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A cerca de 20 minutos a norte da cidade industrial de Timmins, Ontário, o terreno dá lugar a um fosso que se estende por mais de 100 metros de largura. Este fosso é a característica mais reconhecida da Mina Kidd Creek, a mina de cobre e zinco mais profunda do mundo. Abaixo da superfície da Terra, um labirinto de túneis subterrâneos e poços perfura 3 km de rocha vulcânica antiga. Se não fosse um enorme sistema de ventilação mantendo as passagens frescas, a temperatura do ar a esta profundidade seria de 34 °C (93 °F).
É aqui que Barbara Sherwood Lollar, uma hidrogeóloga da Universidade de Toronto, viaja para a crosta do planeta para caçar sinais de vida. “Você entra em um pequeno caminhão ou veículo e desce por uma longa e sinuosa estrada que desce na Terra com saca-rolhas”, diz ela ao The Scientist. Quando ela e seus companheiros de viagem se aproximam dos corredores no final da estrada, “estamos literalmente caminhando pelo que era o fundo do oceano há 2,7 bilhões de anos”, diz ela. “É um lugar absolutamente fascinante e mágico para visitar”
Mineiros não semelhantes, que navegam nestes túneis em busca de minérios metálicos, Sherwood Lollar e os seus colegas estão à procura de piscinas de água salgada. “Estas não são águas que você bombearia para sua casa de campo e beberia ou espalharia em suas plantações”, diz Sherwood Lollar. “Estas são águas que estiveram em contacto com a rocha durante longos períodos geoquímicos – estão cheias de cátions dissolvidos e ânions que lixiviaram dos minerais.” Tão cheias, de facto, que libertam um odor distinto e bafiento. “Enquanto caminhamos ao longo destes túneis, se eu tiver um cheiro desse cheiro fedorento, então vamos nessa direcção.”
Onde há água, há o potencial para a vida. Em 2006, Sherwood Lollar fez parte de uma equipe liderada por Tullis Onstott na Universidade de Princeton que descobriu uma bactéria anaeróbica redutora de sulfato que prosperava nas águas ricas em sulfatos da mina de ouro Mponeng na África do Sul, a 2,8 quilômetros de profundidade.1 Alguns anos depois, um grupo diferente descreveu uma comunidade microbiana diversa vivendo a uma profundidade semelhante na crosta terrestre, acessada através de um furo perfurado no solo na Finlândia.2 Com a recente descoberta de água rica em hidrogénio e sulfato, de 2 bilhões de anos de idade, que jorrava da rocha da mina Kidd, Sherwood Lollar e os seus colegas esperam poder encontrar novamente vida.3
Antes da ascensão das plantas terrestres, a biomassa profunda poderia ter compensado a vida na superfície por uma ordem de magnitude.
Estas expedições são apenas uma parte de um campo de pesquisa em rápida expansão focado em documentar a vida microbiana e até mesmo eucariótica que habita a centenas de metros de profundidade na crosta terrestre – a vasta bainha de rocha que encerra o manto do planeta. Os pesquisadores estão agora explorando este submundo vivo, ou biosfera profunda, não apenas na antiga crosta continental, de lenta mudança sob os nossos pés, mas na crosta oceânica mais fina e mais dinâmica sob o fundo do mar. (Veja ilustração na página 32.) Tais habitats tornaram-se mais acessíveis graças à expansão dos projectos de perfuração científica nas últimas duas décadas – onde os investigadores arrastam núcleos de rocha para estudar à superfície – assim como um número crescente de expedições para a Terra através de minas ou fendas no fundo do oceano.
Estudos destes ambientes escuros – e muitas vezes anóxicos e quentes – desafiam os cientistas a repensar os limites da vida, ao mesmo tempo que realçam o pouco que sabemos sobre o mundo sob os nossos pés. “É um campo muito bom, se você não se importa de não saber todas as respostas”, diz Jason Sylvan, geomicrobiólogo da Universidade do Texas A&M. “Para algumas pessoas, isso assusta-as. Para mim, um campo é mais excitante quando se pode fazer perguntas realmente grandes”
Pesquisadores Explore a Biosfera ProfundaA maior parte da pesquisa sobre a biosfera profunda foi conduzida usando amostras recuperadas a menos de um quilômetro abaixo da superfície da Terra. Mas um punhado de furos e outras escavações feitas pelo homem, tanto em locais continentais como oceânicos, estendem-se muito mais profundamente na crosta terrestre.  Números 1-10: Oeste para Leste.
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Buracos no solo
Um desejo de explorar a biosfera profunda levou Julie Huber, uma oceanógrafa microbiana da Woods Hole Oceanographic Institution em Massachusetts, a alguns dos lugares mais remotos da Terra. Huber está interessada nos enormes volumes de água que se espalham entre as partículas de rocha na crosta oceânica, e na extensão e diversidade da vida microbiana dentro delas. Uma maneira de acessar essa água é através de projetos de perfuração caros, muitos organizados pelo Programa Internacional de Descoberta do Oceano (IODP), que perfuravam os sedimentos marinhos até a crosta. Em 2013, esta abordagem revelou bactérias que vivem em rochas basálticas com 3,5 milhões de anos debaixo do Oceano Pacífico.4
O outro caminho, explica Huber, “é descobrir onde essa água está a sair naturalmente através do fundo do mar, e depois tentar capturá-la tal como está a sair”. Para isso, Huber não só trabalhou com equipas de engenheiros para conduzir veículos operados remotamente até ao fundo do oceano, como também se juntou às fileiras de cientistas que mergulharam com Alvin, um veículo de investigação submersível de três pessoas, propriedade da Marinha dos EUA, que pode mergulhar até 4.500 metros. “Os claustrofóbicos não se dão bem lá dentro”, reconhece Huber – acrescentando que qualquer pessoa que pretenda mergulhar está convidada a tentar sentar-se no submarino antes de sair do convés do barco para evitar “um pânico total a ser lançado ao oceano”. Os cientistas já utilizaram vários desses locais, desde a Mina Kidd Creek em Ontário (esquerda) até minas de ouro na África do Sul (direita), para procurar vida subterrânea.
Estas tecnologias permitem à Huber recolher amostras dos fluidos que infiltram, ou por vezes explodem, da crosta oceânica dos vulcões subaquáticos e dos respiradouros hidrotermais. No início dos anos 2000, ela e seus colegas usaram 16S rRNA seqüenciamento genético para analisar a diversidade microbiana submarina após múltiplas erupções do Axial Seamount, um vulcão subaquático a cerca de 480 quilômetros a oeste do Oregon e quase 1,5 quilômetros sob a superfície da água. Em comparação com a água do fundo do mar, as amostras coletadas no local do respiradouro revelaram múltiplos táxons bacterianos únicos5 e arqueológicos6 que pareciam ter sido removidos da crosta, apontando para uma comunidade microbiana diversa que prospera abaixo do fundo do mar. Mais recentemente, o grupo Huber realizou uma pesquisa detalhada no campo mais profundo de respiros hidrotermais do mundo – um local conhecido como Piccard, depois do aventureiro suíço Jacques Piccard- e encontrou milhares de taxas microbianas específicas de respiros em fluidos que saem da crosta a temperaturas de até 108 °C (226 °F).7
Estas descobertas estão se tornando típicas deste jovem campo de pesquisa. Até hoje, estudos de locais da crosta em todo o mundo – tanto oceânicos como continentais – documentaram todos os tipos de organismos que sobrevivem em ambientes que, até recentemente, eram considerados inóspitos, com algumas estimativas teóricas agora sugerindo que a vida poderia sobreviver a pelo menos 10 quilômetros dentro da crosta. E a biosfera profunda não compreende apenas bactérias e arcaicas, como se pensava; os pesquisadores sabem agora que o subsolo contém várias espécies fúngicas,8 e até mesmo o animal ocasional. Após a descoberta em 2011 de vermes nematódeos em uma mina de ouro sul-africana, uma pesquisa intensiva de dois anos revelou membros de quatro vermes invertebrados fila-planos, rotíferos, vermes segmentados e artrópodes que vivem 1,4 quilômetros abaixo da superfície da Terra.9
1864
Jules Verne fascina os leitores com uma história de mares subterrâneos e animais pré-históricos em sua ficção científica subterrânea, Journey to the Center of the Earth.
1926
O geólogo Edson Bastin e o microbiologista Frank Greer da Universidade de Chicago relatam ter encontrado bactérias redutoras de sulfato em amostras recuperadas de depósitos de petróleo com 300 milhões de anos de idade que foram enterradas centenas de metros no subsolo. Os resultados são descartados como contaminação de superfície.
1938
Microbiólogo Claude Zobell descreve bactérias aeróbicas em núcleos com mais de 50 centímetros de comprimento retirados de sedimentos marinhos de profundidade ao largo da costa da Califórnia, levando à especulação sobre a vida abaixo do fundo do mar.
1960
O explorador oceânico Jacques Piccard descobre a vida animal no ponto mais profundo conhecido do oceano, Challenger Deep in the Mariana Trench, quase 11 quilómetros abaixo da superfície da água.
1987
Os engenheiros do Departamento de Energia dos EUA que utilizam equipamento de perfuração concebido para evitar a contaminação da superfície descobrem micróbios que vivem 500 metros no subsolo em torno de uma instalação de processamento nuclear perto do rio Savannah, na Carolina do Sul.
1990
Astrofísico Thomas Gold publica um influente e controverso artigo intitulado “The Deep, Hot Biosphere”, argumentando que a biomassa subsuperficial é comparável em volume à biomassa superficial, e que a vida pode ter tido origem no subsolo.
2006
Investigadores descobrem uma bactéria em águas fraturadas numa mina de ouro sul-africana, a 2,8 quilómetros de profundidade. Trabalhos subsequentes mostram que não tem parentes próximos na superfície.
2013
Um programa de perfuração oceânica recupera o basalto contendo micróbios, fornecendo a primeira evidência conclusiva de vida na crosta oceânica.
2017
Os investigadores japoneses anunciam planos para perfurar até ao manto através da crosta terrestre. O projecto, cujo início está previsto para 2030, tem em parte como objectivo ajudar a responder à questão persistente de como a vida subterrânea profunda pode sobreviver.
Não surpreende, à medida que os investigadores exploram estes habitats invulgares, estão a encontrar uma série de organismos que até há pouco tempo eram desconhecidos da ciência. A descoberta de espécies de arcaicas “extremófitas” na última década levou os cientistas a repensar a filogenia de todo o domínio. (Ver “Archaea Family Tree Blossoms, Thanks to Genomics”, The Scientist, Junho de 2018). E enquanto muitas das bactérias e arcaias descobertas na biosfera profunda têm análogos ou parentes próximos na superfície, algumas são diferentes de qualquer outra coisa encontrada em qualquer outro lugar.
Um exemplo é o Candidatus Desulforudis audaxviator, encontrado pela primeira vez pela equipe de Onstott na mina de ouro de Mponeng, em 2006. (“Audax viator”, que traduz do latim para “viajante arrojado”, é uma referência a uma linha na Jornada de Júlio Verne para o Centro da Terra). Desde então, pesquisadores identificaram bactérias semelhantes a esta espécie em outros locais a um quilômetro ou mais na crosta, mas ainda não encontraram nenhum parente próximo em comunidades de superfície. Outra espécie bacteriana, descoberta a mais de 1.000 metros de profundidade na mina de molibdénio de Henderson no Colorado, mostra fracas ligações filogenéticas com membros do filo Nitrospirae, mas é diferente de qualquer coisa na superfície.10
Uma área chave de pesquisa agora é compreender como esta vida sobrevive. Desviados da luz solar, “estes sistemas são tipicamente pobres em energia”, diz Sherwood Lollar. Em comparação com as comunidades de superfície, pensa-se que os micróbios na biosfera profunda têm um crescimento relativamente lento e uma distribuição esparsa, acrescenta ela. Enquanto o solo de superfície pode conter mais de 10 bilhões de micróbios por grama, a crosta oceânica geralmente contém cerca de 10.000 células por grama, e a crosta continental – onde a água não é surpreendente – contém menos de 1.000 células por grama.
Trabalhar com amostras tão baixas de biomassa apresenta um desafio próprio, mas os pesquisadores estão usando uma combinação de técnicas, incluindo análises metagenómicas e incubação de rochas ou fluidos subsuperficiais com diferentes fontes potenciais de alimentos no laboratório, para sondar a função dos micróbios subsuperficiais. Tais estudos estão revelando genes para enzimas metabólicas que sugerem que esses organismos podem ganhar energia de um conjunto de fontes – especialmente hidrogênio e outras moléculas que são liberadas por reações químicas entre água e rocha. Quando a geomicrobióloga Lotta Purkamo da Universidade de St Andrews e seus colegas caracterizaram o ecossistema de um furo com 600 metros de profundidade no norte da Finlândia, por exemplo, eles encontraram evidências de vias metabólicas baseadas na redução ou oxidação de sulfato, nitrato, metano, amônia e ferro, assim como reações de fixação envolvendo carbono.11
Adicionalmente, graças às análises metatranscriptómicas, “estamos a aprender que estes organismos têm muitos metabolismos potenciais que poderiam estar a expressar”, diz Huber, que recentemente realizou este tipo de ensaio na comunidade da Montanha Axial do Mar.12 “Mas dependendo das condições e do cenário geológico, apenas um pequeno subconjunto desses genes está a ser usado”. Tais resultados sugerem estilos de vida flexíveis e oportunistas, acrescenta ela, onde micróbios fazem uso de tudo o que podem, sempre que podem.
Estes achados estão a rasgar algumas das grandes questões sobre a diversidade e singularidade da vida na biosfera profunda. Mas os conhecimentos proporcionados por um único núcleo de perfuração ou amostra de fluido podem ser frustrantemente fugazes, diz o geobiólogo da Universidade de Bergen Steffen Jørgensen. Uma amostra “não nos dá nenhuma compreensão da dinâmica do sistema e de como ele evolui com o tempo”, diz ele. Para uma visão a longo prazo da vida nas profundezas da Terra, os pesquisadores estão levando suas experiências para o subsolo.
A quarta dimensão
No Verão passado, Jørgensen saiu de um helicóptero para uma pequena ilha de basalto a cerca de 30 quilómetros da costa sul da Islândia. Demasiado rochosa para aceder de barco, a ilha de Surtsey é a ponta de um enorme monte de magma soprado do fundo do mar por uma erupção vulcânica submarina que se prolongou por quase quatro anos em meados da década de 1960. Essa crosta oceânica recém formada “nos dá uma enorme vantagem”, diz Jørgensen. “Podemos realmente perfurar o que é um sistema marinho, mas a partir de terra”
Usando equipamento voado para Surtsey de helicóptero, Jørgensen e uma grande equipa de engenheiros perfurados no basalto. Eles não removeram apenas os núcleos da ilha; ao invés disso, os pesquisadores montaram um mini observatório para fazer medições in situ da biosfera profunda. Em um buraco de 190 metros de profundidade na rocha, a equipe instalou uma série de tubos de alumínio de 10 metros de comprimento, vários deles com uma série de pequenas fendas para permitir a passagem de fluidos a partir da rocha ao redor. Em seguida, dentro dos tubos, a equipe baixou um cabo com vários pedaços de equipamento – registradores de temperatura e pressão, e incubadoras microbianas – acopladas em intervalos específicos, até que o equipamento se alinhasse com as fendas. Desde então, os instrumentos no observatório têm vindo a recolher dados da crosta oceânica, e no próximo Verão, Jørgensen e os seus colegas voltarão para ver o que encontraram.
A instalação Surtsey é agora um dos poucos observatórios profundos em todo o mundo e faz parte de um esforço maior para estabelecer estudos a longo prazo tanto na crosta oceânica como na continental. Tais locais oferecem uma janela para a actividade da biosfera profunda, bem como uma oportunidade para recolher dados de séries temporais que são fundamentais para compreender como essa biosfera muda ao longo do tempo. “É a única maneira de … fazer observações que são mais do que ‘fui a este lugar, uma vez na história do mundo, e agarrei um monte de rochas, e aqui está o que vi'”, diz Sylvan.
Jornada ao Centro da Terra
A recente expansão dos programas de perfuração científica em larga escala, combinada com a intensificação dos esforços para aproveitar os portais existentes na crosta, levou a uma explosão da pesquisa sobre a biosfera profunda.
Deep sea, submersíveis tripulados e veículos operados remotamente coletam amostras de fluidos que saem de pontos naturais de acesso à crosta oceânica, como vulcões submarinos ou respiradouros hidrotermais. Estas amostras contêm micróbios que vivem na crosta por baixo.
Perfurações na crosta terrestre permitem a recuperação de rochas e núcleos de sedimentos que chegam a quilómetros abaixo da superfície. Os furos podem então ser preenchidos com equipamentos de monitoramento para fazer medições de longo prazo da biosfera profunda.
Minas profundas fornecem pontos de acesso para os pesquisadores viajarem para a crosta continental da Terra, de onde eles podem perfurar ainda mais fundo no solo ou procurar micróbios que vivem na água infiltrando-se diretamente da rocha.
| Crosta Oceânica | Crosta Continental | |
| Espessura | 6-10 quilómetros | 30-50 quilómetros |
| Área | Sobre 60 por cento de Superfície da Terra | Sobre 40 por cento da superfície da Terra |
| Age | Raramente mais de 200 milhões de anos | Até 4 bilhões de anos |
| Conteúdo de água | Alto | Baixo |
Dados saindo de longoOs estudos a termo da biosfera profunda pintam um quadro dinâmico. Em julho, uma equipe que incluiu Onstott e Sherwood Lollar publicou análises metagenômicas, metatranscriptômicas e metaproteômicas de dados coletados durante um período de dois anos e meio a uma profundidade de 1.339 metros de um furo perfurado na mina de ouro Beatrix, na África do Sul.13 Ao longo do estudo, a estrutura da comunidade microbiana mudou de acordo com as flutuações naturais da geoquímica das águas subterrâneas – em particular, a disponibilidade de compostos que aceitam eletrões, tais como nitratos e sulfatos.
Meanwhile, o grupo de Huber publicou uma análise dos dados coletados durante dois anos de dois observatórios chamados CORK (circulation obviation retrofit kits) instalados na crosta oceânica abaixo de North Pond, um local na crista do Médio-Atlântico, através do qual circula água bem oxigenada e a menos de 15 °C (59 °F)-relativamente água fria.14 A metagenómica mostrou que as comunidades microbianas, que eram substancialmente diferentes das de ambientes mais quentes e anóxicos, passaram por mudanças substanciais ao longo do tempo com um filo dominando um mês, e outro assumindo o seguinte – apesar de apenas pequenas flutuações na geoquímica da água.
Tantos observatórios subterrâneos também podem actuar como laboratórios in situ. Ao incubar rochas dentro destes locais durante anos de cada vez, os pesquisadores podem estudar como as comunidades microbianas colonizam novos materiais em seus ambientes naturais em vez de no laboratório, e como a composição mineralógica da crosta influencia quem cresce onde.15 Os locais podem até revelar dinâmicas subsuperficiais em escalas de tempo muito mais longas, ajudando os cientistas a identificar sinais de vida antiga. Até hoje, muitas das pistas sobre comunidades microbianas profundas ao longo da história geológica vêm do que parecem ser restos fossilizados ou mineralizados de bactérias e arcaias nas rochas recuperadas da crosta. Mas dado o pouco conhecimento dos poucos pesquisadores sobre os processos de mineralização no subsolo profundo, a autenticidade de pelo menos alguns desses restos está em questão.
“É bastante difícil dizer se você está realmente olhando para um fóssil de um organismo que viveu na biosfera profunda bilhões de anos atrás”, explica o geobiólogo da Universidade de Edimburgo Sean McMahon. “Não só é difícil em geral reconhecer bactérias fósseis, que se parecem muito com minerais nessa escala de tamanho, como é difícil mostrar, se realmente é uma bactéria fóssil, que o organismo vivia abaixo da superfície na época em que vivia há bilhões de anos.”
É um campo muito bom, se não se importar de não saber todas as respostas.
-Jason Sylvan, Texas A&M University
Para ter um melhor controlo da dinâmica a longo prazo da biosfera profunda, grupos como o McMahon’s estão a tentar recriar a mineralização profunda no laboratório. Eles fazem isso através da inoculação de rochas com bactérias, explica McMahon, ajustando então as condições físicas e químicas para desencadear a fossilização. “A idéia é tentar encontrar o ponto doce onde os micróbios são capazes de viver felizes, mas você só tem que mudar uma pequena coisa para que eles fiquem enterrados em minerais e fossilizados”, diz ele.
Estações de observação subterrâneas como a de Surtsey logo poderão complementar esta pesquisa, diz Jørgensen. “Tendo o observatório, esperamos poder esclarecer se estas estruturas podem ser produzidas abióticamente, ou se só as vemos onde há micróbios presentes”, diz ele. “É uma questão muito difícil de se chegar ao fundo de.”
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Peças em falta
Apesar da infância da pesquisa sobre a biosfera profunda, é claro para muitos no campo que a ciência tem há muito uma visão distorcida do que constitui a vida no nosso universo. Os investigadores estão longe de concordar com a extensão deste submundo – um artigo dos anos 90 sugeriu, de forma controversa, que a vida profunda constituía 50% da actual biomassa da Terra16 , embora a maioria das estimativas esteja agora abaixo dos 15%. Antes da ascensão das plantas terrestres há cerca de 400 milhões de anos, no entanto, a biomassa profunda poderia ter superado a vida na superfície por uma ordem de magnitude, de acordo com cálculos publicados este verão por McMahon e John Parnell da Universidade de Aberdeen.17
No entanto, existe muita vida abaixo da superfície da Terra, sua mera presença está forçando uma reavaliação da normalidade biológica, não apenas na Terra, mas nas profundezas de outros planetas como Marte. Afinal, na crosta terrestre, “tínhamos assumido que não havia vida”, observa Purkamo, que também foi filiado ao Centro de Ciência Exoplanet de St Andrews. “E então, tada!”
As descobertas da fronteira subterrânea também estão pressionando os cientistas a considerar como os micróbios subsuperficiais – e as reações que eles realizam – influenciam os processos globais que ocorrem acima da superfície. “Tenho a certeza de que as pessoas não pensam realmente nisso”, observa Jørgensen. “Que estão a caminhar nesta enorme biosfera que pode ter um impacto realmente significativo na forma como o sistema funciona.” O mesmo se aplica às tentativas de compreender a evolução física e biológica ao longo da história do planeta. “Quando pensamos em como a vida na Terra mudou ao longo do tempo, e como ela interage com a química das rochas, sedimentos, águas subterrâneas, oceanos, atmosfera, não devemos pensar apenas em animais e plantas carismáticas”, diz McMahon. “Deveríamos estar a pensar nesta enorme quantidade de microrganismos, a maioria dos quais vivem na superfície dos grãos minerais e interagem com eles”
É exactamente essa a visão que os investigadores da biosfera profunda de hoje estão a tentar expandir, e para a maioria no campo, é uma viagem excitante”. “É como: Raios, há tanta coisa que não sabemos sobre o que está a acontecer lá em baixo”, diz Huber, cuja equipa está actualmente a explorar a biosfera profunda num activo vulcão subaquático conhecido como Loihi, a cerca de 35 quilómetros da costa da Ilha Grande do Havai. “E que privilégio poder fazer estas perguntas e fazer este tipo de ciência e tentar descobrir”.
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