Alguns dos organismos mais antigos da Terra vivem de hidrogênio, e sua química tem muito a nos ensinar

Três quartos de toda a matéria do Universo são compostos de hidrogênio. A jovem Terra também era rica em hidrogênio, graças à intensa atividade geológica e vulcânica.

Assim como as estrelas queimam hidrogênio para produzir calor e luz por meio de reações nucleares, a vida surgiu extraindo energia dessa molécula simples por meio de reações químicas.

Algumas dessas primeiras formas de vida eram as arqueias (archaea): um terceiro tipo enigmático de vida descoberto apenas na década de 1970. (Os outros dois tipos são as bactérias e os eucariontes, grupo que inclui todos os animais, plantas e fungos).

Estudamos milhares de espécies de arqueias para entender como elas se desenvolveram por bilhões de anos em um planeta em constante mudança como o nosso. Em seus projetos genéticos, encontramos instruções para a produção de enzimas especiais (chamadas hidrogenases) para extrair energia do gás hidrogênio, o que lhes permite sobreviver em alguns dos ambientes mais inóspitos da Terra. Nossa pesquisa mais recente foi publicada nas revistas científicas Cell e Nature Communications.

Uma vida alimentada por hidrogênio

As arqueias são encontradas em locais onde nenhuma outra vida pode sobreviver. Algumas, por exemplo, florescem em fontes termais ferventes onde a água é tão ácida que dissolveria o ferro.

Nesses locais, o hidrogênio é produzido continuamente a partir de processos geotérmicos na crosta terrestre. As arqueias devoram esse hidrogênio para reparar seus corpos e, às vezes, até mesmo crescer em condições que, de outra forma, seriam mortais.

Descobrimos que algumas arqueias podem até utilizar as quantidades mínimas de hidrogênio presentes no ar como fonte adicional de alimento. Essa capacidade provavelmente as ajudaria a sobreviver ao transporte pela atmosfera de uma fonte termal rica em hidrogênio para outra.

Sobrevivendo no escuro

Muitas arqueias não são encontradas na superfície terrestre, e levam uma vida humilde no subsolo. As plantas e os animais não conseguem sobreviver nesse ambiente porque não há luz ou oxigênio para sustentá-los.

As arqueias, no entanto, encontraram uma solução para isso: elas decompõem a matéria orgânica profundamente enterrada de restos de plantas ou animais. Elas fazem isso por meio de um processo chamado “fermentação formadora de hidrogênio”.

Assim como no processo de fermentação da cerveja, em que leveduras convertem açúcar para produzir dióxido de carbono, essas arqueias que vivem no escuro convertem a matéria orgânica para produzir gás hidrogênio.

Esse processo libera alguma energia, mas apenas um pouco. Para sobreviver, algumas arqueias formam células ultrapequenas para minimizar suas necessidades de energia. Muitas também são parasitas de outros micróbios, roubando matéria orgânica para alimentar seu próprio crescimento.

Arqueias produzindo metano

Muitas arqueias vivem em ambientes extremos, mas algumas encontram um lar acolhedor em animais.

No intestino de animais, muitas bactérias ajudam a digerir os alimentos por meio da fermentação formadora de hidrogênio. Mas um grupo de arqueias conhecido como metanógenos consome este hidrogênio e libera um potente gás de efeito estufa: o metano.

Os metanógenos são especialmente abundantes e ativos nos intestinos dos bovinos, que são responsáveis por cerca de um terço das emissões de metano causadas pela ação humana. Também estamos trabalhando para desenvolver maneiras de inibir a atividade dos metanógenos intestinais para reduzir essas emissões.

Essas mesmas arqueias também são responsáveis pelas emissões de metano de muitas outras fontes, desde cupinzeiros até o descongelamento do permafrost e mesmo árvores.

A economia do hidrogênio das arqueias

À medida que nossas sociedades tentam diminuir o uso de combustíveis fósseis, talvez possamos aprender com a economia do hidrogênio das arqueias, que têm prosperado por bilhões de anos.

Grande parte do hidrogênio da Terra está preso na água (é o H em H₂O). Para extrair o hidrogênio e trabalhar com ele, as indústrias atualmente precisam de catalisadores caros como a platina. No entanto, também existem catalisadores biológicos de hidrogênio, enzimas chamadas hidrogenases, que não precisam de metais preciosos e funcionam em uma variedade maior de condições.

Descobrimos que algumas arqueias produzem hidrogenases altamente simplificadas. Essas enzimas podem formar uma base para catalisadores de hidrogênio mais eficientes e econômicos.

Hidrogênio e a história da vida

Talvez o hidrogênio seja a chave para a nossa energia futura. Mas vale a pena mencionar que o hidrogênio também ajuda a explicar nosso passado.

Os primeiros eucariontes (os ancestrais de todos os animais, plantas e fungos) evoluíram há cerca de dois bilhões de anos, quando uma célula arqueana e uma célula bacteriana se fundiram.

Por que elas se fundiram? A teoria mais amplamente aceita, conhecida como “a hipótese do hidrogênio”, sugere que a fusão de duas células permite que elas troquem gás hidrogênio de forma mais eficiente. Um cenário provável é que a célula arqueana sobreviveu produzindo hidrogênio, que a célula bacteriana consumiu para produzir sua própria energia.

Por fim, esse processo deu origem a todos os eucariontes ao longo de um bilhão de anos de evolução. A maioria dos eucariontes modernos, inclusive os humanos, perdeu a capacidade de usar o hidrogênio.

Mas ainda existem vestígios das antigas arqueias e bactérias. O corpo de nossas células vem das arqueias, enquanto as organelas produtoras de energia dentro das células, chamadas mitocôndrias, são derivadas das bactérias.

O hidrogênio pode ser simples, mas ajudou a criar grande parte da complexidade da vida na Terra.