Oasis no deserto mexicano são uma janela para o início da vida na Terra

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Valeria Souza Saldívar nunca planejou dedicar sua vida a um oasis remoto e antigo, a mais de 1000 quilômetros ao norte de seu laboratório na Cidade do México. Mas uma ligação no início de 1999 mudou isso.

“É uma das melhores ligações frias que já fiz”, diz James Elser, um limnologista da Universidade de Montana. Ele pegou o telefone para convidar Souza Saldívar para participar de um projeto de astrobiologia da NASA em Cuatro Ciénegas – uma bacia em forma de borboleta com piscinas coloridas, ou pozas, no meio do deserto de Chihuahua no México.

Nem Souza Saldívar, ecologista microbiana da Universidade Nacional Autônoma do México, University City, nem seu marido ecologista e parceiro de pesquisa Luis Eguiarte Fruns, também da UNAM, jamais visitaram Cuatro Ciénegas. Essa primeira viagem os convenceu a mudar completamente seus planos de pesquisa. “Olhando aquelas montanhas e a água, eu me apaixonei”, diz Souza Saldívar.

A paisagem – mais de 300 piscinas azul turquesa espalhadas por 800 quilômetros quadrados, entre pântanos e montanhas majestosas – não foi o único atrativo. As águas, cuja química se assemelhava à dos mares antigos da Terra, fervilhavam de micróbios; tapetes bacterianos incomuns e formações chamadas estromatólitos cobriam as águas rasas. Quando Souza Saldívar cultivou os organismos pela primeira vez, “A quantidade de micróbios era enorme, assim como a diversidade de cores e tamanhos das colônias”, lembra ela. Para ela, esse hot spot microbiano remoto era um mistério irresistível.

Desde então, o trabalho de Souza Saldívar, Eguiarte Fruns e um círculo cada vez maior de colaboradores no México e nos Estados Unidos mostrou que Cuatro Ciénegas – que significa “quatro pântanos” em espanhol – é um dos lugares mais biodiversos do planeta. “Em nenhum lugar há tanta diversidade de microrganismos antigos”, diz Michael Travisano, ecologista evolucionário da Universidade de Minnesota, Twin Cities, que colabora com os pesquisadores mexicanos desde 2001. Entre as adições mais recentes a esse zoológico estão centenas de espécies das arqueias, os micróbios antigos que podem ter originado eucariotos – organismos com células complexas e nucleadas.

No rancho Pozas Azules, em Cuatro Ciénegas, cerca de 100 piscinas de nascentes salpicam o deserto. Cada um tem uma composição microbiana e mineral única.

A diversidade inclui linhagens com adaptações incomuns, como a capacidade de construir suas membranas lipídicas com enxofre em vez do fósforo usual, que é escasso nas águas do pozas. Inclui fontes potenciais de novos compostos para medicina e agricultura. E coloca uma questão que ocupa Souza Saldívar e Eguiarte Fruns nos últimos 20 anos: como surgiu a Arca de Noé dos micróbios antigos? “É um sonho para todo biólogo conhecer a origem da diversificação”, diz Souza Saldívar.

Mas o sonho dela pode ter vida curta. Desde a década de 1970, os agricultores drenaram intensamente a água da pozas e rios para irrigar campos próximos de alfafa, cultivados para forragem de gado, secando gradualmente os oásis. Souza Saldívar galvanizou um esforço de conservação que retardou a drenagem; nas próximas semanas, um canal que remove 100 milhões de metros cúbicos da água de Cuatro Ciénegas anualmente está programado para fechar. Enquanto isso, os pesquisadores tentam descrever o máximo possível, o mais rápido possível, antes de suas amadas pozas secarem e a preciosa vida microscópica que sobreviveu imperturbável por milhões de anos morrerem.

Cuatro Ciénegas servido como ponto de parada para caçadores-coletores há milhares de anos. Até a presente data, 50 sítios arqueológicos com pinturas rupestres – alguns datam de 2275 AEC. Foram encontrados em cavernas nas montanhas ao redor da bacia. Muito mais tarde, a região deixou uma marca na história quando Venustiano Carranza, nascido em um vilarejo às margens da bacia, tornou-se líder da Revolução Mexicana e presidente do México de 1917 a 1920. Atualmente, o vilarejo é chamado de Cuatro Ciénegas de Carranza.

Mas na década de 1960, Cuatro Ciénegas começou a se tornar famosa por sua biodiversidade, à medida que os biólogos começaram a descrever novas espécies de caracóis, peixes, tartarugas e plantas encontradas em piscinas e pântanos – não encontradas em nenhum outro lugar.

Wendell “Minck” Minckley, um renomado ictiologista da Arizona State University (ASU), Tempe, foi atraído pela primeira vez a Cuatro Ciénegas depois de saber que a única tartaruga aquática do mundo (Terrapene coahuila) morava lá. Ao longo dos anos, Minckley fez frequentes viagens ao pozas, descrevendo seus caracóis e peixes (Herichthys minckleyi, um ciclídeo, leva seu nome) enquanto faz conexões com a população local.

Mundo de água

Cuatro Cienegas

Na bacia de Cuatro Ciénegas, rodeada de montanhas e deserto, um aqüífero alimenta centenas de poças e pântanos. Mas os canais que exploram a água para a agricultura ameaçam as áreas úmidas e a biodiversidade que eles hospedam.

Minckley também notou estruturas rochosas peculiares nas piscinas. Eles eram estromatólitos, estruturas biológicas normalmente encontradas como fósseis que datam de até 3,5 bilhões de anos. Colônias de bactérias fotossintetizantes, que aumentaram o oxigênio da Terra, criaram as formações em camadas depositando carbonatos e capturando sedimentos em antigos mares rasos. Mas esses estromatólitos estavam vivos. Também encontrados em outros ambientes extremos, como o quente e salgado Shark Bay da Austrália, os estromatólitos vivos “são como uma janela para a Terra primitiva”, diz Elser. As pozas também nutrem esteiras bacterianas, uma forma suave de estromatólito normalmente encontrada nas profundezas do oceano.

Desde a década de 1970, Minckley percebeu que as piscinas e sua diversidade estavam ameaçadas: fazendeiros locais estavam esculpindo canais para aproveitar a água. Graças em parte ao seu lobby, o governo mexicano em 1994 designou uma área protegida de 85.000 hectares. Mas a drenagem continuou. “Minckley sabia que Cuatro Ciénegas iria morrer”, diz Souza Saldívar. Ele pensou que a NASA poderia ser sua salvação.

Em 1998, a NASA estabeleceu seu Instituto de Astrobiologia, uma rede de pesquisadores que estudam a vida em ambientes extremos que podem se assemelhar às condições de outros planetas. Minckley viu um local ideal para estudos de astrobiologia nas águas do pozas, com sua química aparentemente inóspita e estromatólitos vivos. Mas como ele não era especialista em ambientes extremos, recrutou Elser, especialista em como a química da água afeta os ecossistemas e também trabalha na ASU. Depois que eles enviaram uma proposta de 1998 para financiar o projeto, no entanto, a NASA disse que deveria adicionar especialistas em microbiologia e evolução – e esses especialistas tinham que ser mexicanos para ajudar a garantir licenças para obter amostras. Com base nas sugestões dos colegas, Elser ligou para Souza Saldívar e Eguiarte Fruns, professores recém-formados na UNAM. Eles se juntaram e a NASA aprovou o projeto de 3 anos.

Os estromatólitos, colônias semelhantes a recifes de cianobactérias secretoras de carbonato, abundavam nos mares pré-cambrianos – e prosperam em Cuatro Ciénegas.

Com dois filhos, o casal conheceu Minckley e Elser em Cuatro Ciénegas. Ao lado das águas azul-turquesa de La Becerra poza, Minckley disse que acreditava que o ecossistema era um vislumbre do tempo profundo. “Você vê esses caracóis em miniatura na minha mão?” Souza Saldívar lembra dele dizendo. “Acabei de pegá-los da nascente, mas seus ancestrais diretos estavam comendo bactérias de enxofre em fontes hidrotermais 220 milhões de anos atrás, no fundo do antigo Pacífico”.

Baseado na química da água – pobre em fósforo, ferro e nitrogênio – e na presença de estromatólitos vivos, Minckley acreditava que Cuatro Ciénegas recriava as condições marinhas encontradas em todo o mundo milhões de anos atrás. Ele desafiou os dois pesquisadores a explorar seus mistérios – e a proteger seus pozas. “Somente você, como mexicanos, pode salvá-los da extinção causada pelo homem”, lembra Souza Saldívar.

Minckley morreu 2 anos depois, em 2001.

Para inventariar toda a diversidade de micróbios em Cuatro Ciénegas e rastrear seus relacionamentos, Souza Saldívar precisava estudar seu DNA. Para fazer isso, os cientistas normalmente tiram amostras microbianas de um local e as cultivam em laboratório. Mas muitas bactérias e arqueias são difíceis de cultivar, e apenas alguns grupos na época analisaram com sucesso o DNA isolado diretamente do meio ambiente. Altos níveis de magnésio na água e “lodo” dos micróbios produzidos isolando o DNA da pozas especialmente difícil.

Mas Souza Saldívar e suas alunas Ana Escalante e Laura Espinosa Asuar começaram. Em 2006, eles relataram no Anais da Academia Nacional de Ciências que eles encontraram 38 grupos distintos de micróbios – quatro vezes mais que em um pântano de sal típico – correspondendo a 10 principais linhagens de bactérias e uma de archaea. Metade dos grupos bacterianos estavam mais intimamente relacionados com micróbios marinhos. Quase 10% dos grupos se assemelhavam aos que vivem em fontes hidrotermais – fissuras nas profundezas do oceano, onde os micróbios prosperam apesar das calorias e das concentrações minerais extremas.

Como Minckley suspeitava, Cuatro Ciénegas de alguma forma preservou antigas formas de vida marinha nas profundezas do deserto, a mais de 500 quilômetros do Golfo do México, em um local onde os últimos mares recuaram cerca de 20 milhões de anos atrás.

Valeria Souza Saldívar e Luis Eguiarte Fruns (em cima) passaram 20 anos estudando biodiversidade em Cuatro Ciénegas, onde encontraram milhares de novas espécies em estruturas vivas, como uma esteira bacteriana (em baixo).

“O aspecto do tempo profundo do Cuatro Ciénegas é muito surpreendente”, diz Travisano. É um verdadeiro “mundo perdido”, preservado pela química hostil da água, ele e a equipe mexicana argumentaram em um artigo de 2018 em eLife. Milhões de anos atrás, eles propuseram, ancestrais marinhos antigos chegaram ao local, adaptado ao ambiente extremo e não mudou muito.

o pozas eles próprios não são particularmente antigos. As nascentes que os nutrem são alimentadas por aquíferos profundos na Serra San Marcos e Pinos, cheios de água acumulada durante as últimas eras glaciais, diz Eguiarte Fruns. Agora, a água penetra na superfície devido a uma falha ativa abaixo da bacia. Sobe através de antigos sedimentos marinhos, captando sua química incomum ao longo do caminho. De alguma forma, os micróbios antigos persistiu e diversificado em uma sucessão de fontes que devem ter aparecido e desaparecido ao longo do tempo geológico. Como em um relógio antigo, diz Souza Saldívar, todos os mecanismos originais ainda estão trabalhando juntos para sustentar uma vida incomum.

Para Frederick Cohan, um ecologista microbiano da Universidade Wesleyan que não faz parte do projeto Cuatro Ciénegas, o fato de muitos dos micróbios estarem relacionados a espécies marinhas e não de espécies encontradas no interior é convincente. “Eu acho que está dizendo que esses organismos existem antigamente”.

Quando os pesquisadores olhou para os estromatólitos, eles encontrou ainda mais diversidade. Amostras de um local, Pozas Azules II, produziram mais de 58.000 sequências microbianas distintas, predominantemente de bactérias – não uma contagem direta de espécies, mas um indicador de biodiversidade. No rio Mezquites, um riacho que flui pela parte norte da bacia e recarrega várias piscinas, eles identificaram 30.000 sequências, principalmente de cianobactérias. Mais de 1000 sequências de Pozas Azules II pareciam ser de archaea, relataram os pesquisadores em Microbiologia Ambiental em 2009. Os estromatólitos também estavam cheios de vírus que infectam bactérias – cepas que eram exclusivo para cada pool e se assemelhava a vírus marinhos.

Estudar os micróbios não tem sido fácil. “Existem milhares e milhares de novas bactérias que não podemos cultivar em cultura”, diz Souza Saldívar. Eles poderiam, no entanto, identificar algumas adaptações surpreendentes às condições extremas. Em uma bactéria encontrada apenas em El Churince, um sistema de lagoas e pozas na parte ocidental da bacia, os pesquisadores sequenciaram o menor genoma já encontrado em seu gênero, Bacilo. O trabalho, liderado por Gabriela Olmedo Álvarez, engenheira genética do Centro de Pesquisa e Estudos Avançados do Instituto Politécnico Nacional, Irapuato, também mostrou que o micróbio –B. coahuilensispoderia sintetizar sulfolipídeos de membrana. Isso significava que, como algumas plantas e cianobactérias, ele poderia usar enxofre do meio ambiente – em vez de fósforo – para formar suas membranas celulares.

Arcas perdidas

Piscinas e lagoas rasas, ricas em minerais, com condições como as dos oceanos antigos, são pontos quentes da diversidade microbiana. Tapetes flutuantes em Cuatro Ciénegas estão cheios de micróbios primordiais conhecidos como archaea, levando os pesquisadores a chamá-los de “cúpulas arcaicas”.

Arcas perdidas

GRÁFICO) N. DESAI /CIÊNCIA; (DADOS) GARCIA-MALDONADO ET AL., EXTREMÓFILOS, DOI 10.1007 / S00792-018-1047-2; CENTENO ET AL., MICOBIOLOY ECOLOGY, DOI: 10.1111 / J.1574-6941.2012.01447

“Provavelmente” roubou “esses genes de uma cianobactéria”, diz Olmedo Álvarez, permitindo lidar com o escasso fósforo, uma condição que se acredita ter prevalecido nos primeiros oceanos da Terra. O pequeno genoma do micróbio também pode ter ajudado a prosperar, pois exigia menos fósforo para construir seu DNA. Olmedo Álvarez acha que o organismo pode oferecer um vislumbre dos estratagemas usados ​​pelos primeiros micróbios para se adaptar ao seu novo ambiente.

“Estamos apenas começando a entender a profundidade da diversidade”, diz Olmedo Álvarez, que descobriu que B. coahuilensis está começando a dividir em estirpes com variações no metabolismo do fósforo.

As condições de baixo fósforo encontradas em Cuatro Ciénegas não só promoveram adaptações locais, mas também diversificação microbiana acelerada, Souza Saldívar e Elser discutiram em uma perspectiva publicada em 2008 em Nature Reviews Microbiology. As bactérias normalmente compartilham pedaços de DNA com seus vizinhos em um processo chamado transferência horizontal de genes, que desfoca as divisões entre as cepas. Mas em Cuatro Ciénegas, os micróbios – famintos por fósforo – consomem essencialmente DNA livre, em vez de incorporá-lo em seus genomas. “Eles comerão o DNA para obter o fósforo”, diz Elser.

Além de oferecer insights sobre a evolução, a diversidade microbiana de Cuatro Ciénegas pode conter recompensas práticas. “Cuatro Ciénegas é um dos lugares mais ricos do planeta em recursos genéticos”, diz Souza Saldívar. Por exemplo, a maioria dos antibióticos modernos são derivados de actinobactérias, que são abundantes no pozas. Susana De la Torre Zavala, uma biotecnóloga da Universidade Autônoma de Nuevo León (UANL), University City, está procurando por potenciais antibióticos em uma biblioteca de 350 actinobactérias da bacia. Sua equipe também descobriu que um extrato de uma microalga que vive nas piscinas mostra atividade anticâncer.

A agricultura também pode se beneficiar, diz Olmedo Álvarez. Em 2050, os reservatórios de fósforo que ajudam a sustentar as colheitas globais podem se tornar escassos, e os micróbios ‘ capacidade de concentrar o elemento de diferentes fontes poderia conter soluções. “Estamos entendendo Cuatro Ciénegas, mas também estamos entendendo os princípios básicos das interações ecológicas que têm aplicação na medicina e na agricultura”, diz ela.

Como a história científica de Cuatro Ciénegas se desenrolou, seu destino ficou na balança, com Souza Saldívar travando uma longa série de batalhas por suas águas com agricultores e proprietários locais, laticínios e políticos. Suas armas têm sido seu crescente perfil científico e um alcance incansável para o público, especialmente os jovens.

Souza Saldívar foi incendiada – durante um congresso de microbiologia de 2013, a polícia teve que protegê-la de protestar contra moradores locais – mas ela ganhou uma série de vitórias. Em 2007, a filha do CEO da LALA, um consórcio gigante de laticínios com raízes no estado de Coahuila, disse ao pai que ela não falaria com ele porque “ele estava matando Cuatro Ciénegas”, diz Souza Saldívar. O executivo prontamente agendou uma reunião com o cientista. “Você precisa mudar a dieta de suas vacas”, diz Souza Saldívar, disse ela, recusando-se a aceitar um iogurte de cortesia que ele ofereceu. “Eu aceito seu iogurte quando você o fizer.” Ele prometeu não apenas parar de comprar a alfafa da região, mas também investir em projetos de educação ambiental para crianças locais.

Dois anos depois, ela ganhou um aliado incomum, o poderoso bilionário mexicano Carlos Slim. Sua fundação colaborou com o World Wildlife Fund (WWF) para comprar a terra ao redor de El Churince, na bacia ocidental, e fornecer aos pesquisadores uma bolsa de cinco anos e 18 milhões de pesos mexicanos (US $ 1,4 milhão) para estudar o favorito de Souza Saldívar poza. Isso lhes permitiu configurar a infraestrutura para realizar experimentos de longo prazo. Mas não salvou a água.

Peixes endêmicos e tartarugas atraíram cientistas para Cuatro Ciénegas, onde encontraram suas riquezas microbianas menos visíveis. David Jaramillo

Em 2010, a Comissão Nacional de Água do México (CONAGUA) decidiu substituir os canais abertos e com vazamentos, que perdem 75% da água drenada, por condutos fechados menos desperdiçados. Mas o projeto foi abandonado no meio do caminho – provavelmente por causa da corrupção – e os antigos canais nunca foram fechados. Enquanto Cuatro Ciénegas continuava a secar, os pesquisadores correram para estudar El Churince, encontrando 5167 espécies distintas de bactérias e arqueias na última piscina restante. Uma inspeção cuidadosa dos genomas de Bacilo bactérias de um único quilômetro quadrado aumentaram a diversidade conhecida do grupo em mais de 20%. Ao comparar as sequências de DNA, a equipe traçou o Bacilo diversidade de dois ancestrais antigos, um com 680 milhões de anos e o outro com 160 milhões de anos. Essas datas coincidem com o rompimento dos supercontinentes Rodinia e Pangea, respectivamente, e a equipe acha que oceanos que se formaram durante essas convulsões carregavam os micróbios ancestrais ao que é agora a bacia de Cuatro Ciénegas, onde persistem desde então.

Cohan diz que isso é plausível. Bacilo de outros lugares não conseguem prosperar em Cuatro Ciénegas, provavelmente porque são superados pelos micróbios locais e não conseguem se adaptar às condições extremas. E a Bacilo espécies de Cuatro Ciénegas não são encontradas em nenhum outro lugar do mundo. “É simplesmente bizarro”, diz Cohan, mas torna o pozas muito mais valioso e vale a pena economizar. “É uma espécie de parque microbiano paleontológico”.

Em 2016, El Churince secou logo após o término do financiamento da WWF – Carlos Slim Foundation. Os pesquisadores se sentiram arrasados. Souza Saldívar diz que foi doloroso ver conchas de tartarugas caídas no solo agora árido. “É realmente triste”, diz Olmedo Álvarez. “Foi-se.”

No lado oriental da bacia, as coisas estão mais brilhantes. Em 2000, a organização não governamental de conservação Pronatura Noreste adquiriu a fazenda Pozas Azules: 2721 hectares, hospedando cerca de 100 pozas. Pronatura eventualmente ganhou direitos sobre a água, permitindo fechar canais que drenam a pozas no rancho. Agora, os agricultores são incentivados a adotar a irrigação por gotejamento, que poupa água, e alguns cultivam nopal – um cacto comestível popular na culinária mexicana – que requer muito menos água que a alfafa.

Os pesquisadores concentraram seus estudos recentes em Pozas Azules. Em 2019, depois de uma chuva incomum na primavera, a equipe notou estruturas de aparência alienígena nas águas rasas de um local perto de Pozas Azules II: tapetes microbianos brancos flutuando com gás. O gás parecia ser em grande parte metano, e uma análise genética mostrou que as esteiras estavam cheias de archaea – 230 espécies distintas, eles relatam em uma pré-impressão. Isso torna o local “o local mais diversificado de arquéias que conhecemos”, diz De la Torre Zavala.

Agora, a equipe espera analisar amostras das estruturas, que chama de “cúpulas arcaicas”, em busca da indescritível Asgard archaea, organismos anteriormente encontrados apenas no fundo do oceano e que pensam conter pistas para a evolução de micróbios simples em eucariotos complexos . Embora alguns de sua equipe sejam céticos, Souza Saldívar está convencido de que os encontrarão. “Valéria geralmente está certa”, diz De la Torre Zavala.

Moldada e semeada de vida por mares antigos, a Bacia Cuatro Ciénegas fica ao pé da distante Sierra San Marcos. As dunas brancas que circundam a bacia são feitas de gesso, um legado de um oceano jurássico. David Jaramillo

Tais perspectivas aumentaram a determinação de Souza Saldívar em preservar Cuatro Ciénegas, e ela está recrutando jovens para apoio. Em todas as viagens de campo desde 2004, sua equipe passou um tempo com os alunos do ensino médio local, mostrando-lhes como usar um microscópio e fazer medições ambientais simples e ensinando-os sobre agricultura sustentável. Em 2011, com o financiamento da Fundação LALA e da Fundação WWF-Carlos Slim, os cientistas montaram um laboratório de biologia molecular em nível universitário na escola, que agora está classificada entre as melhores escolas secundárias rurais do México.

Héctor Arocha Garza é um de seus graduados. Inspirado nos segredos de Cuatro Ciénegas, ele fez doutorado. em biotecnologia na UANL com De la Torre Zavala, voltou para sua cidade natal. “Meu coração estava em Cuatro Ciénegas”, diz ele. Agora, ele lidera o ramo científico de um fundo privado megaprojeto chamado Cuatro Ciénegas 2040 que visa construir um museu de ciências e fazer de Cuatro Ciénegas um destino turístico científico, ao mesmo tempo em que apoia a educação e os cuidados médicos para os jovens da vila.

O esforço chega em um momento crítico. Mais de 90% dos pântanos se foram, e alguns pozas e as lagoas estão secas. Mas este ano, o CONAGUA se comprometeu a regulando o uso da água e fechamento de poços ilegais, e a Pronatura Noreste fechará o Canal Saca Salada, que drena os rios Mezquites, assim que a pandemia do COVID-19 permitir.

Esses desenvolvimentos e histórias como as de Arocha Garza dão a Souza Saldívar esperança para o futuro de Cuatro Ciénegas. “Foi um processo muito complicado, longo e difícil”, diz ela. Mas agora, ela escreveu em um recente livro, “Há uma revolução ocorrendo neste oásis: a ciência é a ferramenta e as crianças são os drivers.”

Fonte: www.sciencemag.org

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