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Sem Int Educação e Cultura

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Descrição

Peter Westbroek







Detalhes

Final




A Ciência do Sistema Terra e Gaia

Peter Westbroek
A Terra é única

Nenhum objeto no sistema solar é conhecido em maior detalhe que a Terra. No entanto, de todos os corpos celestes existentes, nenhum é tão enigmático quanto nosso planeta, tão familiar. A perspectiva astronômica nos conscientiza de que nossa situação não é comum, como normalmente pensamos, mas bastante aberrante e singular. Lembremos o astronauta James Lovell que, a caminho da Lua, realizou as primeiras fotografias da Terra vista do espaço. “Foi um momento de muita excitação”, recorda. “Quando vi aquele globo colorido, do tamanho da unha de meu polegar, no imenso céu negro com estrelas brilhantes, eu sabia que aquela era minha casa, mais até do que a rua onde vivo, ou mesmo meu próprio país, os Estados Unidos”.


Entre as características mais particulares da Terra estão as seguintes: em primeiro lugar, evidentemente, nosso planeta conta com uma biosfera destacada. O habitat biótico não inclui apenas a troposfera, os oceanos e a superfície continental, mas penetra vários quilômetros na camada sólida da Terra, onde temperaturas de até 120°C podem prevalecer.
Em segundo lugar, a água em estado líquido cobre cerca de dois terços da superfície do planeta. Acredita-se que a água tenha coberto ocasionalmente partes da superfície marciana, mas o oceano da Terra persiste por mais de 3,8 bilhões de anos. Suspeita-se, além disso, a existência na lua Europa, do planeta Júpiter, de um oceano; caso ele exista, encontra-se coberto permanentemente por uma camada de gelo. Apenas durante períodos excepcionalmente frios, especialmente no final do período Proterozóico (há cerca de 600 milhões de anos), geleiras podem ter atingido o equador terrestre (“Snowball Earth”, Hoffman e Schrag, 2000), mas é improvável que o gelo tenha separado completamente a superfície líquida do oceano da atmosfera.
Uma terceira característica particular da Terra é o fato de que o planeta permanentemente sofre um ciclo de afloramento e submersão de suas camadas. As rochas estão envolvidas em um processo cíclico de renovação e desintegração, conhecido como o ciclo das rochas. Sua fusão nas profundezas da Terra e a solidificação subseqüente são seguidas pela sublevação, exposição, intemperismo, erosão, transporte e sedimentação, até que uma nova fase de afundamento e fusão se inicie. O tectonismo de placas tem sido o regime geodinâmico por pelo menos 2,7 bilhões de anos, enquanto, aparentemente, mecanismos menos ordenados prevaleceram em períodos anteriores. Um efeito caracteristicamente particular do ciclo das rochas é a diferenciação dos tipos de rochas, indo geralmente dos densos peridotitos derivados do manto, aos mais densos basaltos dos oceanos e, finalmente, a crosta continental relativamente leve de diorito e granito. Os continentes, que podem ser considerados grandes tartarugas flutuantes, resultantes dessa diferenciação, devem seu relevo à “flutuação” isostática, como o fenômeno é conhecido, do manto subjacente, no que aparenta ser outra característica bastante peculiar da Terra. Anomalias magnéticas recentemente descobertas na superfície de Marte, no entanto, podem ser interpretadas como sinais da atividade tectônica de placas nos estágios iniciais da história do planeta. Acredita-se que os movimentos da crosta marciana tenham cessado há muito tempo, devido ao menor volume e, conseqüentemente, ao resfriamento mais rápido daquele planeta.
Finalmente, a composição da atmosfera terrestre também é atípica. Enquanto Vênus e Marte possuem atmosferas oxidadas, consistindo primariamente de CO2, e os grandes planetas exteriores Júpiter, Saturno e Urano mantiveram sua atmosfera original reduzida, composta por hidrogênio, metano e amônia, a Terra possui uma mistura de componentes oxidados e reduzidos (oxigênio e nitrogênio), ocorrendo apenas vestígios de CO2. Em particular, a presença de uma baixa concentração de metano em combinação com o oxigênio indica que, diferentemente da atmosfera dos outros planetas, o ar que respiramos está bastante distante do equilíbrio termodinâmico.
O aprofundamento de nosso conhecimento do caráter único do planeta que habitamos é visto como um grande desafio para a ciência e uma necessidade para que se alcance um desenvolvimento sustentável para as gerações futuras.
A Ciência do Sistema Terra e a Geobiologia

Existem muitas evidências que sugerem que as quatro camadas exteriores principais do planeta, a biosfera, a hidrosfera, a superfície sólida do planeta e a atmosfera, não chegaram a seu estado atípico independentemente, mas através de interações múltiplas. A natureza dessas interações é objeto de pesquisas intensas, denominadas comumente “Ciência do Sistema Terra” (figura 1). Nesse enfoque, o planeta é considerado um sistema coerente, com a interação dos vários componentes. Esse sistema está sujeito à ação cósmica e interna, ou endógena, com uma troca de material entre os domínios interno e externo, desprezível, segundo se acredita, numa escala de tempo baseada em muitos milhões de anos. Já numa escala baseada em bilhões de anos, essas trocas de material não podem ser menosprezadas.


A grande incerteza científica sobre a natureza do comportamento de nosso planeta vem em parte do fato de que vários mecanismos fundamentais são desconhecidos em sua essência. Por exemplo, não existe uma teoria coerente do sistema de organização biológica (cf. Kooijman, 2000) e não sabemos quais os efeitos que a biota, o conjunto dos seres animais e vegetais, pode ter na atividade endógena (cf. Anderson, 1984). Além disso, um enfoque sistêmico da Terra requereria que interações múltiplas fossem quantificadas tão rigorosamente quanto possível, não apenas na situação presente, mas também através da reconstituição das evidências do passado geológico.
O maior obstáculo para o progresso nesse campo pode ser a necessidade de uma abordagem transdisciplinar, pois esta requer uma mudança cultural profunda na prática da pesquisa. O progresso impressionante da ciência nos últimos 50 anos causou um aumento contínuo da especialização. Cada disciplina desenvolveu seu próprio jargão, conceitos e hipóteses. Como resultado, uma discussão técnica entre cientistas de áreas diversas tornou-se cada vez mais difícil. Pode-se dizer facilmente que especialistas em disciplinas diferentes devem colaborar, mas torna-se muito difícil selecionar problemas transdisciplinares que possam ser adequadamente tratados. É encorajador, no entanto, ver que nos círculos científicos existe um entusiasmo crescente para uma ciência da Terra nova e integrada. Milhares de pesquisadores colocam à disposição seu conhecimento especializado em muitos projetos transdisciplinares relacionados ao sistema Terra.
A compreensão e quantificação dos processos que ligam a biota com o resto do mundo (figura 1) permanecem o aspecto de compreensão mais difícil na ciência da Terra. Há algumas décadas, costumava-se considerar que a vida, tanto em geologia quanto em biologia, apenas adaptava-se às interações de forças não-biológicas. O contrário, ou seja, a influência da vida na dinâmica terrestre, era em grande medida desconsiderado. A principal razão para isso é que essa influência é altamente não linear e, portanto, particularmente difícil de ser quantificada. Contanto que a ciência se preocupasse em reconstruir um esboço da história do planeta, a geologia e a biologia poderiam avançar separadamente. No entanto, com a compreensão cada vez maior de detalhes, o estudo da vida enquanto força geológica tornou-se inevitável. Atualmente, as interações entre o mundo vivo e o ambiente não-vivo são percebidas como o tema mais importante da Ciência do Sistema Terra, conhecida como Geobiologia (figura 1).
A seguir, ilustrarei algumas ações recíprocas geobiológicas com alguns exemplos. Ainda assim, espero que este enfoque modesto auxilie na comunicação do caráter desse campo florescente. Como introdução, é útil resumir primeiramente algumas das características principais da história do Sistema Terra.
A História do Sistema Terra em um dia

Estima-se que o sistema solar (e, portanto, também a Terra) tenha surgido há 4,57 bilhões de anos. Para desenvolver uma percepção das relações da escala de tempo dos grandes eventos geológicos, é útil condensar esse longo período de tempo em um único dia de 24 horas. Uma hora no dia terrestre representa 190 Ma (milhões de anos), um minuto 3 Ma e um segundo, 50 mil anos.


Nessa escala comprimida de tempo, o aparecimento da Lua ocorreu 20 minutos após a meia-noite e a solidificação da Terra ocorreu à 0h30. Naquele momento, o resfriamento da superfície do planeta e a formação do núcleo da Terra haviam terminado e a densa atmosfera original fora perdida. Até as 3h55, um intenso bombardeio de meteoritos destruiu a crosta e é improvável que a vida, se já existia, pudesse ter resistido durante períodos longos de tempo. Apesar desse regime altamente destrutivo, os restos mais antigos da crosta continental datam das 2h55. Recentemente, cristais diminutos do mineral zircônio foram descobertos em uma rocha mãe muito mais nova, datada de 1h00 (Halliday, 2001). Isso é extraordinário, pois o zircônio constitui-se durante a formação do granito e na presença de água. Portanto, apenas meia hora após o final da solidificação, continentes e, provavelmente, até oceanos, podem ter existido.
As indicações mais antigas de atividade biológica, sinais de isótopos de carbono indicativos da fixação biológica desse elemento, datam das 4h00, apenas cinco minutos após o final do bombardeio de meteoritos e os fósseis mais antigos, de origem bacteriana, foram encontradas em rochas bastante velhas, originadas às 4h45. Os vestígios mais antigos reconhecíveis de atividade tectônica de placas foram formados às 10h00. A atmosfera terrestre continuou seu processo de redução, tendo como seus principais elementos CO2 e metano, até por volta do meio dia, quando consideráveis quantidades de oxigênio (cerca de 1% do nível atual) começaram a acumular-se. Esse evento marca um grande gargalo para a evolução biológica, pois, em tese, o oxigênio é um veneno especialmente agressivo. As formas anaeróbicas de vida que predominavam até esse momento foram forçadas a buscar abrigos com baixo teor de oxigênio (anóxicos), como as profundezas do mar e os sedimentos e apenas aquelas que contavam com mecanismos desintoxicantes suficientemente eficazes eram capazes de sobreviver em contato direto com a atmosfera.
Células eucarióticas como as nossas, com organelas e núcleo, surgiram por volta das 17h00. Portanto, durante treze horas a vida foi exclusivamente bacteriana. Deve-se salientar que a importância das bactérias foi subestimada no passado. Sabemos agora que virtualmente todos os caminhos da evolução desenvolveram-se bastante cedo na história da Terra no mundo bacteriano e, mesmo hoje, os ciclos biogeoquímicos são predominantemente catalisados por bactérias. Eucariotes, os quais se desenvolveram a partir de simbioses das bactérias, apenas ocupam um nicho limitado do vasto repertório de ambientes habitados pelo conjunto da biota. A vida pluricelular apareceu por volta das 20h00 e o esboço do corpo da maior parte dos animais que subsistem desenvolveu-se num espaço surpreendentemente curto, de cerca de três minutos, por volta das 21h10, logo após a severa idade do gelo que, acredita-se, tenha provocado situações em que a Terra tornou-se uma bola de neve.
Plantas vasculares colonizaram os continentes às 21h50. Faltando dois minutos para a meia-noite, os seres humanos surgiram e a revolução industrial ocorreu 3,7 milissegundos antes da meia-noite.
Nessa escala do tempo do dia terrestre, os ciclos globais oferecem uma impressão memorável. Na freqüência atual, o tempo médio do ciclo da massa sedimentar total é de duas horas e a camada do fundo do oceano é renovada a cada meia hora. A água dos oceanos é renovada a cada segundo e agitada a uma freqüência de 200 rotações por minuto. Em apenas 18 segundos, os rios depositariam uma massa de material dissolvido equivalente à existente diluída nos oceanos. Para processar todo o CO2 e O2 atmosféricos através da biosfera, seriam necessários 0,2 e 140 milissegundos, respectivamente. Claramente, a presença ininterrupta de vida das 4h00 até hoje apresenta limites severos às variações no ambiente habitável, apesar da dinâmica frenética do sistema planetário. Para a reprodução contínua das condições nas quais a vida pode existir, não apenas a litosfera, mas também outros componentes da parte exterior do sistema terrestre – hidrosfera, atmosfera e biosfera – devem ter mantido um modo de reciclagem durante um longo período.
Geralmente, os arquivos geológicos mostram que o sistema terrestre não se desenvolveu por mudanças graduais, mas caracterizou-se por uma alternância entre longos períodos de estagnação (estase) e eventos repentinos, reorganizações críticas que ocasionaram o surgimento de novos mecanismos e formas de vida. Alguns desses eventos foram indicados anteriormente. Além dos regimes oscilatórios (por exemplo, entre um mundo quente - efeito estufa - e frio - efeito geleira). Tendências de longo prazo tornam-se aparentes, não apenas na evolução biológica, mas também na física, química e biologia das dinâmicas globais. Os exemplos principais dessas tendências são a conversão de uma atmosfera reduzida para oxidada e o surgimento do tectonismo de placas.
Vida e o ciclo das rochas

O conceito de ciclo das rochas foi formulado primeiramente por James Hutton, no final do século 18. Em sua forma atual, está relacionado com a teoria do tectonismo de placas. O relevo da superfície da parte sólida da Terra é gerado por forças “endógenas”, como a formação de montanhas, o vulcanismo, a expansão e contenção do fundo do mar. Os processos endógenos são impulsionados pelo declínio radioativo nas camadas mais profundas da Terra. Por outro lado, processos “exógenos”, impelidos pela radiação solar, combinam-se para equiparar o relevo. Tão logo aparecem na superfície da Terra, as rochas sofrem desgaste. Os fragmentos resultantes (seixos, areia e terra) e os materiais dissolvidos (como, por exemplo, íons de cálcio, bicarbonato e sílica) são arrastados por rios, geleiras e vento para os oceanos (erosão e transporte) e terminam como sedimentos, basicamente aqueles que cobrem o fundo dos mares. Dali, a massa sedimentar é transportada através do processo contínuo de dispersão no fundo do mar através de zonas de retenção em direção às camadas mais profundas da Terra. Eles são comprimidos, fundidos e levados novamente para a superfície do planeta num ciclo subseqüente de construção de montanhas e vulcanismo.


Por sua posição estratégica no ponto de contato entre as rochas, a água e o ar e por sua exposição à luz do sol, os sistemas vivos podem ter um papel ativo, particularmente nos processos do ciclo das rochas que ocorrem na parte externa do planeta: intemperismo, erosão, transporte e sedimentação. A natureza dessa intervenção pode ser revelada considerando-se o contraste entre o movimento em câmara lenta do tectonismo de placas e formação de montanhas em comparação com a atividade frenética da vida. Nutrientes essenciais, como o fosfato, ferro, cobre ou molibdênio são fornecidos em fluxos diminutos à biota a partir das profundezas da Terra. Conseqüentemente, a atividade biológica é mantida através da evolução de uma imensa variedade de mecanismos por meio dos quais os organismos podem explorar os estoques limitados de nutrientes em seu proveito.
Os estoques de nutrientes aumentam em primeiro lugar pela grande aceleração do desgaste ocasionado pela atividade de sistemas biológicos. Fungos, bactérias e as raízes de plantas penetram em pequenas fissuras nas rochas e criam micro-ambientes, onde os minerais podem ser desintegrados rapidamente. De um ponto de vista biológico, o desgaste pode ser comparado à mineração: matérias-primas são extraídas das rochas e fornecidas aos sistemas vivos.
Os nutrientes são mantidos em seguida em circulação através de reciclagem biológica extensiva. As camadas de superfície desgastadas ou solo têm um papel importante nessa reutilização. Eles formam um substrato indispensável para a vegetação: aqui, os detritos de plantas mortas são decompostos por organismos e os nutrientes liberados tornam-se novamente disponíveis para as plantas. O excesso de nutrientes é arrastado pela água ou retirado da circulação biologicamente catalisada pelo armazenamento em tecidos, pela precipitação ou pela evaporação, enquanto nutrientes limitantes são reciclados com bastante eficiência. Os fluxos de nutrientes tendem a ser desviados por comunidades de seres vivos de forma que sua concentração se adapte às necessidades do local.
Embora os sistemas vivos promovam a quebra de rochas no processo de desgaste, os detritos resultantes são mantidos no local como solo através de mecanismos múltiplos. Supercrescimento, raízes e produção de lama estão entre os fatores estabilizantes. Entretanto, a reutilização dos nutrientes nunca é completa. Os ciclos catalisados biologicamente possuem falhas e, em longo prazo, os nutrientes são diluídos. As comunidades de seres vivos são enfraquecidas e desaparecem; a cobertura do solo é levada pelas águas e rochas novas são trazidas para a superfície. Nesse ponto, o processo pode ser reiniciado. Enquanto isso, os nutrientes que foram levados pelas águas podem estimular o prosseguimento da atividade biológica.
Basicamente, os produtos finais utilizados da biota são eliminados em depressões e envolvidos pelos sedimentos acumulados lentamente. A dispersão que ocorre no fundo do mar leva esses detritos para a região pelágica, onde são retidos. A massa sedimentar é sujeita a altas temperaturas e pressões e aflora durante a formação de cordilheiras. Portanto, torna-se matéria prima para um novo ciclo. O tectonismo de placas não é apenas um sistema de esgoto para a vida, ele também é responsável pela regeneração de novos nutrientes a partir dos fluxos e resíduos. É improvável que a vida houvesse se mantido muito tempo sem o tectonismo de placas. Enquanto a figura 2a mostra a visão clássica, física, do ciclo das rochas, a figura 2b mostra o mesmo processo de um ponto de vista biológico.
O comportamento dos sistemas vivos em relação aos materiais tóxicos é totalmente diferente. Como os nutrientes, essas substâncias podem ser liberadas através do desgaste das rochas. Além disso, componentes tóxicos ocorrem no ar e na água e podem até ser gerados como subprodutos de reações biologicamente catalisadas. Uma grande variedade de mecanismos foi descrita onde materiais tóxicos foram removidos de sistemas biológicos. Por exemplo, metais pesados podem se acumular nas paredes celulares de muitas bactérias, para serem mantidos distantes do mecanismo celular.
Organismos vivos ou mortos, impregnados com metais pesados, são freqüentemente carregados com sedimentos, fazendo com que as águas superficiais sejam limpas. No oceano, os materiais são retirados das camadas superficiais da água, onde organismos que compõem o plâncton florescem. O nitrogênio tóxico e os compostos de enxofre assim como, por exemplo, o mercúrio, podem ser volatilizados e liberados na atmosfera. Portanto, contrastando com os nutrientes, os materiais tóxicos tendem a ser retirados da circulação biológica, ou mesmo completamente removidos da biosfera. Alguns podem ser convertidos em materiais úteis ou inofensivos e então canalizados através dos ciclos de nutrientes. Normalmente, a maior parte dos materiais tóxicos terminará no sedimento no fundo do mar, juntamente com os resíduos finais da biota. Depois de um longo período de tempo, eles podem entrar novamente em circulação através das dinâmicas internas do planeta.
Um aspecto precisa de maior esclarecimento. A interação da biota com o ciclo das rochas é um processo que consome energia. Sem a radiação solar, o processo chegaria logo ao seu fim. A luz é capturada pela biota e transformada em energia química. Essa energia é conduzida através de uma fina malha através da biosfera e coloca todo o mecanismo em operação. Finalmente, escapa numa forma inferior para o espaço. A biosfera é delgada, mas extremamente complexa, formando um escudo altamente energizado em torno da Terra. Os fluxos geoquímicos reúnem-se numa auto-organização elaborada e em redes auto-perpetuantes. No passado remoto, eles emergiram de fluxos geoquímicos não biológicos. É a vida: um processo geoquímico muito especial. Bioquímica é uma parte constitutiva da geoquímica.
Emiliania – amplificação no esforço biológico

O exemplo da alga unicelular marinha Emiliania pode servir para demonstrar o caráter altamente não linear do envolvimento biológico na dinâmica da Terra. A célula (figura 3a), com cerca de um centésimo de milímetro de diâmetro, é coberta por elegantes escamas de carbonato de cálcio ou giz. Essas escamas são produzidas numa vesícula especial, dentro da célula, sendo transportadas para sua superfície quando a formação é completada. A Emiliania ocorre em um número astronômico nos oceanos. As células tendem a se dividir a cada noite e periodicamente, em particular durante o final da primavera no Atlântico Norte em latitudes médias, aparentemente nada é capaz de deter sua proliferação. Grandes florescências, que podem até ser vistas do espaço, resultam (figura 3b). Essas florescências podem durar várias semanas, até que sejam exterminadas por crustáceos ou infecções virais. Essas células e os cocólitos afundam. A Emiliania é um do mais numerosos organismos na Terra.


Essa é uma das várias centenas de espécies de organismos planctônicos que produzem carbonato de cálcio e que vivem na camada superior, iluminada, da coluna de água do oceano. Juntas, influenciam o ciclo das rochas, assim como o clima global. A exportação de carbonato de cálcio e material orgânico das florescências para as profundezas do oceano remove carbono da atmosfera. Esse processo afeta a concentração de dióxido de carbono, o gás do efeito estufa. Além disso, as florescências emitem um gás contendo enxofre para a atmosfera, o DMS. Nas camadas mais altas da atmosfera, esse gás é oxidado para gotículas de ácido sulfúrico, que facilitam a formação de nuvens brancas. Como essas nuvens refletem a radiação solar, elas têm um efeito de esfriamento. Além disso, causam a precipitação de chuva ácida natural.
O giz (greda) e o carvão orgânico que afundam para o fundo do oceano formam camadas grossas que se acumulam durante milhões de anos. Essas camadas estão expostas localmente, nas falésias de Dover, Cap Blank Nez (Boulonnais) e Etretat. Esses sedimentos formam um arquivo geológico, usado para reconstruir a longa história do sistema.
A origem pela evolução da formação de cocólitos ocorreu há cerca de 200 milhões de anos. Ela foi decorrente da “invenção” de um vacúolo diminuto na célula e aumentou a área de sedimentação de carbonato de cálcio da periferia dos oceanos (barreiras de coral) até a região pelágica. Estudos feitos a partir de modelos sugerem que esse evento geológico teve grandes conseqüências climáticas. Com a penetração de grandes massas de carbonato de cálcio no interior do planeta em zonas de retenção, houve um aumento substancial de emissões de CO2 na atmosfera através do vulcanismo. Sem os minúsculos vacúolos, estaríamos agora aprisionadas em uma era do gelo bastante severa.
O fenômeno das Emilianias oferece um bom exemplo de ciência transdisciplinar. Mais de cem cientistas participaram dessa pesquisa. Entre eles estão geneticistas, fisiologistas, ecologistas, oceanógrafos, climatologistas, geólogos e modeladores. A idéia fundamental é que a compreensão e quantização desse fenômeno pode servir para o estudo de interações geobiológicas em geral.
Oxigênio

Um exemplo impressionante da interação entre processos biológicos e geológicos é compreender como a atmosfera original reduzida pôde transformar-se na atmosfera oxidada atual, há cerca de 2,2 bilhões de anos. A figura 4 representa o mecanismo subjacente. O oxigênio livre é um subproduto da fotossíntese, o processo através do qual certos microorganismos, algas e plantas convertem a radiação solar em energia química, da qual virtualmente todos os outros seres vivos dependem. O dióxido de carbono e a água, relativamente inertes, são convertidos numa mistura reativa – matéria orgânica (CH2O) e oxigênio. Os processos respiratórios revertem a reação, de forma que o dióxido de carbono e a água são regenerados. Esse fenômeno deve ter tido origem logo após a origem da vida. O ciclo, no entanto, apresenta perdas: uma pequena porção (cerca de um milésimo) do carbono orgânico que é produzido no ciclo biológico fica enclausurado nos sedimentos que se acumulam. Ele permanece lá durante um tempo muito longo (o que quer dizer um tempo médio de permanência da ordem de 300 milhões de anos), até que aflore na superfície continental por forças tectônicas. Ele reage então com o oxigênio e é reconvertido em CO2 e água pelo intemperismo.


Assim, um reservatório gigantesco de matéria orgânica poderia formar-se na crosta terrestre, cerca de 15.000 vezes o total da biomassa viva de hoje. Para cada molécula de carbono orgânico retirado dessa maneira da circulação biológica, uma molécula de oxigênio foi liberada. Originalmente, no entanto, o gás não poderia acumular-se na atmosfera. Ele reagiria imediatamente com o ferro reduzido e enxofre, trazidos à tona no ciclo das rochas e, como resultado, grandes reservatórios de ferro oxidado e sulfato (ferrugem e gipsita) foram armazenadas na crosta juntamente com o carbono orgânico. Portando, uma tendência geoquímica constante, através da qual ferro e enxofre foram transferidos do estado reduzido ao estado oxidado, foi característica do desenvolvimento inicial da Terra. Finalmente, a situação de estado constante emergiu, onde as taxas de oxidação e redução de ferro e enxofre igualaram-se. Foi neste ponto que o oxigênio pôde acumular-se livremente na atmosfera.
Portanto, na figura 4, o ciclo biológico age como o produtor e o ciclo geológico como o acumulador de oxigênio atmosférico. Como resultado dessas interações, a Terra acumulou uma grande quantidade de energia fóssil ao longo do tempo geológico; este planeta é uma bateria química com o pólo oxidado em seu exterior e o pólo reduzido em seu interior. O fato de que a composição da atmosfera está bastante longe do equilíbrio termodinâmico é um corolário desse estado energizado do sistema planetário.
Também é certo que a biologia ou a geologia sozinhas não podem explicar a evolução da atmosfera de oxigênio. Pesquisas recentes, estudando os detalhes mais delicados dessa tendência crucial na história da Terra, requerem uma colaboração até mais próxima entre especialistas nesses dois campos. Esse trabalho relaciona-se agora com a origem e evolução da fotossíntese e respiração e com a eficiência desses processos, já que eles dependem da disponibilidade de nutrientes nos oceanos. Pelo menos tão significantes são as mudanças seculares, tanto no espaço para acomodação de sedimentos, quanto nas taxas de desgaste. Aparentemente, o nível atual de oxigênio de 21% do total da atmosfera foi atingido apenas no final do Paleozóico, há menos de 400 milhões de anos. A colonização dos continentes por plantas vasculares provavelmente teve um papel decisivo nesse evento.
Deve-se notar que o cenário na figura 4 pode não explicar completamente a oxigenação original da atmosfera. A figura leva em conta a reciclagem do reservatório orgânico no ciclo geológico, mas não oferece um mecanismo pelo qual o tamanho desse reservatório pudesse aumentar o suficiente para que o oxigênio livre aumentasse. Catling et al. (2001) e Kasting (2001) introduzem uma nova hipótese, a qual eles acreditam que opera além e acima da reciclagem de matéria orgânica. Eles apresentam evidências, sugerindo que o metano abundante, liberado por sistemas biológicos sob a atmosfera original anóxica, desintegraria na alta atmosfera ao ser exposto à radiação solar. O hidrogênio molecular liberado nesse processo escaparia para o espaço em grande escala, deixando a camada externa da Terra num estado cada vez mais oxigenado. Assim que o oxigênio pudesse acumular-se na atmosfera, o metano seria oxidado na atmosfera inferior, fazendo com que o fluxo de hidrogênio para o espaço se extinguisse. Deve-se enfatizar que essa proposta apenas fortalece o argumento de que a evolução do oxigênio atmosférico pode ser compreendida apenas por uma pesquisa transdisciplinar, envolvendo tanto a biologia (a produção de metano) quanto as ciências físicas da Terra (desintegração do metano e liberação de hidrogênio).
Ajustamento global e Gaia

Os exemplos precedentes podem ilustrar suficientemente a importância da vida como um fator ativo na dinâmica da Terra. Deve-se ter em mente que essa influência é raramente exercida apenas pela atividade biológica, se é que ocorra dessa forma. A maioria dos processos geológicos afetados por sistemas biológicos poderia ocorrer também na ausência de vida. Apenas em combinação com processo físicos e químicos, esse imenso impacto da vida poderia acumular-se ao longo do tempo geológico. A idéia do ajustamento global leva esse argumento mais longe.


Lovelock (1979, 1988, 2000) chamou a atenção para o fato de que a vida subsistiu, sem interrupção, de 3,8 bilhões de anos atrás ao presente, apesar de um aumento de 25% na radiação solar e eventos catastróficos de monta, como o impacto de meteoritos que devastaram periodicamente o domínio planetário externo nesse longo período de tempo. Lovelock explicou essa observação através da proposta de que a Terra seria uma entidade organizada. Mecanismos reguladores globais, emergindo de interações múltiplas entre a vida e o seu ambiente, automaticamente mantém condições favoráveis para a sobrevivência em longo prazo da biota. Não há razão para invocar premeditação ou planejamento. Nenhum deus ex machina é preciso. O sistema, que ele chamou “Gaia”, mantém-se a si próprio, como a chama de uma vela. Lovelock comparou a Terra a um superorganismo, o qual mantém uma tendência à estabilidade (homeóstase), da mesma forma que mantemos a pressão sangüínea ou a temperatura em nossos corpos.
A “hipótese Gaia” foi refutada, baseada no fato de que não pode ser falsificada (Kirschner, 1991). Gaia seria verdadeira, não importando os fatos. Além disso, a analogia com um superorganismo é inválida, porque a Terra não se reproduz e não pode evoluir através de seleção natural na ausência de competidores. Além disso, a história geológica mostra que a Terra não é verdadeiramente homeostática, pois o sistema passou por grandes mudanças durante sua existência.
Apesar dessas críticas, não pode ser negada uma influência impressionante da hipótese Gaia na Ciência do Sistema Terra. Primeiramente, o conceito Gaia deu nova força ao enfoque de sistemas, que já havia sido explorado por Vernadsky, e em anos mais recentes pelas escolas de Robert Garrels, Heinrich Holland e muitos outros. Em segundo lugar, ela trouxe para o primeiro plano a idéia do ajustamento global. Desde o lançamento da idéia de Gaia, foram propostos vários mecanismos ativos globais de realimentação, tanto positiva quanto negativa, em operação. Entre os exemplos estão o ciclo carbonato-silicato de cálcio, mostrado na figura 5 e modelado por Berner (1994) (ver também Lovelock e Kump, 1994 e Westbroek, 2000) e um mecanismo proposto para o controle do oxigênio atmosférico (Watson e Lenton).
Apesar desses avanços iniciais, nossa compreensão da adaptação global é muito incompleta. Poucos mecanismos de realimentação foram estudados em detalhe e muitos serão provavelmente descobertos no futuro. Deve-se ter em mente que Gaia trata do comportamento de todo o sistema da Terra e de como ele se forma a partir de todas as interações e realimentações co-evolutivas. Claramente, um conhecimento profundo de Gaia continua fora de alcance. Entretanto, sinto pessoalmente que o termo Gaia deve ser preferido em detrimento do mais comumente utilizado, “Ciência do Sistema Terra”. O segundo termo dá pouco incentivo aos biólogos para colaborarem com geólogos. Além disso, “Gaia” nos lembra de nossa profunda ignorância da dinâmica e história da Terra. E, finalmente, o nome da antiga deusa grega atrai a atenção do público em geral e ajuda a trazer ao mundo todo respeito ao planeta que habitamos.
Referências

Figuras



Ação Cosmológica



Atmosfera

Hidrosfera

Biota


Terra sólida

sistema Terra

Ação Endógena

Figura 1: o assunto das Ciências do Sistema Terra

Figura 2: O ciclo das rochas. A: de um ponto de vista geofísico e B: do ponto de vista geobiológico.

Fig. 3. Emiliania. Esquerda: uma única célula (diâmetro de um centésimo de milímetro) com cocólitos de giz. Direita: florescência no sul da Islândia, vista do espaço.

O2 atmosférico


Fotossíntese

Respiração

Desgaste

CH2O litosférico

Ciclo Biológico

Ciclo Geológico

Figura 4. Produção e acúmulo de oxigênio atmosférico através do acoplamento dos ciclos biológico e geológico do carbono orgânico. Notar a reciclagem rápida e os pequenos reservatórios globais no ciclo biológico e a reciclagem lenta e grandes reservatórios no ciclo geológico.


Fig. 5. O ciclo silicato-carbonato do cálcio agindo como um termostato global. Para o desgaste de um mol de silicato de cálcio dos continentes pelo intemperismo, são necessários 2 moles de CO2 atmosférico (e água – não mostrada). Os rios transportam os produtos do desgaste dissolvidos (íons de ácido silícico - H4SiO4, cálcio - Ca++ - e bicarbonato -HCO3) para o oceano. Essas substâncias são removidas da água dos oceanos por precipitação de sílica (SiO2) e calcário ou giz (CaCO3). Na precipitação de calcário, um mol de CO2 retorna para a atmosfera. A retenção dos sedimentos no fundo do mar em valas é seguida pela regeneração do silicato de cálcio e a liberação vulcânica de um mol de CO2. Um aumento na taxa de retenção leva a um aumento da concentração atmosférica de CO2 e ao aquecimento climático. Em altas temperaturas, a taxa de desgaste aumenta e o CO2 é bombeado para fora da atmosfera mais rapidamente, levando a uma diminuição da temperatura. Esse sistema age como um termostato global em escalas de tempo maiores que 1.000 anos. Os asteriscos indicam processos acentuados biologicamente.


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