Quando a bióloga especializado em cavernas Hazel Barton se aventurou na escuridão, a última coisa que ela esperava encontrar eram organismos extraindo energia da luz.
Ela percebeu que esta nova compreensão da fotossíntese no escuro significava que a vida pode existir em outras partes do Universo — em locais onde nunca pensamos que seria possível.
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"A parede era verde brilhante", conta Barton, professora de ciências geológicas da Universidade do Alabama, nos Estados Unidos.
"Era o verde mais iridescente que você iria ver na vida. E, ainda assim, os micróbios viviam em completa escuridão."
Entre os profundos cânions rochosos do deserto de Chihuahua, no sul do Novo México (Estados Unidos), fica uma rede de 119 cavernas.
Elas se formaram entre quatro e 11 milhões de anos atrás, quando o ácido sulfúrico dissolveu as rochas calcárias. Hoje, elas fazem parte do Parque Nacional das Cavernas de Carlsbad, Patrimônio Mundial da Unesco.
A caverna de Carlsbad é a principal atração do parque. Nela, estalactites brilhantes descem do teto do Grande Salão, uma enorme câmera subterrânea com quase 1.220 metros de comprimento por 191 metros de largura.
"O acesso à caverna de Carlsbad é muito simples", explica o microbiólogo Lars Behrendt, da Universidade de Uppsala, na Suécia.
"É uma enorme caverna de calcário aberta para os turistas. Ela tem degraus e escadas e qualquer pessoa pode descer." E algumas partes da caverna contam ainda com acesso para cadeira de rodas, segundo ele.
Quase 350 mil pessoas visitam a caverna de Carlsbad todos os anos. Mas a maioria delas não tem conhecimento de que o local é o cenário de uma das descobertas científicas mais desconcertantes da última década.
No escuro aparentemente total, os micróbios conseguem usar a luz para obter energia — o mesmo tipo de luz fornecido pelas estrelas anãs vermelhas, o tipo mais comum da nossa galáxia.
Isso significa que podemos procurar vida extraterrestre em mais lugares do que pensávamos, segundo Barton.
Behrendt havia recém concluído seu PhD em 2018. Na mesma época, ele também ganhou um prêmio acadêmico, que lhe rendeu algum dinheiro.
Ele, então, entrou em contato com Barton e perguntou se ela poderia acompanhá-lo em uma expedição. Felizmente, ela concordou.
"A primeira coisa que você faz na caverna de Carlsbad é meio que descer pela trilha dos turistas e, depois, virar em um dos cantos", explica Barton.
"Não sei quantas vezes fiz aquela trilha, provavelmente 40 vezes. Naquele ponto, você contorna o canto e, atrás de você, fica uma alcova completamente escura."
Barton estuda a vida microscópica em ambientes subterrâneos há mais de 20 anos. Mas o que aconteceu a seguir foi uma surpresa até mesmo para ela.
Behrendt acendeu uma tocha e, mesmo com a alcova totalmente escura, a luz revelou uma camada de micróbios verdes agarrados à parede.
Exames posteriores revelaram que aquelas eram cianobactérias, organismos unicelulares similares às bactérias.
E, ao contrário da maioria das bactérias, as cianobactérias (também conhecidas como algas verde-azuladas) usam a luz do Sol para produzir alimento.
"Começamos a ir cada vez mais fundo na caverna", relembra Barton. "Chegamos a um ponto em que não conseguíamos enxergar sem usar lanternas."
"Precisamos de uma lanterna na cabeça para conseguir ver a nossa mão em frente ao rosto e, ainda assim, conseguíamos observar o pigmento verde na parede."
As plantas são verdes devido a uma substância chamada clorofila, que absorve a energia da luz. Na fotossíntese, esta energia é usada para transformar dióxido de carbono e água em glicose e oxigênio.
O processo é basicamente o mesmo nas cianobactérias. Mas aqui, na caverna, a luz do Sol não chega. O que estaria acontecendo?
As cianobactérias da caverna têm uma versão especial de clorofila que pode capturar um tipo de radiação conhecido como infravermelho próximo.
Esta luz tem um comprimento de onda maior que a luz visível e aparece no espectro eletromagnético pouco antes do infravermelho. Ela é imperceptível para o olho humano.
As plantas e cianobactérias usam a clorofila tipo a para a fotossíntese, mas as cianobactérias das cavernas de Carlsbad usam a clorofila d e f, que conseguem gerar energia a partir do infravermelho próximo.
Enquanto a luz visível só consegue atravessar algumas centenas de metros no interior das cavernas, o infravermelho próximo pode atingir distâncias muito maiores, devido à natureza reflexiva das rochas calcárias.
"A rocha calcária que compõe a caverna absorverá quase toda a luz visível, mas, para o infravermelho próximo, as cavernas são mais como um salão de espelhos", explica Barton.
De fato, quando os pesquisadores avaliaram a luz na parte de trás da caverna, onde é mais escuro, eles encontraram níveis de infravermelho próximo 695 vezes mais concentrados do que na entrada.
Paralelamente, embora as cianobactérias contendo clorofila d e f estivessem presentes em todas as partes da caverna, elas se concentravam particularmente nos locais mais escuros e profundos.
Os pesquisadores também visitaram outras cavernas do Parque Nacional das Cavernas de Carlsbad, fora do roteiro turístico. Em todos os casos, eles encontraram micróbios fazendo fotossíntese em locais subterrâneos profundos.
"Demonstramos não só que eles realmente vivem lá embaixo, mas que fazem fotossíntese em um ambiente totalmente protegido, onde provavelmente permaneceram intocados por 49 milhões de anos", segundo Behrendt.
Barton e Behrendt não foram os únicos cientistas a encontrar micróbios capazes de viver no escuro.
Em 1890, o pioneiro microbiólogo russo-ucraniano Sergei Nikolaevich Vinogradskii (1856-1953) descobriu que certos micróbios são capazes de viver apenas de matéria inorgânica, usando um processo denominado quimiossíntese.
Estes micróbios conseguem energia com reações químicas, retirando substâncias como metano ou sulfeto de hidrogênio da água e de rochas próximas.
Durante seu programa de pós-doutorado na Nasa, o professor e pesquisador Hideaki Miyashita descobriu, em 1996, uma cianobactéria marinha chamada Acaryochloris marina, que pode fazer fotossíntese usando luz visível e infravermelho próximo.
Esta descoberta gerou décadas de pesquisa em busca dos comprimentos de onda necessários para a fotossíntese.
Em 2018, cientistas do Imperial College de Londres encontraram cianobactérias vivendo de fotossíntese em condições de sombra, em esteiras bacterianas no Parque Nacional de Yellowstone, nos Estados Unidos, e no interior de certas rochas nas praias da Austrália.
Eles chegaram a cultivar esse tipo de micróbios em um armário escuro, que recebeu LEDs de infravermelho.
Em todos esses casos, as cianobactérias usavam a clorofila a para realizar a fotossíntese usando luz visível e mudavam para clorofila f, para usar o infravermelho próximo, além do alcance da visão humana.
Estas descobertas tiveram repercussões em relação à possível aparência da vida em outros planetas.
Na busca por um exoplaneta habitável (em órbita de uma estrela em outro sistema solar), é importante considerar o tipo de estrela envolvida.
Os astrônomos tentam agrupar as estrelas pela cor da luz que elas produzem. Com isso, eles criaram sete classes de estrelas (O, B, A, F, G, K e M, em ordem decrescente de temperatura — da mais quente para a mais fria).
As estrelas do tipo O e B são as mais quentes, mais massivas e mais luminosas do Universo. Elas são caracterizadas pela sua cor branca azulada.
"Elas produzem muita radiação UV e, por isso, são tóxicas para a vida", segundo Barton.
Já as estrelas do tipo G, que incluem o nosso Sol, têm coloração amarela e produzem muita luz no espectro visível.
Teoricamente, as estrelas do tipo G seriam bons lugares para procurar mundos habitáveis, mas elas constituem apenas 8% de um total de um sextilhão (um bilhão de trilhões) de estrelas estimadas do Universo.
O tipo mais abundante de estrelas observadas na nossa galáxia, de longe, são as estrelas do tipo M, as anãs vermelhas. A maior parte dos exoplanetas rochosos descobertos até hoje foram encontrados orbitando este tipo de estrela.
Como as anãs vermelhas são estrelas de pouca massa, seus planetas tendem a ocupar órbitas próximas. Por isso, fica mais fácil identificá-los.
Outro motivo que levou os cientistas a descobrirem tantos exoplanetas orbitando estrelas M é porque elas existem em grande quantidade.
Mas, atualmente, acredita-se que as estrelas anãs vermelhas tenham uma zona habitável (a área mais próxima da estrela, onde as condições não são quentes nem frias demais para que exista água líquida na superfície do planeta) muito restrita.
Esta distância é conhecida como a "zona Cachinhos Dourados". E, como a existência de água líquida é essencial para a vida na Terra, os astrobiólogos se concentraram nessa região na sua busca pela vida extraterrestre.
Eles já encontraram dezenas de candidatos, mas nem todos esses planetas podem sustentar a vida. E direcionar equipamentos como o Telescópio Espacial James Webb (JWST, na sigla em inglês) consome tempo e recursos consideráveis.
Outro fator importante que determina a possibilidade de existência de vida é se pode existir a fotossíntese.
Na Terra, a fotossíntese forma a base da maior parte das cadeias alimentares e fornece o oxigênio que respiramos.
Por isso, faz sentido limitar a busca a planetas que possam sustentar a fotossíntese, o que poderá reduzir dramaticamente a zona em torno de uma estrela onde pode existir vida.
No passado, os astrobiólogos definiam o limite da fotossíntese em um comprimento de onda de 700 nm no espectro da luz, equivalente à luz vermelha. É neste ponto que cai a eficiência da fotossíntese utilizando a clorofila a.
Mas as cianobactérias descobertas nos sistemas de cavernas de Carlsbad podem coletar luz em comprimentos de onda de 780 nm, utilizando clorofila f.
"A vasta maioria das estrelas da nossa galáxia é do tipo M e K", explica Barton.
"Isso significa que a maioria das estrelas da nossa galáxia emite luz infravermelha próxima e ainda não sabemos quase nada sobre como a fotossíntese e a vida poderiam sobreviver nestas condições de luz, produzidas por estrelas deste tipo."
Barton pretende mudar isso. Ao lado de Behrendt, ela apresentou à Nasa uma proposta para encontrar os limites de sobrevivência da vida fotossintética.
A tarefa incluiria pesquisas mais profundas nas cavernas mais escuras, para avaliar exatamente quanta luz é necessária para a sobrevivência das cianobactérias. Esta informação poderá, então, ser usada para restringir a busca por mundos habitáveis.
Com o JWST, por exemplo, os cientistas podem avaliar a quantidade e o tipo de luz recebida pelos exoplanetas.
"O que o nosso trabalho tenta fazer é descobrir qual é o comprimento de onda de luz mais longo e o menor nível de luz que possibilitam a fotossíntese", explica Barton.
"Depois, podemos pegar os 100 bilhões de possíveis estrelas para as quais podemos apontar o Telescópio Espacial James Webb e reduzir esse grupo para, digamos, 50 estrelas" que podem abrigar vida.
O estudo poderá fazer com que os astrobiólogos definam melhor o tipo de mundos que eles acreditam poderem sustentar a vida. Seria necessário apenas apontar o JWST para a estrela em questão e observar os planetas que passam em frente dela.
À medida que a luz da estrela atravessa a atmosfera do planeta, frequências específicas de luz são absorvidas, dependendo de quais elementos estão presentes.
Com isso, observando as linhas faltantes do espectro de absorção, os astrônomos podem determinar a presença na atmosfera do planeta de certos elementos que poderão indicar a presença de vida, como o oxigênio.
"Sem a ocorrência de vida, existem pouquíssimas formas de produção de oxigênio na atmosfera", segundo Barton.
"Por isso, se você conseguir encontrar oxigênio na atmosfera de um desses exoplanetas, ele será um marcador muito forte do potencial de vida."
