente invertido em comparação com neutrófilos e alcalófilos, com uma carga positiva intracelular.
3.6 Micro-organismos radiorresistentes
Bactérias dos gêneros Deinococcus e Rubrobacter tem a capacidade notável de adaptação a ambientes com doses elevadas de radiações gama ou ultravioleta.(Ferreira et al 1999). Elas são capazes de sobreviver a doses de radiação gama milhares de vezes mais altas do que as disponíveis na Terra por meios naturais. Deinococus radiodurans é uma bactéria que suporta altas doses de radiatividade^21.
Figura 12. Imagen do Deinococcus radiodurans tomada com um microscópio de transmissão de electrons^21.
Metazoa Spinoloricus
Um animal loricífero identificado por Roberto Danovaro e sua equipe, como uma espécie não descrita do gênero Spinoloricus, que nos sedimentos do mar mediterrâneo é o primeiro organismo multicelular que completa seu ciclo de vida em condições de permanente anoxia, isto é, sem oxigenio. Para descobrirem essa nova espécie, os pesquisadores realizaram 3 expedições oceanógrafas de 1998 a 2008 a procura de vida em ambientes de ambientes extremos localizados a mais de 3000m de profundidade no mar mediterrâneo. Essa nova espécie possui claras diferenças com as outras Metazoas, a mais significante é a ausencia de mitocondria, organela responsável em converter oxigenio em açucar para gerar energia para as células. Enquanto isso, a nova locifera possui organelas que se assemelham a hidrogenossomas, organela encontrada em eucariontes unicelulares que produzem energia sem oxigênio.
5. Zona de habitabilidade extremófila
A descoberta de organismos como os extremófilos que vivem em condições tão extremas vem despertando muitas dúvidas e discussões a respeito da possibilidade de encontrar alguma forma de vida fora da Terra. Cogita-se que estes seres estudados até aqui também possam viver, de maneira análoga à da Terra, em regiões consideradas inóspitas do universo. Tal conceito estende a zona de habitabilidade (ZH) a um patamar mais amplo, abarcando regiões consideradas não tão promissoras num primeiro momento, como proposto no esquema abaixo.
Figura 13. Zona de Habitabilidade extrema com destaque para a zona de habitabilidade para microorganísmos extremófilos.
A seguir destacamos alguns ambientes fora da terra onde especula-se que poderiam abrigar alguma formas de vida como os extremófilos, já que esses ambientes possuem algumas características "semelhantes" aos ambientes aqui na terra onde esses seres vivos conseguem sobreviver. É preciso destacar aqui que para a sobrevivência de qualquer forma de vida como a conhecemos depende de vários fatores entre elas a presença de água no estado líquido, já que ela até é abundante em alguns ambientes espaciais, mas está congelada e, portanto, indisponível para os seres vivos.
5.1 Europa (satélite de júpiter)
Com uma superfície coberta de gelo, evidências de água líquida abaixo da superfície, e temperaturas extremamente baixas (variação de - 223,15 ºC até -148,15 ºC) , a lua Europa de Júpiter poderia ser um ambiente onde é possível o crescimento de organismos psicrófilos. Nesse satélite, há a presença de fontes hidrotermais nas profundezas do oceano abaixo da superfície, um ambiente onde Termófilos e Hipertermófilos poderiam sobreviver. Bactérias como a Deinococcus radiodurans, devido às característica de Europa, também poderia se desenvolver por ali.
Figura 14. Direita) Vista de Europa, um dos satélites galileanos de Júpiter. Fonte : NASA. Esquerda) Ilustração da estrutura geologica de Europa. O núcleo de Europa deverá ser metálico, rodeado por rocha e esta rocha rodeada por água líquida sob uma capa de gelo. Fonte: NASA.
Reforçamos aqui que isso são hipóteses, já que são precisos estudos mais detalhados sobre os ambientes extraterrestres como o de Europa para que se possa afirmar algo desse tipo.
5.2 Titã (lua de saturno)
Titã, a maior lua de Saturno é outro mundo com potencial para abrigar formas de vida. A temperatura por lá é de -179 graus Celsius, uma pressão atmosférica de 1,5 da pressão da atmosfera terrestre e uma atmosfera composta principalmente por nitrogênio (95%) e Metano (5%), além de outras características com potencial astrobiológico. Essa lua possui grande reservatório subterrâneos de água líquida, um solvente que tanto formas típicas de vida como extremófilos necessitam para seu crescimento.
Figura 15. A composição do interior de Titã foi deduzida a partir de medições gravitacionais realizadas pela sonda Cassini. [Imagem: A.Tavani].
A NASA informou que o oceano dentro de Titã pode ser tão salgado como o Mar Morto, um ambiente para Halófilos crescerem felizes. Com a atividade vulcânica em Titã, muitos Termófilos e
Figura 17. Methanogens , micro-organismos do planeta terra que produzem gás metano.
Sendo assim, micro-organismos como esses encontrados em ambientes extremos da terra encontrariam um ambiente propício para seu desenvolvimento em Marte. Lembramos sempre que a existência de possíveis extremófilos nesses ambientes passa apenas por especulação, já que para a vida existir em ambientes fora da terra, como os destacados nesse material, ela deverá depender de vários fatores, sejam eles físicos, químicos, biológicos, etc.
6. CONCLUSÃO
A possibilidade de desenvolvimento de vida em ambientes extremos como nas áreas de habitabilidade extrema do nosso planeta tais como a Antártida, Yellowstone Park, Alaska (tanto nos Estados Unidos) ou em minas de Rio Tinto (Espanha), aumenta a expectativa da ciência sobre a capacidade de habitabilidade do universo. A razão do estudo de extremófilos na Terra é uma forma de entender melhor a grande variedade de condições sob as quais a vida pode evoluir e sobreviver, assim como nos ajudar a compreender alguns dos mecanismos que os organismos podem empregar para sobreviver em diferentes condições ambientais extremas. Portanto, a investigação sobre esses micro-organismos que vivem em condições tão extremas levanta dúvidas e discussões a respeito da possibilidade de encontrar alguma forma de vida fora da Terra. Todas essas hipóteses da presença de alguma espécie fora do ambiente terrestre ainda não foram comprovadas. Somente um estudo mais detalhado de todo o contexto do ambiente pode determinar se existe vida ou se há, de fato, condições para a formação e evolução de vida nesses ambientes extremos extraterrestres.
REFERÊNCIAS
[1] The first metazoa living in permanently anoxic conditions - Roberto Danovaro
[2] Extremófilos: microrganismos à prova de agressões ambientais extremas : Helena Santos 1 , Pedro Lamosa 1 , Milton S. da Costa 2
[3] Tardigrades survive exposure to space in low Earth orbit K. Ingemar Jönsson
[4] Metazoa Spinoloricus em : http://phys.org/news189836027.html
[5] Extremófilos em : http://hypescience.com/extremofilos-8-formas-de-vida-bizarras/
[6] Extremófilos em : http://www2.uol.com.br/sciam/noticias/extremofilos_sobrevivem_as_condicoes_adversas_do_espaco.html
[7] Pirococcus em Wikipedia: http://pt.wikipedia.org/wiki/Pyrococcus_furiosus
[8] Deinococcus em Wikipedia: http://pt.wikipedia.org/wiki/Deinococcus_radiodurans
[9] Life in extremes environments em: http://www1.univap.br/drauzio/index_arquivos/MB003.pdf
[10] http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Sulfolobus_acidocaldarius
[11] Life in extreme environments. Lynn J. Rothschild & Rocco L. Mancinelli, NATURE, 409, 22 FEBRUARY
[12] https://www.kevinabarnes.com/extreme-life/
[13] http://science.howstuffworks.com/life/cellular-microscopic/extremophile1.htm
[14] http://www.lookfordiagnosis.com/mesh_info.php?term=Halococcus&lang=
[15] http://www.ecured.cu/index.php/Hiperterm%C3%B3filo
[16] http://www.engquimicasantossp.com.br/2013/10/microrganismos-termofilos.html
[17] http://pt.wikipedia.org/wiki/Organismo_term%C3%B3filo
[18] http://en.wikipedia.org/wiki/Watermelon_snow
[19] http://jardindegaia.blogspot.com.br/2015/05/psicrofilos-y-psicrotolerantes-hadas-y.html
[20] http://www.els.net/WileyCDA/ElsArticle/refId-a0000336.html
[21] http://www.cienciaxplora.com/divulgacion/extremofilos-esos-seres-pequenos-que-nos-ayudarian-entender-vida- extraterrestre_2014012800083.html
[22]http://ead.hemocentro.fmrp.usp.br/joomla/index.php/noticias/adoteempauta/507-a-vida-em-ambientes-extremos- biologia-molecular-de-extremofilos
[23] http://www.astrobio.net/topic/origins/origin-and-evolution-of-life/os-tres-dominios-da-vida/
[24] http://en.wikipedia.org/wiki/Great_Salt_Lake
[25] http://pt.wikipedia.org/wiki/Lago_Vostok
[26] http://rt.com/news/lake-vostok-bacteria-dna-745/
[27] Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Methanopyrus
[28] http://gcat.davidson.edu/mediawiki-1.19.1/index.php/Haloferax_volcanii
