Química - Cadernos Temáticos - Evolução

8/14/2019 Qumica - Cadernos Temticos - Evoluo

1/4Cadernos Temticos de Qumica Nova na Escola Edio especial Maio 2001

A evoluo da atmosfera terrestre

ATerra tem aproximadamente4,5 bilhes de anos. Seriapouco provvel que nosso

planeta tivesse permanecido por todoesse tempo idntico, na sua forma ena sua composio, ao planeta quehoje habitamos. O mesmo ocorre coma atmosfera terrestre, que nem sempre

apresentou a mesma composioqumica que a atual, conforme apre-senta o Quadro 1. Muito embora todosns tenhamos a idia de que grandesmudanas devem ter ocorrido nessesbilhes de anos, sempre nos resta umapergunta: como podemos reconstituira atmosfera terrestre primitiva de modoa avaliar a magnitude dessas trans-formaes? Simplesmente tentandoentender as marcas deixadas poressas transformaes no nosso pla-neta atravs da qumica, da geologia

e da biologia, trabalhando integra-damente como uma equipe multidis-ciplinar. E medida que desvendamosas grandes transformaes qumicasque a atmosfera terrestre vivenciou,procuramos avaliar quais foram asconseqncias dessas mudanaspara a manuteno da vida na Terra.

Assim, podemos aprender muito coma histria, de modo a no cometermosos mesmos erros (ou pelo menos nos

protegermos de seus efeitos), os quaisficaram registrados na crosta doplaneta ao longo desses bilhes deanos.

O processo mais importante ocor-rido no planeta Terra foi o aparecimentoda vida, o que deve ter ocorrido haproximadamente 3,5 bilhes de anos.

At ento, estima-se que nosso plane-ta apresentava uma atmosfera bas-tante redutora, com uma crosta rica emferro elementar e castigada por altasdoses de radiao UV, j que o Sol eraem torno de 40% mais ativo do que hoje e tambm no havia oxigniosuficiente para atuar como filtro dessaradiao, como ocorre na estratosferaatual (vide artigo sobrequmica atmosfrica).Dentro dessas caracte-rsticas redutoras, con-

clui-se que a atmosferaprimitiva era rica em hi-drognio, metano eamnia. Estes dois lti-mos, em processosfotoqumicos media-dos pela intensa radia-o solar, muito prova-velmente terminavamse transformando emnitrognio e dixido de

carbono. Conforme esperado, todooxignio disponvel tinha um tempo devida muito curto, acabando por reagircom uma srie de compostos presen-tes na sua forma reduzida.

A termodinmica e o conceito de vida

Uma observao mais criteriosa da

composio qumica da atmosfera ter-restre (Quadro 1) mostra que o nossoplaneta mpar quando comparadocom nossos vizinhos mais prximos,Marte e Vnus. Se fosse possvel tomaruma amostra de cada uma das atmos-feras desses dois planetas e confin-lasem um sistema isolado por alguns mi-lhes de anos, iramos observar que as

Wilson F. Jardim

A evoluo da atmosfera terrestre ao longo de 4,5 bilhes de anos nos revela transformaes qumicasdrsticas. O aparecimento da vida no nosso planeta acarretou uma situao de constante desequilbrio nanossa atmosfera, sendo que essa instabilidade tem se agravado nestas ultimas dcadas, fruto das atividades

antrpicas. Os perigos associados alterao da composio qumica da atmosfera tambm so discutidos.

atmosfera, termodinmica, fotossntese, respirao

Quadro 1: Composio qumica e termodinmica da atmosferade alguns planetas do Sistema Solar (%).

Gs Vnus Marte Terra Terra*

CO2 96,5 95 0,035 98

N2 3,5 2,7 79 1,9

O2 traos 0,13 21 traos

Argnio traos 1,6 1,0 0,1

fGm/kJ mol-1 ** -365 -376 -1,8 -377

* Composio provvel antes do aparecimento da vida noplaneta.** Detalhes sobre como calcular os valores da energia livrepadro molar de formao apresentados nesta tabelaencontram-se em Jardim e Chagas, 1992.


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suas composies qumicas no sealterariam. Ou seja, sob o ponto devista termodinmico, essas atmosferasesto em equilbrio, conforme mostramos dados termodin-micos presentes naltima linha do Quadro1. No entanto, se to-

marmos uma amostrado ar que respiramoshoje e procedermosdo mesmo modo quefizemos para as amos-tras de Marte e Vnus,ou seja, confin-la de modo a excluirqualquer interao com seres vivos,iramos descobrir que sua composioqumica seria drasticamente alterada,e no final teramos uma atmosferamuito similar quela encontrada nes-ses dois planetas, conforme mostradona ltima coluna do Quadro 1.

Isso demonstra que a atmosfera ter-restre est muito distante do equilbriotermodinmico, o que intuitivamente sabido, pois como poderamos expli-car que em uma atmosfera to rica emoxignio (poderoso oxidante) pudes-sem coexistir espcies reduzidas taiscomo metano, amnia, monxido decarbono e xido nitroso? Em uma an-lise mais abrangente, poderamos dizerque esse quadro nico em termos decomposio qumica da atmosfera daTerra fruto da vida que se desen-volveu no planeta h mais de 3,5 bi-lhes de anos. O oxi-gnio que hoje com-pe a atmosfera quase todo produtoda fotossntese, poistodas as outras fontesfotoqumicas inorg-nicas de produo deoxignio juntas con-

tribuem com menosde um bilionsimo doestoque de O2 querespiramos. Assim, osprocessos biolgicos(em outras palavras, a vida!) produzemno apenas o oxidante atmosfricomas tambm os gases reduzidos,gerando um estado de baixa entropia,mantido pela inesgotvel fonte de

energia proveniente da radiao solar.Essa anlise termodinmica da

atmosfera terrestre foi muito importantena dcada de 60, quando os EUA e a

extinta Unio Sovi-tica, no auge do pe-rodo denominadoGuerra Fria, estavam

interessados na ex-plorao do espao ena investigao dapossibilidade da exis-tncia de vida extra-terrestre.

Imagine uma nave no-tripuladapousando em Marte para investigar aexistncia de vida nesse planeta, e quevoc fosse o encarregado de idealizarum experimento que pudesse elucidaressa dvida. Na realidade, essecenrio no de fico, e realmenteocorreu. Dentre asvrias propostas deexperimentos que fo-ram apresentadas(busca de DNA, de-teco de carbonoassimtrico etc.), to-das pecavam porqueassumiam que a exis-tncia da vida seria caracterizada porindcios com os quais estamos fami-liarizados, ou seja, estavam centradosna nossa concepo do que vida. Noentanto, o pesquisador ingls JamesLovelock (1982) props que no seria

necessrio ir at estesplanetas para verificarse haveria ou no vidaneles, uma vez que emum conceito muitomais amplo (e vlidopara todo o SistemaSolar), a vida poderiaser detectada pela

simples observao,daqui da Terra mesmo,do estado de entropiada atmosfera alien-gena. Dentro dessa

concepo qumica extremamenteabrangente de vida, Marte e Vnus sohoje tidos como planetas estreisporque suas atmosferas esto emequilbrio termodinmico. Voc j havia

pensado que a qumica pode forneceuma das melhores e mais abrangentedefinies do que a vida?

O aparecimento da vida na Terra

A evoluo da vida no nosso planeta pode ser resgatada atravs daevidncias deixadas na crosta terrestre

(incluindo as calotas polares), basicamente pela anlise geoqumica (especiao qumica e radio-isotpica) drochas e meteoritos, ou pelos fsseide organismos que habitaram a Terraalm de uma boa dose de criatividadebalizada pelas evidncias cientficas epelo bom senso. O Quadro 2 esquematiza os principais eventos que determinaram a evoluo da vida, mostrando a poca em que ocorreram e aevidncias usadas para inferi-los.

As rochas mais antigas mostrandoprovvel evidncia dvida foram encontradas na Groenlndia so sedimentos carbonticos com 3,8 blhes de anos. Antedisso, acredita-se qua crosta terrestre erto bombardeada po

meteoritos que a vida seria improvveNessas rochas j se verifica umdesbalano isotpico, ou seja, o empobrecimento de 13C em relao ao 12Co que geralmente indicativo de ativdade biolgica (vide detalhes no box)

Em rochas oriundas da Austrliacom idade em torno de 2,8 bilhes danos, foram encontradas cadeias defilamentos que muito se assemelhams cianofcias filamentosas (algaazuladas) de hoje. No entanto, os prmeiros fsseis que realmente mostramorganismos multicelulares so oriundos do Lago Superior, na Amrica do

Norte, e tm 2 bilhes de anos. Nessefsseis foram encontradas as primeiraevidncias de mecanismos de proteo ao oxignio e fotooxidao emcianofceas.

Uma anlise centrada nas mudanas qumicas que acompanharamessa evoluo est apresentada noQuadro 2, e nos mostra que o perodomais crtico vivido pela nossa atmos

Mesmo dentro de uma

concepo qumica

extremamente abrangente

de vida, Marte e Vnus so

hoje tidos como planetas

estreis, porque suas

atmosferas esto em

equilbrio termodinmico

Devido s caractersticas

redutoras da nossa

atmosfera primitiva, a

biomassa era gerada

atravs da fermentao,

processo que ocorre

tambm nos dias atuais


As rochas mais antigas

mostrando provvel

evidncia de vida foram

encontradas na

Groenlndia e so

sedimentos carbonticos

com 3,8 bilhes de anos.

Antes disso, acredita-se

que a crosta terrestre era

to bombardeada por

meteoritos que a vida seria

improvvel


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fera foi h aproximadamente doisbilhes de anos, quando os organis-mos passaram a realizar a fotossntese. sabido que para gerar uma novaclula um organismo necessita dematria e energia. Devido s carac-tersticas redutoras da nossa atmosferaprimitiva, a biomassa era gerada

atravs da fermentao, processo queocorre tambm nos dias atuais (vide aproduo de lcool a partir da cana-de-acar, a produo do vinho etc.).No entanto, mesmo nesse ambientefortemente redutor, organismos fotos-sintticos comearam a aparecer hdois bilhes de anos, o que a princpionos parece uma tentativa de suicdiocoletivo. Na fotossntese, a biomassa produzida por meio da reduo doCO2 em presena de gua e luz solar,conforme mostrada na equao (1)

nCO2 + nH2O {CH2O}n + nO2 (1)

Sabendo-se que o oxignio umagente oxidante muito poderoso (bastacortar uma ma e deix-la exposta aoar por poucos minutos e voc ver oquanto nossa atmosfera oxidante) eque os organismos que habitavam aTerra no poderiam sobreviver em umaatmosfera rica em O2, uma das per-guntas que normalmente se faz : porque apareceram os organismos fotos-

sintticos? A explicao mais plausvel que a fotossntese fornece 16 vezesmais energia aos organismos do quea fermentao. Desse modo, os orga-

nismos agora tinham um ganho ener-

gtico muito atrativo, mas um preomuito alto a pagar: a toxicidade de umdos produtos da fotossntese, o oxig-nio. Assim, os organismos tinham que

se proteger desse agente at ento

virtualmente inexistente na atmosfera,seja pela adaptao bioqumica deseus organismos, seja evitando a ex-posio ao mesmo. Ou ambos!

Vamos voltar a imaginar a nossaatmosfera h dois bilhes de anos, on-de o oxignio comea a se formar fru-to da fotossntese. Sabendo que a ra-diao UV que atingia a crosta terres-tre era intensa e muito energtica, o ex-cesso de oxignio era fotoquimica-mente transformado em oznio, de

acordo com as reaes (2) e (3), con-forme detalhado neste nmero, no arti-goAtmosfera: a qumica sobre nossacabeas (p. 43):

O2 + h O+ O (2)

O + O2 + M O3 + M (3)

Fruto destas reaes qumicas, anossa atmosfera deve ter se transfor-mado em um ambiente duplamente

O significado biolgico da razo 13C/12C ou do 13C

Durante a fotossntese, as plantas promovem o fracionamento dos istoposdo carbono. Essa diferena isotpica entre o teor de 13C e 12C do CO2 fixadanas plantas fica assim registrada nos diferentes compostos orgnicos queconstitui a matria orgnica vegetal. Existem 3 ciclos fotossintticos na natureza:as plantas C3, as C4 e as plantas CAM (ciclo do cido crassulceo) quediscriminam os istopos do carbono diferentemente. Embora todas concentrem

mais12

C do que13

C, as plantas C3 so as que mais discriminam quandocomparadas com as C4. As C3 tm composio isotpica na faixa de -34 a -24o/oo (partes por mil) e as C4 na faixa de -16 a 9

o/oo; as plantas CAM, uma vezque fixam CO2 sob luz usando o ciclo C3 e no escuro usando o ciclo C4, tmcomposio isotpica intermediria s plantas dos outros dois ciclos, ou seja,entre -29 a -9o/oo. Decorrente disto, os sedimentos podem atuar como registrohistrico das contribuio das diferentes fontes de matria orgnica de umambiente atravs de 13C. Um outro processo que promove um fracionamentoisotpico a precipitao de fases minerais tais como o carbonato de clcio(CaCO3) na forma de calcita, por exemplo. Esse processo, quando promovidosob equilbrio isotpico entre o carbonato cristalizado e o carbono inorgnicodissolvido, estabelece uma diferena isotpica de 13C tal que, a grande maioriados carbonatos formados em tempos geolgicos tm um 13C da ordem dezero; as rochas marinhas tm uma composio moderadamente constanteatravs dos perodos Cambriano e Tercirio. J as rochas de sistemas de guasdoces tm composio muito varivel e com composies mais leves de 13C(isto , teores menores de 13C), graas ao equilbrio com um reservatrio decarbono inorgnico dissolvido que tambm tem composio mais leve nestesistopos exatamente devido atividade. Portanto, a existncia de rochascarbonticas com valores de 13Cmais leves representam indcios de atividadebiolgica no perodo em que o carbonato se formou, sendo por conseguinteum forte indcio de vida no ambiente aqutico naquele perodo.

Quadro 2: Evoluo da vida na Terra.

Tempo Evidncia(106 anos)

400 Peixes grandes, primeiras plantasterrestres

550 Exploso da fauna cambriana

1.400 Primeiras clulas eucarites; clulas comdimetro maior; evidncia de mitose

2.000 Cianofcias tolerantes ao oxignio, comcarapaa de proteo; fotossntese

2.800 Cadeias de filamentos - organismos quese parecem com as cianofcias atuais;predominncia da espcie Fe(II) emrochas; fermentao

3.800 Rochas com empobrecimento de 13C -Possvel atividade biolgica

% de oxignio na atmosfera*

100

10

>1

1


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oxidante, pois alm do oxignio,agora tambm havia oznio na baixatroposfera, tal qual o processoqumico que ocorre hoje na nossaestratosfera, a mais de 15 km dealtura, e que nos protege das radia-es ultra-violeta perniciosas. Nesseambiente altamente txico para os

organismos fermentativos e faculta-tivos, s restava buscar a proteoem um local: embaixo dgua, nosoceanos, onde o oznio poucosolvel e a radiao UV penetraapenas nos primeiros centmetros.

Por mais 500 milhes de anos osorganismos viveram evitando o ambi-ente oxidante, adaptando-se bioqui-micamente a essa nova realidadeatravs da produo de enzimasprotetoras de espcies altamente

reat ivas como os radicaisoxigenados. Enquanto isso, a con-centrao do oxignio aumentava natroposfera, e com isso a camada deoznio ia ficando ca-da vez mais elevada,distante da crostaterrestre. Finalmente,os organismos hojeditos aerbios foramcada vez mais seadaptando ao au-

mento da concen-trao de oxignio naatmosfera, at quenestes ltimos 500milhes de anos elessaram da gua parapovoar a terra seca. Resumidamente,foram necessrios mais de um bilhode anos para que esses organismos(e muito mais recentemente o ho-mem) se adaptassem ao maiorimpacto ambiental que a Terra j

vivenciou, ou seja, a mudana dauma atmosfera redutora para alta-mente oxidante como esta em quevivemos nos dias atuais, contendoem torno de 21% de oxignio.

As lies a serem aprendidas

As mudanas qumicas que ocor-reram na atmosfera terrestre nosensinam uma grande lio: indepen-

dentemente da complexidade bioqu-mica dos organismos, do nmero deindivduos e do seu posicionamentodentro da cadeia alimentar, necessrio um tempomuito longo para quehaja a perfeita adap-tao de qualquer

espcie viva s novascondies ambien-tais. O oxignio levoumais de 1,5 bilho deanos para sair deuma concentrao detraos e atingir osatuais 21%. Noentanto, parece queos homens no esto muito atentosao fato de que nestes ltimos 150anos houve uma mudana bastante

aprecivel na concentrao de al-guns gases minoritrios presentes nanossa atmosfera. O dixido decarbono vem crescendo a uma taxa

de 0,4% ao ano e ometano a 1% ao ano,enquanto os CFC's(clorofluoro carbone-tos) crescem a umaassustadora taxa de5% ao ano, quadru-plicando sua con-

centrao mdia naatmosfera nas lti-mas quatro dcadas(vide Atmosfera: aqumica sobre nossa

cabeas). Todosestes gases, ainda que minoritrios,tm uma funo muito importante naqumica da atmosfera, pois algunsso gases causadores do efeitoestufa, outros destroem a camada deoznio e a lguns dos CFCs

apresentam ambas propriedadescom altssima intensidade. Cabelembrar que a Terra sempre foibeneficiada pelo efeito estufa, devido presena de vapor dgua e CO2 natroposfera. Sem o efeito estufa, atemperatura mdia na superfcie doglobo ficaria abaixo de -15 C, nossoplaneta seria uma esfera rica em guano estado slido e certamente nopropcia ao aparecimento de vida pela

Referncias bibliogrficas

BAUGH, M. Aerobic evolution - a fas-cinating world. Educ. Chem., v. 28, p. 20-22, 1991.

JARDIM, W.F. e CHAGAS, A.P. AQumica Ambiental e a hiptese Gaia:uma nova viso sobre a vida na Terra?Quim. Nova, v. 15, p. 73-76, 1992.

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SHEAR, W.A. The early developmentof terrestrial ecosystems. Nature, 1991.

WAYNE, R.P. Origin and evolution ofthe atmosphere. Chem. Brit., v. 24, p.225-230, 1988.

Sem o efeito estufa, a

temperatura mdia na

superfcie do globo ficaria

abaixo de -15 C, nosso

planeta seria uma esferarica em gua no estado

slido e certamente no

propcia ao aparecimento

de vida; o efeito estufa

bem dosado benfico e

essencial para a

manuteno da vida


O oxignio levou mais de

1,5 bilho de anos para sair

de uma concentrao de

traos e atingir os atuais

21%. J nos ltimos 150

anos, devido interveno

humana, houve uma

mudana aprecivel na

concentrao de algunsgases minoritrios

presentes na nossa

atmosfera

falta de um fluido de escoamento. Ouseja, o efeito estufa bem dosado benfico e essencial para a manuteno da vida, mas um aquecimento des

controlado do planettraria conseqnciafunestas para o mesmo.

Portanto, nosspreocupao com amudanas qumicaque ocorrem natmosfera devem secentradas no nogases majoritriosmas principalmentnaqueles minoritrio

que esto crescendo a uma velocidadto elevada que, tudo indica, noteremos tempo de nos adaptar a umanova situao, caso esse aumentovenha a alterar o nosso clima ou aintensidade da radiao UV que chegat a crosta terrestre. E o maiimportante que na questo ambiental a precauo o melhor remdiopois grande parte das mudanas qumicas que ocorrem na atmosfera, seno so irreversveis, levam muito maitempo para serem remediadas do quese fossem prevenidas. Resumindo, emqualquer assunto ligado preservaoambiental, prevenir sempre melhodo que remediar.

Wilson F. Jardim, professor titular do Departamentde Qumica Analtica do IQ-UNICAMP, responsvel peLaboratrio de Qumica Ambiental (LQA lqa.iqm.unicamp.br) e j orientou 15 mestres e 1doutores.

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