Escapes Hidrotermais e Bioprospecção

GRAVEL
ISSN 1678-5975
Julho - 2009
V. 7 – nº 1
57-65
Porto Alegre
Escapes Hidrotermais e Bioprospecção
Martins L.R.1,2 & Nunes J.C.2
1
2
COMAR – South West Atlantic Coastal and Marine Geology Group ([email protected]);
Centro de Estudos de Geologia Costeira e Oceânica – CECO/IG/UFRGS.
RESUMO
A biodiversidade em ambientes marinhos profundos, onde ocorrem
espécies únicas junto às erupções vulcânicas submarinas, representa
atualmente o foco de muitas pesquisas oceanográficas. A utilização de
moderna tecnologia (submersíveis e veículos de operação remota) vem
contribuindo para um considerável aumento nos estudos relativos a presença
dos escapes hidrotermais, seus produtos e tipos de vida associada. A presente
nota enfatiza os aspectos biológicos associados a esse cenário de mar
profundo.
ABSTRACT
The biodiversity of deep sea environments where unique species
occur, as the ones adapted to environmental conditions of submarine volcanic
activity is presently one of the main focus of oceanographic research. The use
of modern technology (submersibles and remotely operated vehicles) is
contributing to a considerable increase in studies regarding hydrothermal
vents, their products and associated life types. This note emphasizes the
biological aspects of this deep sea scenery.
Palavras chave: bioprospecção; mar profundo; escapes hidrotermais.
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Escapes Hidrotermais e Bioprospecção
INTRODUÇÃO
O crescente interesse das nações portadoras
de alta tecnologia na pesquisa e exploração dos
recursos minerais de mar profundo, gerou de
forma
associada,
estudos
relativos
a
compreensão do habitat e organismos presentes
na região, bem como oportunidades para
exploração de novos recursos no campo da
bioprospecção.
Nos últimos anos, a diversidade e a
abundância de vida presente nas profundezas
oceânicas vem sendo estudadas com detalhe. A
biodiversidade ligada aos montes submarinos e
áreas com presença de espécies únicas junto aos
escapes hidrotermais, representam o foco de
muitas pesquisas.
Em realidade, o chamado oceano profundo
representa um ambiente bastante complexo onde
os aspectos da geo, bio e hidrosfera, requerem
em sua compreensão um desenvolvimento
multidisciplinar integrado por geólogos,
geoquímicos, geofísicos, biólogos, oceanólogos
e microbiologistas sendo esse panorama
integrado também por engenheiros para
desenvolvimento da infra-estrutura e do
equipamento necessário ao estudo desses
processos (POSTNOTE, 2007).
De um modo geral, os significantes
progressos da engenharia naval e da tecnologia
de submersíveis e veículos de operação remota
(Remotely Operated Vehicles - ROV), vêm
contribuindo de maneira acentuada no aumento
do número de estudos realizados. Em janeiro de
2008, o navio de pesquisa Knorr, realizou
estudos relativos a presença de escapes
hidrotermais, seus produtos e tipo de vida
associada, utilizando os ROV`s Puma e Jaguar
na Dorsal Meso Atlântico entre 2º e 8º latitude
sul, na altura da Ilha Ascensão.
Escapes hidrotermais são, portanto, feições
únicas tanto sob prisma geológico como
biológico, pois tais processos controlam a
transferência de energia e material do interior da
Terra para sua crosta, hidrosfera e biosfera.
DESENVOLVIMENTO
Muitas reuniões científicas têm sido
realizadas nos últimos anos com o objetivo de
analisar os progressos realizados e as
preocupações
futuras
com
a
exploração/explotação dos recursos do mar
profundo. O consórcio Europeu-ECORD
(European Consortium for Ocean Research
Drilling) realizou em 2006 um “workshop”
destinado ao “Deep Sea Frontier – DSF” com a
finalidade de estabelecer uma discussão sobre a
perspectiva de um plano científico integrado
para o estudo do sistema fundo marinho
profundo. O objetivo imediato do grupo DSF foi
o de identificar os estudos científicos
necessários dirigidos a compreensão do papel do
fundo marinho profundo no sistema global da
Terra (EU, 2006). Esse conhecimento é
necessário por uma série de razões das quais
estão incluídas: a) compreensão de como os
ecossistemas de mar profundo responderão as
mudanças climáticas b) entendimento das trocas
entre subsolo, solo marinho e coluna d’água c)
promover uma base através da qual a explotação
do piso marinho profundo pode ser
adequadamente planejada e monitorada e d)
melhor compreensão dos georiscos e ataques a
zona costeira.
Dentro do panorama de águas profundas são
apresentadas duas situações distintas, mas
claramente importantes como oportunidades
econômicas emergentes, mas extremamente
diferentes em impacto e extensão: a mineração
dos recursos não vivos do piso marinho
profundo e a coleta de organismos marinhos
para aplicação industrial e farmacêutica.
A denominada bioprospecção é representada
pela coleta de plantas, animais e micróbios
destinados a atividade comercial. Dentre estas as
maiores perspectivas estão situadas na
diversificada população de micróbios presentes
em áreas com emanações hidrotermais e onde a
adaptação às extremas condições presentes,
resultam em novas propriedades que favorecem
a explotação.
Escapes hidrotermais e fumarolas estão
presentes em mar profundo com atividade
vulcânica onde águas superaquecidas (400ºC)
são expelidas sendo encontrados nos oceanos
Pacífico, Atlântico e Índico em profundidades
superiores a 2.000 m. Associados a esses locais
mais de 500 espécies de flora e fauna foram
descritas, em sua maioria só encontradas nessa
região. Tais organismos são providos por uma
cadeia alimentar baseada em bactérias que
utilizam a energia química da água de escape
(quimiossíntese), sendo constituídos por vermes,
moluscos, camarões cegos e outros organismos.
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Micróbios de mar profundo são atualmente
utilizados como fonte de biocatalizadores
industriais, com vistas a aceleração de certos
processos; em produtos farmacêuticos e
antimicróbicos. No grupo dos micróbios, a
Actinobactéria, por exemplo, produz um
composto que inibe a infecção hospitalar. Outros
derivados podem atuar como agentes anticancer.
Pesquisando novas fontes de produtos
naturais bioativos, o ambiente marinho justifica
a particular atenção, em vista da diversidade
acentuada de microorganismos e produtos
metabólicos. Recentes relatórios sobre novas
entidades químicas direcionam para a
importância da Actinobacteria marinha para a
obtenção de produtos naturais explotáveis,
confirmando que produtos naturais microbianos
permanecem como importante recurso para
elaboração de novos medicamentos.
Vários autores tem dedicado nestes últimos
anos, estudos para analisar a biotecnologia da
Actinobacteria marinha. Os tópicos abordados
incluem a abundancia, a diversidade,
distribuição
biogeográfica,
função
do
ecossistema, bioprospecção e uma nova
abordagem para a exploração do espaço da
Actinobacteria. Levando em consideração as
questões acima mencionadas, uma agenda para
futura investigação da Actinobacteria marinha,
foi sugerida.
Além da Actinobactéria que vem sendo
coletada de mar profundo, cerca de 90% de
espécies foram descobertas recentemente,
direcionando a pesquisa do piso marinho
profundo para novos e promissores caminhos
nas aplicações industriais e farmacêuticas.
Cálculos realizados indicam ser superior a
US$ 10 milhões, o mercado de produtos
relacionados com a biotecnologia marinha. A
empresa inglesa Aquafarm, estima que cerca de
10% de suas fontes materiais é oriunda de mar
profundo, existindo a expectativa de aumento
nos próximos anos. Além do Reino Unido,
Estados Unidos e Espanha investem de forma
acentuada na bioprospecção dos oceanos.
Nesse panorama desenvolve-se o campo da
geobiologia que se destina especificamente ao
estudo de como as atividades geológicas e
biológicas, intervém em uma escala do
milímetro ao nanômetro das moléculas e
micróbios. São os processos geobiológicos e os
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condutores dos fluxos de energia aos
ecossistemas marinhos da geosfera e hidrosfera
através da produção primária microbiana.
ECOLOGIA DE MAR PROFUNDO
Escapes hidrotermais de mar profundo são
formados como resultado da atividade vulcânica
do fundo marinho. A água penetra através de
fendas da crosta, dissolvendo metais e minerais
a medida que se torna superaquecida em contato
com o magma liquefeito de altas temperaturas.
A água superaquecida 400ºC é expelida como
geyser carregando minerais lixiviados das
rochas crustais que quando encontra a água fria
e densa do oceano profundo precipitam ao redor
da abertura do escape. Isto causa uma
acumulação ou construção de minerais em uma
formação geológica singular, denominadas de
chaminés, de variado tamanho.
Ao estudarem os escapes hidrotermais de
mar profundo, os pesquisadores foram
surpreendidos ao encontrar ao redor das
emanações, uma vida abundante adaptada as
condições ambientais extremas ali encontradas
(pressão extrema, alta temperatura, ausência de
luz). Uma comunidade vicejante composta por
camarões, caranguejos, tubos de vermes,
mexilhões, lesmas, anêmonas e peixes. Muitos
estudiosos classificam essas feições geológicas
representadas pelas fumarolas e seus depósitos
de sulfetos polimetálicos como verdadeiros oásis
de um piso marinho pouco habitado e
apresentando uma biomassa semelhante a uma
floresta úmida.
A distinção entre as chamadas fumarolas
negras (black smokers) e brancas (white
smokers) é caráter térmico e composicional. As
primeiras representam as emanações de
temperatura
mais
elevada
expelindo
principalmente ferro e sulfeto que se combina
para formar sulfeto de ferro, composto que dá a
fumarola a cor negra. As fumarolas brancas são
formadas a partir de uma água com temperatura
menos elevada que as primeiras contendo
compostos de bário, cálcio e sílica e impingindo
a cor branca.
Algumas fumarolas podem apresentar um
crescimento rápido (9 m em 18 meses, já foram
registrados). O ambiente circundante das
fumarolas está representado na Figura 1.
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Escapes Hidrotermais e Bioprospecção
Figura 1. Principais componentes de escapes hidrotermais na dorsal meso-oceânica (fonte WHOI). 1) Água
fria do mar (2ºC) infiltra-se através de fissuras no fundo oceânico. 2) A água penetra mais
fundo e a energia das rochas liquefeitas aumentam a temperatura ao redor de 350-400ºC. A
água aquecida reage com as rochas da crosta oceânica consumindo oxigênio, tornando-se acida
e aprisionando metais dissolvidos, incluindo ferro, cobre e zinco e captando sulfeto de
hidrogênio. 3) Os líquidos quentes tornam-se menos densos e ascendem até atingir o piso
oceânico. 4) Os metais carregados no fluído combinam com enxofre para formar minerais
denominados de sulfetos.
Uma das características dos organismos
presentes nesse ambiente é o gigantismo, ou
seja, criaturas marinhas existentes em águas
rasas que assumem proporções gigantes quando
residentes em oceano profundo.
No fundo oceânico ao redor dos escapes
hidrotermais, existe uma profusão de vida que
prospera através do sulfeto de hidrogênio (H2S)
gás liberado pelos escapes. Um dos organismos
mais importantes são os tubos de vermes que em
águas rasas são comuns e de dimensões de
alguns centímetros. Contudo em águas
profundas esses organismos vicejam nesse
ambiente hostil crescendo a tamanhos superiores
a 2 m. Crescem como grandes cachos ao redor
dos escapes vivendo dentro de tubos de proteção
do tipo concha presos as rochas. Vivem em uma
relação simbiótica com determinado tipo de
bactéria, que oxidam o H2S tornando-o um
nutriente utilizável pelos vermes. Por sua vez os
vermes liberam sangue contendo hemoglobina
que ajudam as bactérias na decomposição dos
sulfetos.
Em vez da luz solar, a vida junto aos escapes
hidrotermais baseia-se no sulfeto de hidrogênio,
que através de um processo denominado de
quimiossíntese, bactérias especializadas criam
energia, formando o nível inicial da cadeia
alimentar desses ecossistemas, e do qual outros
animais são dependentes (Fig. 2).
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Figura 2. Elementos comparativos entre fotossíntese e quimiossintese. (Fonte WHOI). Fotossíntese: 1) Folhas
captam energia da luz solar; 2) Folhas tomam dióxido de carbono do ar; 3) Folhas utilizam água e
energia solar; 4) Folhas liberam oxigênio para o ar. Quimiossíntese: 1) Fluido hidrotermal oriundo
das emanações contem sulfeto de hidrogênio; 2) Micróbios viventes ao redor das emanações
absorvem o sulfeto de hidrogênio; 3) Os micróbios obtêm energia do sulfeto de hidrogênio, eles
utilizam essas energias e oxigênio para converter dióxido de carbono em açucares; 4) Os micróbios
liberam enxofre e água.
Campos hidrotermais presentes na cadeia
meso-oceânica, representam zonas onde os
processos assentados na crosta e manto superior
(falhamento,
derretimento,
circulação
hidrotermal) interagem com a coluna d’água
apresentando uma importante variabilidade
temporal tanto como integrante de um sistema
normal de evolução, como resultado de eventos
mais
drásticos
como
terremotos.
As
características físicas e químicas dos escapes
através das emanações hidrotermais representam
o resultado de uma complexa interação
rocha/água do mar em subsuperfície. De um
modo geral, as fontes hidrotermais estão
presentes em áreas com atividades tectônica que
no oceano Atlântico estão associadas a dorsal
meso oceânica. Formam ecossistemas que
independem da luz solar como fonte de energia
abrigando organismos adaptados a temperaturas
variáveis e potencialmente tóxico. Os produtores
são representados por uma grande variedade de
bactérias quimioautotróficas como produtores
primários.
Nestes locais, a presença de simbioses é
bastante intensa. Bactérias que vivem em células
periféricas como brânquias dos mexilhões,
transformam o CO2 em matéria orgânica. A
Riftia pode desenvolver comprimentos de até 3
m, não possuindo boca e nem aparelho digestivo
apresentando uma pluma cheia de sangue com
que capta o sulfeto hidrogênio, CO2 e oxigênio
que são transportados pelo sangue para uma
região do corpo onde vivem bilhões de bactérias
simbióticas que produzem compostos orgânicos
para sua alimentação até os simbiontes.
Comunidades hidrotermais de mar profundo
habitam a zona de interface, onde fluidos
redutores quentes se misturam com água fria
oxigenada gerando uma zona de mistura
altamente reativa produzindo a precipitação
mineral e amplos gradientes químicos
oferecendo uma variedade complexa e dinâmica
de “habitats” para organismos (Escartin et al.,
2005).
Existe um claro consenso na comunidade
científica sobre o valor das importantes funções
ecológicas exercidas pelos ecossistemas de mar
profundo, apesar do conhecimento limitado
existente sobre os mesmos. Áreas do fundo
marinho profundo especialmente vinculados a
emanações hidrotermais possuem características
peculiares de vida adaptada as condições
ambientais extremas aí encontradas.
O papel das fumarolas hidrotermais
sustentando comunidades de zooplanton
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Escapes Hidrotermais e Bioprospecção
demonstra a importância desses ecossistemas na
manutenção do ciclo global do carbono.
Devido a um crescimento geral no uso da
biodiversidade para finalidades comerciais
relativo ao aumento das atividades de
bioprospecção no meio marinho incluindo
extremófilas torna-se cadê vez mais crescente. O
advento do genoma e bioinformatica
estabeleceram fundamentos para novos acessos
na identificação de compostos úteis e o
desenvolvimento de novas drogas, produtos e
processos. Isto também facilita a pesquisa e o
desenvolvimento
comercial
de
recursos
genéticos do piso marinho profundo.
Vários compostos de organismos de mar
profundo foram isolados, patenteados e
desenvolvidos para aplicação comercial por
vários grupos farmacêuticos (Merk, Lily, Pfizer,
Laroche, Myeris, Squibb).
ASPECTOS LEGAIS
Muitas incertezas ainda circundam a
bioprospecção em mar profundo, tanto nos
aspectos da legislação nacional como
internacional. Tanto a Convenças das Nações
Unidas para o Direito do Mar – CNUDM, como
a Convenção sobre a Biodiversidade – CBD, não
fornecem uma estrutura clara sobre a mesma em
águas internacionais, resultando assim numa
atividade não regulamentada e por vezes
conflitante entre os vários níveis de interesse.
As áreas alvo para a indústria da
bioprospecção são igualmente importantes à
biodiversidade. Muitos dos minerais do piso
marinho são encontrados próximos a montes
submarinos e escapes hidrotermais que
sustentam importantes comunidades com alta
biodiversidade. Preocupada com esse aspecto a
International Seabed Authority – ISA (ONU)
regulamenta cuidados ambientais relativos ao
impacto que a atividade de mineração poderá
causar a região. Foram identificados pelo ISA
danos que podem ser causados a organismos
bentônicos desde o esmagamento dos mesmos
pelo veículo de mineração, o soterramento por
sedimentos e conseqüente redistribuição e
mudanças químicas e físicas na coluna d’água
tanto no içamento do material como na descarga
de resíduos do navio.
Os principais aspectos científicos, legais e
políticos da bioprospecção dos recursos de mar
profundo foram sintetizados por Arico & Salpin
(2005).
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Escapes hidrotermais são encontrados ao
longo das dorsais meso-oceânicas, onde o
magma das partes profundas emerge. Um escape
é formado quando a água do mar penetra a
crosta, é aquecida pelo magma e retorna ao
oceano através de escape de elevada temperatura
carregada de substâncias minerais. A
combinação da atividade magmática com a
efetiva intrusão da água do mar no piso marinho
devido ao falhamento tectônico é o que
determina a origem dos escapes. A água do mar
possui temperatura baixa (2ºC), alcalina (pH
7,8), oxidante com 2.678 ppm de SO4, sendo
deficiente em metais (< 0.06 ppm Fe; < 0,06
ppm Mn; 0,65 ppm Zn; 0,45 ppm Cu) e com
1.272 ppm Mg. Por sua vez o fluxo hidrotermal
é quente (350ºC), ácido (pH 3,5), redutor
apresentando 250 ppm H2S; rico em metais (80
ppm Fe; 49 ppm Mn, 6 ppm Zn, 2 ppm Cu) e
livre de Mg.
Escapes hidrotermais podem ocorrer também
em montes submarinos, onde o tipo de atividade
vulcânica e a interação entre a água oceânica e o
assoalho marinho permite a sua formação.
Em seus aspectos dinâmicos os escapes
hidrotermais representam feições singulares
tanto no ponto de vista geológico como
biológico. Processos hidrotermais controlam a
transferência de muita energia e substâncias do
interior da terra para sua crosta, hidrosfera e
biosfera.
Sua
compreensão
favorece
sobremaneira o conhecimento de sua influência
na temperatura oceânica, padrão de circulação,
química, biologia e até mesmo considerações
sobre a gênese e o desenvolvimento da vida na
terra (Yamagishi, 2004) (Fig. 3).
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Figura 3. Aspectos Dinâmicos dos Escapes Hidrotermais (modificado de Yamagishi, 2004).
Escapes hidrotermais se desenvolvem em
algumas zonas das dorsais meso-oceânicas.
Desde a primeira descoberta, em 1977, foram
identificados inúmeros escapes em todos os
oceanos. Nestas zonas das dorsais a tectônica de
placas fragmenta o piso oceânico e o magma
migra à superfície, causando erupções no piso
marinho. Devido à deformação das rochas, a
água do mar penetra até grandes profundidades e
é ejetada de volta à superfície enriquecida de
grandes quantidades de material dissolvido,
especialmente: sulfeto de hidrogênio (H2S),
vários sulfetos de minerais metálicos dióxido de
carbono (CO2) e metano (CH4). Dependendo da
pressão da ejeção e da temperatura ambiental
ocorre a cristalização dos sulfetos minerais em
forma de chaminés conhecidas por fumarolas
negras e brancas por sua coloração.
A variabilidade na descarga hidrotermal em
escala de tempo curta ou por décadas propicia a
evolução das comunidades de animais
associados com os escapes. O tempo de vida de
um escape individual varia de décadas a um
século.
Os organismos associados às zonas de
escape estão adaptados a gradientes de
temperaturas elevadas, baixas taxas de oxigênio
e concentrações tóxicas de enxofre, e metais
pesados. Bactérias quimio-autróficas formam a
base da cadeia alimentar, utilizando o sulfeto de
hidrogênio para estimular a produção de carbono
orgânico. No oceano Atlântico o camarão
Rimicaris exoculata (Fig. 4B) parece ser
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dependente de ectosimbiontes viventes em seus
tubos digestivos. Outros organismos como o
mexilhão Bathymodiolus azoricus (Fig. 4A) e os
tubos de vermes Ridgeia piscesae (Fig. 4C) são
igualmente adaptados em tais condições
ambientais, assim como outras espécies de
mexilhões (Fig. 4D).
“Lucky Strike” (Cristiansen, 2007) é um
campo de escapes hidrotermais localizado ao sul
do arquipélago dos Açores na dorsal mesoatlântica. Descoberto em 1993 representa a
maior área hidrotermal conhecida com 21
chaminés ativas ocupando 150 km². As
chaminés estão situadas a uma profundidade de
1.700 m ao redor de um lago de lava fóssil. A
temperatura da água superior a 300ºC é ejetada
pelos escapes. A fauna de mexilhões é bastante
densa
além
de
outras
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espécies
biogeograficamente distinta de outros escapes
presentes na dorsal meso-atlântica.
Outros escapes hidrotermais descobertos
foram denominados de Menez Gwen, em 1994,
de Rainbow, em 1997, de Saldanha, em 1998 e
de Ewan, em 2006. Todos localizados ao sul do
arquipélago dos Açores.
O aumento crescente no conhecimento
científico relativo ao piso marinho profundo,
incluindo as regiões sob jurisdições nacionais,
bem como aquelas situadas da área Internacional
dos Fundos Marinhos (Área) ordenada pela
International Seabed Authority (ISA), despertou
o interesse de muitas empresas (ex. Nautilus,
Neptune) na exploração dos recursos naturais
nele contido.
Sob esse prisma, o fundo marinho profundo
revelou-se promissor como fonte de metais
básicos e preciosos, através do estudo dos
nódulos polimetálicos, crostas cobaltíferas e
sulfetos polimetálicos. Tornou-se igualmente
importante para a biodiversidade e espécies raras
e recentemente descobertas. Nessa dualidade de
interesses, os impactos ambientais dessas
atividades ainda não totalmente pesquisados um
conhecimento científico adequado sobre eles,
torna-se necessário. Por outro lado, a legislação
é complexa ou ausente para muitas atividades
nas águas internacionais e um aumento nas
medidas de gerenciamento e legislação para
balancear a conservação ambiental e o
desenvolvimento econômico relativo à extração
de recursos torna-se necessária.
Todo o panorama discutido na presente nota
ocorre em locais de atividade tectônica que no
Atlântico encontra-se especialmente vinculada a
dorsal meso-atlântica. As fontes hidrotermais
presentes suportam ecossistemas independentes
da luz solar como fonte de energia. Os
organismos presentes são únicos e adaptados a
temperaturas elevadas e variadas em um
ambiente potencialmente tóxico, com presença
de variada gama de bactérias quimioautróficas.
O piso marinho do mar profundo abriga um
sistema de bio-geosfera complexo presente no
ambiente oceânico. Até o momento só uma
pequena parte dos processos interativos
presentes são conhecidos, sendo necessária a
construção de um suporte científico para estudo
integrado dos processos físicos, geológicos,
químicos, biológicos e microbianos operantes,
para uma melhor compreensão desse importante
ambiente.
Grandes quantidades de calor e massa
química são transferidas do interior para a
superfície da Terra, através dos escapes
hidrotermais do mar controlada em parte por
esse
processo.
Esses
locais
abrigam
ecossistemas extraordinários cuja fonte de
energia não é o sol. Por sua vez as formas de
vida que suportam a cadeia alimentar junto aos
escapes hidrotermais do mar profundo também
participam da formação dos minerais que
constroem a estrutura das chaminés de sulfetos.
A compreensão do processo de formação
bioquímica de minerais, irá auxiliar no
entendimento da formação de minérios em geral.
Concluindo, podemos afirmar que as
emanações hidrotermais com seus depósitos de
sulfetos promovem um ambiente repleto por
uma variedade de vida animal desconhecida
anteriormente para a ciência.
Dissemelhante de todas as outras formas de
vida, que dependem direta e indiretamente da
luz solar e da fotossíntese para sua energia, a
comunidade vinculada às emanações, prospera
na ausência da luz, em água quente difusa com
sulfeto de hidrogênio, um produto químico
altamente letal para a maioria dos outros
animais.
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Figura 4. Principais componentes do ambiente de Escapes Hidrotermais na dorsal meso-atlântica.
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