Entre 1,8 bilhão e 800 milhões de anos atrás, a vida terrestre estava em crise. Durante esse período, chamado de "bilhão chato", a complexidade da vida permaneceu mínima, dominada por organismos unicelulares com apenas empreendimentos esporádicos em formas multicelulares. Essa era preparou o cenário para o surgimento posterior da vida multicelular complexa, marcando um capítulo-chave na história evolutiva.

Em um novo estudo, o pesquisador da Arizona State University Michael Lynch explora as demandas substanciais de energia necessárias para manter e evoluir a vida multicelular. O estudo, usando a pulga d'água Daphnia como organismo modelo , revela que organismos multicelulares requerem significativamente mais energia do que os unicelulares. Na verdade, estudos mostram que esses organismos requerem um aumento de mais de dez vezes na energia em comparação com protistas — organismos mais simples, principalmente unicelulares.

As descobertas destacam como a respiração e outros processos metabólicos são cruciais para o desenvolvimento de organismos avançados, lançando luz sobre as condições necessárias para sustentar a abundância de vida complexa que nos cerca hoje. Além disso, o estudo enfatiza processos biológicos fundamentais que provavelmente serão relevantes em qualquer forma de vida baseada em carbono e que respire oxigênio, independentemente de sua origem planetária.

"Ninguém duvida que a multicelularidade pode trazer vantagens substanciais à mesa, mas o privilégio de obter tais benefícios tem um alto custo de investimento", diz Lynch, professor da Escola de Ciências da Vida da ASU que também dirige o Centro de Biodesign para Mecanismos de Evolução da ASU. A pesquisa aparece na edição atual do Proceedings of the National Academy of Sciences .

Todo organismo, de uma bactéria unicelular a um humano, depende de energia para sobreviver. Organismos unicelulares precisam de relativamente pouca energia para crescer e se reproduzir, pois não têm tecidos e sistemas complexos. Mas organismos multicelulares — organismos feitos de muitas células, como plantas, animais e fungos — precisam de significativamente mais energia para sustentar estruturas adicionais, como tecidos que ajudam as células a se comunicarem e se unirem.

Esse salto nas necessidades energéticas decorre da evolução de estruturas que não contribuem diretamente para o crescimento ou reprodução, mas são essenciais para a vida multicelular. Essas características permitiram que os organismos se tornassem maiores e mais versáteis, mas também aumentam o custo energético de simplesmente estar vivo.

Uma maneira de entender as demandas de energia da vida multicelular é examinar a ATP sintase, uma máquina molecular em células que produz ATP, a moeda universal de energia na biologia. Organismos multicelulares dependem fortemente da ATP sintase porque cada célula em um corpo multicelular precisa pagar por energia, e o custo da energia cresce com o número de células.

Para cada unidade de sua massa corporal, esses organismos requerem de 30 a 50 vezes mais oxigênio do que os protistas. Esse oxigênio extra suporta suas complexas necessidades de comunicação celular e manutenção de tecidos. O uso de Daphnia permite que os pesquisadores examinem de perto essas dinâmicas energéticas devido à sua relativa simplicidade entre organismos multicelulares e sua facilidade de cultivo em um ambiente de laboratório.

Enquanto organismos unicelulares maiores, como algumas amebas, se tornam mais eficientes à medida que crescem, organismos multicelulares requerem mais energia por unidade de biomassa à medida que aumentam de tamanho. Essa diferença destaca os desafios únicos introduzidos pela multicelularidade durante a evolução. O crescimento de tecidos e o desenvolvimento de sistemas para dar suporte a funções multicelulares demandam mais ATP — levando a um "limite de velocidade" metabólico sobre a rapidez com que esses organismos podem crescer e amadurecer.

Por que a multicelularidade evoluiu, dados os altos custos de energia? A resposta pode estar nas vantagens evolutivas que a vida multicelular fornece, incluindo a capacidade de consumir organismos unicelulares em grandes quantidades, evitar predadores e habitar ambientes diversos. Mas esse estilo de vida veio com um preço: um alto custo de energia de base que os organismos devem constantemente atender para sobreviver.

Embora as demandas de energia da vida multicelular sejam substanciais, esses custos são equilibrados pelos benefícios de sobrevivência. Metazoários que conseguiram atender a essas necessidades de energia encontraram maior sucesso evolutivo, moldando os ecossistemas complexos que vemos hoje. No entanto, esse estilo de vida de alta energia também coloca limites sobre a rapidez com que os organismos podem crescer e se reproduzir, influenciando a forma e a vida útil de espécies multicelulares em toda a árvore da vida.

Este estudo se concentra em organismos semelhantes a animais, com respiração aeróbica. Para entender completamente os custos de energia da complexidade, os pesquisadores planejam estender essas descobertas a outras formas de vida, incluindo plantas e fungos, que podem ter estratégias de energia únicas. A pesquisa oferece pistas adicionais para entender por que as formas de vida multicelulares levaram um tempo considerável para aparecer e se diversificar na Terra.

Insights sobre as altas demandas de energia da vida multicelular sugerem que as restrições da bioenergia podem ser um fenômeno universal. Os princípios de conversão e consumo de energia, como o papel da ATP sintase e seus custos de energia são processos biológicos essenciais. Eles provavelmente são aplicáveis a qualquer vida baseada em carbono e que respire oxigênio, não importa onde ela exista no universo.