8.4: Vida, evolução química e mudança climática
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Descreva as origens e a subsequente diversidade da vida na Terra
- Explique as maneiras pelas quais a vida e a atividade geológica influenciaram a evolução da atmosfera
- Descreva as causas e efeitos do efeito estufa atmosférico e do aquecimento global
- Descreva o impacto da atividade humana na atmosfera e na ecologia do nosso planeta
Até onde sabemos, a Terra parece ser o único planeta do sistema solar com vida. A origem e o desenvolvimento da vida são uma parte importante da história do nosso planeta. A vida surgiu no início da história da Terra e os organismos vivos vêm interagindo com seu ambiente há bilhões de anos. Reconhecemos que as formas de vida evoluíram para se adaptar ao ambiente na Terra, e agora estamos começando a perceber que a própria Terra foi alterada de maneiras importantes pela presença de matéria viva. O estudo da coevolução da vida e do nosso planeta é um dos assuntos da ciência moderna da astrobiologia.
A origem da vida
O registro do nascimento da vida na Terra foi perdido nos movimentos inquietos da crosta. De acordo com evidências químicas, quando as rochas mais antigas sobreviventes foram formadas, há cerca de 3,9 bilhões de anos, a vida já existia. Há 3,5 bilhões de anos, a vida alcançou a sofisticação de construir grandes colônias chamadas estromatólitos, uma forma tão bem-sucedida que os estromatólitos ainda crescem na Terra hoje (Figura\(\PageIndex{1}\)). Mas poucas rochas sobreviveram desses tempos antigos, e fósseis abundantes foram preservados apenas nos últimos 600 milhões de anos — menos de 15% da história do nosso planeta.
Há poucas evidências diretas sobre a origem real da vida. Sabemos que a atmosfera da Terra primitiva, ao contrário da atual, continha dióxido de carbono abundante e um pouco de metano, mas nenhum gás oxigênio. Na ausência de oxigênio, são possíveis muitas reações químicas complexas que levam à produção de aminoácidos, proteínas e outros elementos químicos da vida. Portanto, parece provável que esses blocos de construção químicos estivessem disponíveis muito cedo na história da Terra e teriam se combinado para formar organismos vivos.
Por dezenas de milhões de anos após a formação da Terra, a vida (talvez pouco mais do que moléculas grandes, como os vírus de hoje) provavelmente existiu em mares quentes e ricos em nutrientes, vivendo de substâncias químicas orgânicas acumuladas. Quando esse alimento de fácil acesso se esgotou, a vida deu início ao longo caminho evolutivo que levou ao grande número de diferentes organismos na Terra hoje. Ao fazer isso, a vida começou a influenciar a composição química da atmosfera.
Além do estudo da história da vida, conforme revelado por evidências químicas e fósseis em rochas antigas, os cientistas usam ferramentas dos campos da genética e da genômica que avançam rapidamente - o estudo do código genético que é compartilhado por toda a vida na Terra. Embora cada indivíduo tenha um conjunto único de genes (é por isso que a “impressão digital” genética é tão útil para o estudo do crime), também temos muitas características genéticas em comum. Seu genoma, o mapa completo do DNA do seu corpo, é idêntico no nível de 99,9% ao de Júlio César ou Maria Curie. No nível de 99%, os genomas humanos e de chimpanzés são os mesmos. Observando as sequências genéticas de muitos organismos, podemos determinar que toda a vida na Terra é descendente de um ancestral comum e podemos usar as variações genéticas entre as espécies como uma medida de quão intimamente diferentes espécies estão relacionadas.
Essas ferramentas de análise genética permitiram aos cientistas construir o que é chamado de “árvore da vida” (Figura\(\PageIndex{2}\)). Este diagrama ilustra a forma como os organismos se relacionam examinando uma sequência do RNA do ácido nucléico que todas as espécies têm em comum. Esta figura mostra que a vida na Terra é dominada por criaturas microscópicas das quais você provavelmente nunca ouviu falar. Observe que os reinos vegetal e animal são apenas dois pequenos galhos na extrema direita. A maior parte da diversidade da vida e a maior parte de nossa evolução ocorreu no nível microbiano. De fato, você pode se surpreender ao saber que há mais micróbios em um balde de solo do que estrelas na galáxia. Você pode ter isso em mente quando, mais adiante neste livro, nos voltarmos para a busca por vida em outros mundos. Os “alienígenas” com maior probabilidade de estarem lá fora são micróbios.
Esses estudos genéticos também levam a outras conclusões interessantes. Por exemplo, parece que as primeiras formas de vida terrestres sobreviventes foram todas adaptadas para viver em altas temperaturas. Alguns biólogos acham que a vida pode realmente ter começado em locais do nosso planeta que eram extremamente quentes. Outra possibilidade intrigante é que a vida começou em Marte (que esfriou mais cedo) em vez da Terra e foi “semeada” em nosso planeta por meteoritos que viajavam de Marte para a Terra. As rochas de Marte ainda estão indo para a Terra, mas até agora nenhuma mostrou evidências de servir como uma “nave espacial” para transportar microrganismos de Marte para a Terra.
A evolução da atmosfera
Um dos principais passos na evolução da vida na Terra foi o desenvolvimento de algas verde-azuladas, uma forma de vida muito bem-sucedida que absorve dióxido de carbono do meio ambiente e libera oxigênio como produto residual. Esses microrganismos bem-sucedidos proliferaram, dando origem a todas as formas de vida que chamamos de plantas. Como a energia para produzir novos materiais vegetais a partir de blocos de construção químicos vem da luz solar, chamamos o processo de fotossíntese.
Estudos da química de rochas antigas mostram que a atmosfera da Terra carecia de oxigênio livre abundante até cerca de 2 bilhões de anos atrás, apesar da presença de plantas liberando oxigênio pela fotossíntese. Aparentemente, as reações químicas com a crosta terrestre removeram o gás oxigênio tão rapidamente quanto ele se formou. Lentamente, no entanto, a crescente sofisticação evolutiva da vida levou a um crescimento na população de plantas e, assim, aumentou a produção de oxigênio. Ao mesmo tempo, parece que o aumento da atividade geológica levou à forte erosão na superfície do nosso planeta. Isso enterrou grande parte do carbono vegetal antes que ele pudesse se recombinar com o oxigênio para formar CO 2.
O oxigênio livre começou a se acumular na atmosfera há cerca de 2 bilhões de anos, e o aumento da quantidade desse gás levou à formação da camada de ozônio da Terra (lembre-se de que o ozônio é uma molécula tripla de oxigênio, O 3), que protege a superfície da luz ultravioleta solar mortal. Antes disso, era impensável que a vida se aventurasse fora dos oceanos protetores, então as massas de terra da Terra eram áridas.
A presença de oxigênio e, portanto, de ozônio, permitiu a colonização da terra. Também possibilitou uma enorme proliferação de animais, que viviam absorvendo e usando os materiais orgânicos produzidos pelas plantas como sua própria fonte de energia.
À medida que os animais evoluíram em um ambiente cada vez mais rico em oxigênio, eles foram capazes de desenvolver técnicas para respirar oxigênio diretamente da atmosfera. Nós, humanos, temos como certo que há bastante oxigênio livre disponível na atmosfera da Terra e o usamos para liberar energia dos alimentos que ingerimos. Embora possa parecer engraçado pensar dessa forma, somos formas de vida que evoluíram para respirar os resíduos das plantas. São as plantas e os micróbios relacionados que são os principais produtores, usando a luz solar para criar “alimentos” ricos em energia para o resto de nós.
Em escala planetária, uma das consequências da vida foi a diminuição do dióxido de carbono atmosférico. Na ausência de vida, a Terra provavelmente teria uma atmosfera dominada por CO 2, como Marte ou Vênus. Mas os seres vivos, em combinação com altos níveis de atividade geológica, efetivamente retiraram a maior parte desse gás em nossa atmosfera.
O efeito estufa e o aquecimento global
Temos um interesse especial no conteúdo de dióxido de carbono da atmosfera devido ao papel fundamental que esse gás desempenha na retenção do calor do Sol por meio de um processo chamado efeito estufa. Para entender como o efeito estufa funciona, considere o destino da luz solar que atinge a superfície da Terra. A luz penetra em nossa atmosfera, é absorvida pelo solo e aquece as camadas superficiais. À temperatura da superfície da Terra, essa energia é então reemitida como radiação infravermelha ou térmica (Figura\(\PageIndex{3}\)). No entanto, as moléculas da nossa atmosfera, que permitem a passagem da luz visível, são boas em absorver energia infravermelha. Como resultado, o CO 2 (junto com o metano e o vapor de água) age como uma manta, retendo o calor na atmosfera e impedindo seu fluxo de volta ao espaço. Para manter um equilíbrio energético, a temperatura da superfície e da baixa atmosfera deve aumentar até que a energia total irradiada pela Terra para o espaço seja igual à energia recebida do Sol. Quanto mais CO 2 houver em nossa atmosfera, maior será a temperatura na qual a superfície da Terra atinge um novo equilíbrio.
O efeito estufa em uma atmosfera planetária é semelhante ao aquecimento da estufa de um jardineiro ou ao interior de um carro deixado ao sol com as janelas fechadas. Nesses exemplos, o vidro da janela desempenha o papel de gases de efeito estufa, permitindo a entrada da luz solar, mas reduzindo o fluxo externo da radiação térmica. Como resultado, a estufa ou o interior de um carro ficam muito mais quentes do que seria de esperar apenas com o aquecimento da luz solar. Na Terra, o efeito estufa atual eleva a temperatura da superfície em cerca de 23° C. Sem esse efeito estufa, a temperatura média da superfície estaria bem abaixo de zero e a Terra estaria presa em uma era glacial global.
Essa é a boa notícia; a má notícia é que o aquecimento devido ao efeito estufa está aumentando. A sociedade industrial moderna depende da energia extraída da queima de combustíveis fósseis. Na verdade, estamos explorando o material rico em energia criado pela fotossíntese há dezenas de milhões de anos. À medida que esses antigos depósitos de carvão e petróleo são oxidados (queimados com oxigênio), grandes quantidades de dióxido de carbono são liberadas na atmosfera. O problema é exacerbado pela destruição generalizada das florestas tropicais, das quais dependemos para extrair CO 2 da atmosfera e reabastecer nosso suprimento de oxigênio. No último século de aumento do desenvolvimento industrial e agrícola, a quantidade de CO 2 na atmosfera aumentou cerca de 30% e continua aumentando em mais de 0,5% ao ano.
Antes do final do século atual, prevê-se que o nível de CO2 da Terra atinja o dobro do valor que tinha antes da revolução industrial (Figura\(\PageIndex{4}\)). As consequências desse aumento para a superfície e a atmosfera da Terra (e para as criaturas que vivem lá) provavelmente serão mudanças complexas no clima e podem ser catastróficas para muitas espécies. Muitos grupos de cientistas estão agora estudando os efeitos desse aquecimento global com modelos computacionais elaborados, e a mudança climática emergiu como a maior ameaça conhecida (exceto a guerra nuclear) tanto para a civilização industrial quanto para a ecologia de nosso planeta.
Este pequeno vídeo da PBS explica a física do efeito estufa.
A mudança climática já é amplamente aparente. Em todo o mundo, os recordes de temperatura são constantemente estabelecidos e quebrados; todos, exceto um dos anos mais quentes registrados, ocorreram desde 2000. As geleiras estão recuando e o gelo do Mar Ártico está agora muito mais fino do que quando foi explorado pela primeira vez com submarinos nucleares na década de 1950. O aumento do nível do mar (devido ao derretimento das geleiras e à expansão da água à medida que a temperatura aumenta) representa uma das ameaças mais imediatas, e muitas cidades costeiras planejam construir diques ou paredões para conter as inundações esperadas. A taxa de aumento da temperatura não tem precedentes históricos e estamos entrando rapidamente em um “território desconhecido”, onde as atividades humanas estão levando às temperaturas mais altas da Terra em mais de 50 milhões de anos.
Impactos humanos em nosso planeta
A Terra é tão grande e está aqui há tanto tempo que algumas pessoas têm dificuldade em aceitar que os humanos estão realmente mudando o planeta, sua atmosfera e seu clima. Eles ficam surpresos ao saber, por exemplo, que o dióxido de carbono liberado pela queima de combustíveis fósseis é 100 vezes maior do que o emitido pelos vulcões. Mas os dados contam claramente a história de que nosso clima está mudando rapidamente e que quase toda a mudança é resultado da atividade humana.
Essa não é a primeira vez que humanos alteram nosso ambiente dramaticamente. Algumas das maiores mudanças foram causadas por nossos ancestrais, antes do desenvolvimento da sociedade industrial moderna. Se os alienígenas tivessem visitado a Terra há 50.000 anos, eles teriam visto grande parte do planeta sustentando grandes animais do tipo que agora sobrevivem apenas na África. As planícies da Austrália foram ocupadas por marsupiais gigantes, como diprododon e zygomaturus (o tamanho de nossos elefantes hoje) e uma espécie de canguru com 10 pés de altura. A América do Norte e o Norte da Ásia hospedaram mamutes, gatos com dentes de sabre, mastodontes, preguiças gigantes e até camelos. As ilhas do Pacífico estavam repletas de pássaros grandes e vastas florestas cobriam o que hoje são as fazendas da Europa e da China. Os primeiros caçadores humanos mataram muitos grandes mamíferos e marsupiais, os primeiros agricultores derrubaram a maioria das florestas e a expansão polinésia pelo Pacífico condenou a população de pássaros grandes.
Uma extinção em massa ainda maior está em andamento como resultado da rápida mudança climática. Em reconhecimento ao nosso impacto no meio ambiente, os cientistas propuseram dar um novo nome à época atual, a antropocina, quando a atividade humana começou a ter um impacto global significativo. Embora não seja um nome oficialmente aprovado, o conceito de “antropocina” é útil para reconhecer que nós, humanos, agora representamos a influência dominante na atmosfera e na ecologia do nosso planeta, para o bem ou para o mal.
Conceitos principais e resumo
A vida se originou na Terra em uma época em que a atmosfera carecia\(O_2\) e consistia principalmente em\(CO_2\). Mais tarde, a fotossíntese deu origem ao oxigênio livre e ao ozônio. A análise genômica moderna nos permite ver como a grande diversidade de espécies no planeta está relacionada entre si. \(CO_2\)e o metano na atmosfera aquecem a superfície por meio do efeito estufa; hoje, quantidades crescentes de atmosferas\(CO_2\) estão levando ao aquecimento global do nosso planeta.
Glossário
- gás de efeito estufa
- um gás em uma atmosfera que absorve e emite radiação dentro da faixa do infravermelho térmico; na Terra, esses gases atmosféricos incluem principalmente dióxido de carbono, metano e vapor de água
- efeito estufa
- a cobertura (absorção) da radiação infravermelha perto da superfície de um planeta — por exemplo,\(\ce{CO2}\) em sua atmosfera
- fotossíntese
- uma sequência complexa de reações químicas por meio da qual alguns seres vivos podem usar a luz solar para fabricar produtos que armazenam energia (como carboidratos), liberando oxigênio como um subproduto