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Evolucao

  1. 1. Wilson F. Jardim A evolução da atmosfera terrestre ao longo de 4,5 bilhões de anos nos revela transformações químicas drásticas. O aparecimento da vida no nosso planeta acarretou uma situação de constante desequilíbrio na nossa atmosfera, sendo que essa instabilidade tem se agravado nestas ultimas décadas, fruto das atividades antrópicas. Os perigos associados à alteração da composição química da atmosfera também são discutidos. atmosfera, termodinâmica, fotossíntese, respiração 5A Terra tem aproximadamente protegermos de seus efeitos), os quais carbono. Conforme esperado, todo 4,5 bilhões de anos. Seria ficaram registrados na crosta do oxigênio disponível tinha um tempo de pouco provável que nosso planeta ao longo desses bilhões de vida muito curto, acabando por reagirplaneta tivesse permanecido por todo anos. com uma série de compostos presen-esse tempo idêntico, na sua forma e O processo mais importante ocor- tes na sua forma reduzida.na sua composição, ao planeta que rido no planeta Terra foi o aparecimentohoje habitamos. O mesmo ocorre com da vida, o que deve ter ocorrido há A termodinâmica e o conceito de vidaa atmosfera terrestre, que nem sempre aproximadamente 3,5 bilhões de anos. Uma observação mais criteriosa daapresentou a mesma composição Até então, estima-se que nosso plane- composição química da atmosfera ter-química que a atual, conforme apre- ta apresentava uma atmosfera bas- restre (Quadro 1) mostra que o nossosenta o Quadro 1. Muito embora todos tante redutora, com uma crosta rica em planeta é ímpar quando comparadonós tenhamos a idéia de que grandes ferro elementar e castigada por altas com nossos vizinhos mais próximos,mudanças devem ter ocorrido nesses doses de radiação UV, já que o Sol era Marte e Vênus. Se fosse possível tomarbilhões de anos, sempre nos resta uma em torno de 40% mais ativo do que é uma amostra de cada uma das atmos-pergunta: como podemos reconstituir hoje e também não havia oxigênio feras desses dois planetas e confiná-lasa atmosfera terrestre primitiva de modo suficiente para atuar como filtro dessa em um sistema isolado por alguns mi-a avaliar a magnitude dessas trans- radiação, como ocorre na estratosfera lhões de anos, iríamos observar que asformações? Simplesmente tentando atual (vide artigo sobreentender as marcas deixadas por química atmosférica). Quadro 1: Composição química e termodinâmica da atmosferaessas transformações no nosso pla- Dentro dessas caracte- de alguns planetas do Sistema Solar (%).neta através da química, da geologia rísticas redutoras, con- Gás Vênus Marte Terra Terra*e da biologia, trabalhando integra- clui-se que a atmosfera CO 96,5 95 0,035 98 2damente como uma equipe multidis- primitiva era rica em hi- N2 3,5 2,7 79 1,9ciplinar. E à medida que desvendamos drogênio, metano eas grandes transformações químicas amônia. Estes dois últi- O2 traços 0,13 21 traçosque a atmosfera terrestre vivenciou, mos, em processos Argônio traços 1,6 1,0 0,1procuramos avaliar quais foram as fotoquímicos media- ∆fGm/kJ mol-1 ** -365 -376 -1,8 -377conseqüências dessas mudanças dos pela intensa radia- * Composição provável antes do aparecimento da vida nopara a manutenção da vida na Terra. ção solar, muito prova- planeta.Assim, podemos aprender muito com velmente terminavam ** Detalhes sobre como calcular os valores da energia livrea história, de modo a não cometermos se transformando em padrão molar de formação apresentados nesta tabelaos mesmos erros (ou pelo menos nos nitrogênio e dióxido de encontram-se em Jardim e Chagas, 1992.Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola A evolução da atmosfera terrestre Edição especial – Maio 2001
  2. 2. suas composições químicas não se energia proveniente da radiação solar. pensado que a química pode fornecer alterariam. Ou seja, sob o ponto de Essa análise termodinâmica da uma das melhores e mais abrangentes vista termodinâmico, essas atmosferas atmosfera terrestre foi muito importante definições do que é a vida? estão em equilíbrio, conforme mostram na década de 60, quando os EUA e a os dados termodinâ- extinta União Sovié- O aparecimento da vida na Terra micos presentes na Mesmo dentro de uma tica, no auge do pe- A evolução da vida no nosso pla- última linha do Quadro concepção química ríodo denominado neta pode ser resgatada através das 1. No entanto, se to- extremamente abrangente ‘Guerra Fria’, estavam evidências deixadas na crosta terrestre marmos uma amostra de vida, Marte e Vênus são interessados na ex- (incluindo as calotas polares), basica- do ar que respiramos hoje tidos como planetas ploração do espaço e mente pela análise geoquímica (espe- hoje e procedermos estéreis, porque suas na investigação da ciação química e radio-isotópica) de do mesmo modo que atmosferas estão em possibilidade da exis- rochas e meteoritos, ou pelos fósseis fizemos para as amos- equilíbrio termodinâmico tência de vida extra- de organismos que habitaram a Terra, tras de Marte e Vênus, terrestre. além de uma boa dose de criatividade ou seja, confiná-la de modo a excluir Imagine uma nave não-tripulada balizada pelas evidências científicas e qualquer interação com seres vivos, pousando em Marte para investigar a pelo bom senso. O Quadro 2 esque- iríamos descobrir que sua composição existência de vida nesse planeta, e que matiza os principais eventos que deter- química seria drasticamente alterada, você fosse o encarregado de idealizar minaram a evolução da vida, mostran- e no final teríamos uma atmosfera um experimento que pudesse elucidar do a época em que ocorreram e as muito similar àquela encontrada nes- essa dúvida. Na realidade, esse evidências usadas para inferi-los. ses dois planetas, conforme mostrado cenário não é de ficção, e realmente As rochas mais antigas mostrando na última coluna do Quadro 1. ocorreu. Dentre as provável evidência de Isso demonstra que a atmosfera ter- várias propostas de Devido às características vida foram encontra- restre está muito distante do equilíbrio experimentos que fo- redutoras da nossa das na Groenlândia e6 termodinâmico, o que intuitivamente é ram apresentadas atmosfera primitiva, a são sedimentos car- sabido, pois como poderíamos expli- (busca de DNA, de- biomassa era gerada bonáticos com 3,8 bi- car que em uma atmosfera tão rica em tecção de carbono através da fermentação, lhões de anos. Antes oxigênio (poderoso oxidante) pudes- assimétrico etc.), to- processo que ocorre disso, acredita-se que sem coexistir espécies reduzidas tais das pecavam porque também nos dias atuais a crosta terrestre era como metano, amônia, monóxido de assumiam que a exis- tão bombardeada por carbono e óxido nitroso? Em uma aná- tência da vida seria caracterizada por meteoritos que a vida seria improvável. lise mais abrangente, poderíamos dizer indícios com os quais estamos fami- Nessas rochas já se verifica um que esse quadro único em termos de liarizados, ou seja, estavam centrados desbalanço isotópico, ou seja, o empo- composição química da atmosfera da na nossa concepção do que é vida. No brecimento de 13C em relação ao 12C, Terra é fruto da vida que se desen- entanto, o pesquisador inglês James o que geralmente é indicativo de ativi- volveu no planeta há mais de 3,5 bi- Lovelock (1982) propôs que não seria dade biológica (vide detalhes no box). lhões de anos. O oxi- necessário ir até estes Em rochas oriundas da Austrália, gênio que hoje com- planetas para verificar com idade em torno de 2,8 bilhões de As rochas mais antigas anos, foram encontradas cadeias de põe a atmosfera é se haveria ou não vida mostrando provável filamentos que muito se assemelham quase todo produto neles, uma vez que em evidência de vida foram da fotossíntese, pois um conceito muito às cianofícias filamentosas (algas encontradas na todas as outras fontes mais amplo (e válido azuladas) de hoje. No entanto, os pri- Groenlândia e são fotoquímicas inorgâ- para todo o Sistema meiros fósseis que realmente mostram sedimentos carbonáticos nicas de produção de com 3,8 bilhões de anos. Solar), a vida poderia organismos multicelulares são oriun- oxigênio juntas con- Antes disso, acredita-se ser detectada pela dos do Lago Superior, na América do tribuem com menos que a crosta terrestre era simples observação, Norte, e têm 2 bilhões de anos. Nesses de um bilionésimo do tão bombardeada por daqui da Terra mesmo, fósseis foram encontradas as primeiras estoque de O 2 que meteoritos que a vida seria do estado de entropia evidências de mecanismos de prote- respiramos. Assim, os improvável da atmosfera aliení- ção ao oxigênio e à fotooxidação em processos biológicos gena. Dentro dessa cianofíceas. (em outras palavras, a vida!) produzem concepção química extremamente Uma análise centrada nas mu- não apenas o oxidante atmosférico abrangente de vida, Marte e Vênus são danças químicas que acompanharam mas também os gases reduzidos, hoje tidos como planetas estéreis essa evolução está apresentada no gerando um estado de baixa entropia, porque suas atmosferas estão em Quadro 2, e nos mostra que o período mantido pela inesgotável fonte de equilíbrio termodinâmico. Você já havia mais crítico vivido pela nossa atmos- Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola A evolução da atmosfera terrestre Edição especial – Maio 2001
  3. 3. fera foi há aproximadamente doisbilhões de anos, quando os organis- O significado biológico da razão 13C/12C ou do δ 13Cmos passaram a realizar a fotossíntese. Durante a fotossíntese, as plantas promovem o fracionamento dos isótoposÉ sabido que para gerar uma nova do carbono. Essa diferença isotópica entre o teor de 13C e 12C do CO2 fixadacélula um organismo necessita de nas plantas fica assim registrada nos diferentes compostos orgânicos quematéria e energia. Devido às carac- constitui a matéria orgânica vegetal. Existem 3 ciclos fotossintéticos na natureza:terísticas redutoras da nossa atmosfera as plantas C3, as C4 e as plantas CAM (ciclo do ácido crassuláceo) queprimitiva, a biomassa era gerada discriminam os isótopos do carbono diferentemente. Embora todas concentrematravés da fermentação, processo que mais 12C do que 13C, as plantas C3 são as que mais discriminam quandoocorre também nos dias atuais (vide a comparadas com as C4. As C3 têm composição isotópica na faixa de -34 a -produção de álcool a partir da cana- 24o/oo (partes por mil) e as C4 na faixa de -16 a 9o/oo; as plantas CAM, uma vezde-açúcar, a produção do vinho etc.). que fixam CO2 sob luz usando o ciclo C3 e no escuro usando o ciclo C4, têmNo entanto, mesmo nesse ambiente composição isotópica intermediária às plantas dos outros dois ciclos, ou seja,fortemente redutor, organismos fotos- entre -29 a -9o/oo. Decorrente disto, os sedimentos podem atuar como registrosintéticos começaram a aparecer há histórico das contribuição das diferentes fontes de matéria orgânica de umdois bilhões de anos, o que a princípio ambiente através de δ 13C. Um outro processo que promove um fracionamentonos parece uma tentativa de suicídio isotópico é a precipitação de fases minerais tais como o carbonato de cálciocoletivo. Na fotossíntese, a biomassa (CaCO3) na forma de calcita, por exemplo. Esse processo, quando promovidoé produzida por meio da redução do sob equilíbrio isotópico entre o carbonato cristalizado e o carbono inorgânicoCO2 em presença de água e luz solar, dissolvido, estabelece uma diferença isotópica de 13C tal que, a grande maioriaconforme mostrada na equação (1) dos carbonatos formados em tempos geológicos têm um δ 13C da ordem denCO2 + nH2O → {CH2O}n + nO2 (1) zero; as rochas marinhas têm uma composição moderadamente constante através dos períodos Cambriano e Terciário. Já as rochas de sistemas de águas Sabendo-se que o oxigênio é um doces têm composição muito variável e com composições mais leves de 13Cagente oxidante muito poderoso (basta (isto é, teores menores de 13C), graças ao equilíbrio com um reservatório de 7cortar uma maçã e deixá-la exposta ao carbono inorgânico dissolvido que também tem composição mais leve nestesar por poucos minutos e você verá o isótopos exatamente devido à atividade. Portanto, a existência de rochasquanto nossa atmosfera é oxidante) e carbonáticas com valores de δ 13C mais leves representam indícios de atividadeque os organismos que habitavam a biológica no período em que o carbonato se formou, sendo por conseguinteTerra não poderiam sobreviver em uma um forte indício de vida no ambiente aquático naquele período.atmosfera rica em O2, uma das per-guntas que normalmente se faz é: porque apareceram os organismos fotos- nismos agora tinham um ganho ener- se proteger desse agente até entãosintéticos? A explicação mais plausível gético muito atrativo, mas um preço virtualmente inexistente na atmosfera,é que a fotossíntese fornece 16 vezes muito alto a pagar: a toxicidade de um seja pela adaptação bioquímica demais energia aos organismos do que dos produtos da fotossíntese, o oxigê- seus organismos, seja evitando a ex-a fermentação. Desse modo, os orga- nio. Assim, os organismos tinham que posição ao mesmo. Ou ambos! Vamos voltar a imaginar a nossaQuadro 2: Evolução da vida na Terra. atmosfera há dois bilhões de anos, on- de o oxigênio começa a se formar fru-Tempo Evidência % de oxigênio na atmosfera* to da fotossíntese. Sabendo que a ra-(106 anos) diação UV que atingia a crosta terres-400 Peixes grandes, primeiras plantas 100 tre era intensa e muito energética, o ex- terrestres cesso de oxigênio era fotoquimica-550 Explosão da fauna cambriana 10 mente transformado em ozônio, de1.400 Primeiras células eucariótes; células com >1 acordo com as reações (2) e (3), con- diâmetro maior; evidência de mitose forme detalhado neste número, no arti-2.000 Cianofícias tolerantes ao oxigênio, com 1 go Atmosfera: a química sobre nossa carapaça de proteção; fotossíntese cabeças (p. 43):2.800 Cadeias de filamentos - organismos que <0,01 se parecem com as cianofícias atuais; O2 + hν → O + O (2) predominância da espécie Fe(II) em rochas; fermentação O• + O2 + M → O3 + M (3) 133.800 Rochas com empobrecimento de C - <0,01 Fruto destas reações químicas, a Possível atividade biológica nossa atmosfera deve ter se transfor-* porcentagem tomando como base o teor de oxigênio na atmosfera atual. mado em um ambiente duplamenteCadernos Temáticos de Química Nova na Escola A evolução da atmosfera terrestre Edição especial – Maio 2001
  4. 4. oxidante, pois além do oxigênio, dentemente da complexidade bioquí- falta de um fluido de escoamento. Ou agora também havia ozônio na baixa mica dos organismos, do número de seja, o efeito estufa bem dosado é troposfera, tal qual o processo indivíduos e do seu posicionamento benéfico e essencial para a manuten- químico que ocorre hoje na nossa dentro da cadeia alimentar, é ção da vida, mas um aquecimento des- estratosfera, a mais de 15 km de necessário um tempo controlado do planeta altura, e que nos protege das radia- muito longo para que Sem o efeito estufa, a traria conseqüências ções ultra-violeta perniciosas. Nesse haja a perfeita adap- temperatura média na funestas para o mes- ambiente altamente tóxico para os tação de qualquer superfície do globo ficaria mo. abaixo de -15 °C, nosso Portanto, nossa organismos fermentativos e faculta- espécie viva às novas planeta seria uma esfera preocupação com as tivos, só restava buscar a proteção condições ambien- rica em água no estado em um local: embaixo d’água, nos tais. O oxigênio levou mudanças químicas sólido e certamente não oceanos, onde o ozônio é pouco mais de 1,5 bilhão de que ocorrem na propícia ao aparecimento solúvel e a radiação UV penetra anos para sair de atmosfera devem ser de vida; o efeito estufa apenas nos primeiros centímetros. uma concentração de centradas não nos bem dosado é benéfico e Por mais 500 milhões de anos os traços e atingir os essencial para a gases majoritários, organismos viveram evitando o ambi- atuais 21%. No manutenção da vida mas principalmente ente oxidante, adaptando-se bioqui- entanto, parece que naqueles minoritários micamente a essa nova realidade os homens não estão muito atentos que estão crescendo a uma velocidade através da produção de enzimas ao fato de que nestes últimos 150 tão elevada que, tudo indica, não protetoras de espécies altamente anos houve uma mudança bastante teremos tempo de nos adaptar a uma reativas como os radicais apreciável na concentração de al- nova situação, caso esse aumento oxigenados. Enquanto isso, a con- guns gases minoritários presentes na venha a alterar o nosso clima ou a centração do oxigênio aumentava na nossa atmosfera. O dióxido de intensidade da radiação UV que chega troposfera, e com isso a camada de carbono vem crescendo a uma taxa até a crosta terrestre. E o mais8 ozônio ia ficando ca- de 0,4% ao ano e o importante é que na questão ambien- da vez mais elevada, O oxigênio levou mais de metano a 1% ao ano, tal a precaução é o melhor remédio, distante da crosta 1,5 bilhão de anos para sair enquanto os CFCs pois grande parte das mudanças quí- terrestre. Finalmente, de uma concentração de (clorofluoro carbone- micas que ocorrem na atmosfera, se os organismos hoje traços e atingir os atuais tos) crescem a uma não são irreversíveis, levam muito mais ditos aeróbios foram 21%. Já nos últimos 150 assustadora taxa de tempo para serem remediadas do que cada vez mais se anos, devido à intervenção 5% ao ano, quadru- se fossem prevenidas. Resumindo, em adaptando ao au- humana, houve uma plicando sua con- qualquer assunto ligado à preservação mudança apreciável na ambiental, prevenir é sempre melhor mento da concen- centração média na concentração de alguns do que remediar. tração de oxigênio na atmosfera nas últi- gases minoritários atmosfera, até que mas quatro décadas Wilson F. Jardim, professor titular do Departamento presentes na nossa nestes últimos 500 (vide Atmosfera: a de Química Analítica do IQ-UNICAMP responsável pelo , atmosfera milhões de anos eles química sobre nossa Laboratório de Química Ambiental (LQA - lqa.iqm.unicamp.br) e já orientou 15 mestres e 11 saíram da água para cabeças). Todos doutores. povoar a terra seca. Resumidamente, estes gases, ainda que minoritários, foram necessários mais de um bilhão têm uma função muito importante na de anos para que esses organismos química da atmosfera, pois alguns Referências bibliográficas (e muito mais recentemente o ho- são gases causadores do efeito BAUGH, M. Aerobic evolution - a fas- mem) se adaptassem ao maior estufa, outros destroem a camada de cinating world. Educ. Chem., v. 28, p. 20- impacto ambiental que a Terra já ozônio e alguns dos CFCs 22, 1991. vivenciou, ou seja, a mudança da apresentam ambas propriedades JARDIM, W.F. e CHAGAS, A.P. A uma atmosfera redutora para alta- com altíssima intensidade. Cabe Química Ambiental e a hipótese Gaia: mente oxidante como esta em que lembrar que a Terra sempre foi uma nova visão sobre a vida na Terra? vivemos nos dias atuais, contendo beneficiada pelo efeito estufa, devido Quim. Nova, v. 15, p. 73-76, 1992. LOVELOCK, J.E. Gaia; a new look at em torno de 21% de oxigênio. à presença de vapor d’água e CO2 na life on Earth. Oxford University Press 157 troposfera. Sem o efeito estufa, a p., 1982. As lições a serem aprendidas temperatura média na superfície do SHEAR, W.A. The early development As mudanças químicas que ocor- globo ficaria abaixo de -15 °C, nosso of terrestrial ecosystems. Nature, 1991. reram na atmosfera terrestre nos planeta seria uma esfera rica em água WAYNE, R.P Origin and evolution of . ensinam uma grande lição: indepen- no estado sólido e certamente não the atmosphere. Chem. Brit., v. 24, p. propícia ao aparecimento de vida pela 225-230, 1988. Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola A evolução da atmosfera terrestre Edição especial – Maio 2001

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