Lignin: How a single mutation lit the spark of the industrial revolution

A Carboniferous forest depicting Meganeura, Image Source: Field Museum

What do giant insects, trees, and the industrial revolution have in common? All three are part of a 360 million-year-old domino effect that can be traced to a single mutation in the plants' genome, the biosynthesis of lignin.

Lignin is a class of complex organic polymers found in plants, and it's a key player in the formation of cell walls, especially in wood and bark, lending rigidity to the plant's stem and making it so that trees can grow large.

Before lignin was first synthesized, terrestrial plants couldn't grow much larger than a bush. If you found yourself walking through the continents of the Devonian 400 million years ago you would be immersed in a truly alien environment.

Instead of trees, you'd find small bushes made out of ferns, horsetails, and seed plants, with no flowers in sight. Earth would still have to wait 270 million years to see the first flower bloom. 

But what would possibly first catch your eye would be the 8-meter (26 ft) tall and 1-meter (3 ft) wide giant fungi.

The forests of the Devonian were more akin to the Mushroom Kingdom from the Super Mario games, with plants playing second fiddle to giant mushrooms.

This would all change by the beginning of the Carboniferous, 360 million years ago. A single mutation led plants to synthesize lignin. With this polymer plants were finally able to outgrow the fungi in whose shadow they stood for millions of years.

Thanks to lignin and to the absence of natural predators - although insects were already abound, vertebrates were still making their first steps onto land - trees were free to grow as large as they could, with some species growing as tall as a 10-story building with an average height of 30 meters (98 ft).

And since lignin was the new kid on the block fungi, which usually are responsible for degrading organic matter and turning it into nutrients, didn't actually know how to degrade lignin. This meant that if a tree were to fall its trunk would just lay on the ground.

So, for about 60 million years trees spread around the globe leaving their trunks on the forest ground to be buried by sediment. Time and the pressure of the Earth's crust turned this ancient wood into coal. The very same coal that was used to power the industrial revolution and that some countries still use today to produce electricity.

This was all possible due to the evolution of lignin and the fungi's inability to degrade it.

With so many trees around the oxygen levels in our atmosphere skyrocketed. Experts estimate that during the carboniferous atmospheric oxygen levels peaked around 35 percent, compared with 21 percent today.

This was good news for a particular group of animals: invertebrates. Today the largest invertebrate found on land is the coconut crab weighing about 4 kg (9 lbs), and with a leg span exceeding 1 meter (3 ft). But most other invertebrates that you may find in your backyard, be they insects or arthropods, usually aren't bigger than a few inches long.

Insects and other invertebrates can't grow any larger today because, well, because they don't have lungs and wouldn't be able to get enough oxygen.

Instead, insects have tiny tubes called tracheae that are distributed around their body. The air travels through these tubes by diffusion, a process that slows down the longer the tube is. This means that if these tubes are longer than 1 cm (0,4 in) the insect runs the risk of not being able to bring oxygen to its organs on time. Which is not ideal.

However, since oxygen levels in the carboniferous were almost double what they are today, this meant that insects could grow large. And I mean very large.

The stuff of nightmares

Have you ever had a dream where you're being chased by two-meter-long millipedes, dragonflies the size of your face, or scorpions larger than a medium-size dog?

If your answer is yes, you probably dosed off while watching a documentary on the insects of the carboniferous.

From Meganeura, an extinct order of insects similar to dragonflies but with a wingspan of over 60 cm (2 ft), to Arthropleura, a two-meter long millipede, and Pulmonoscorpius, a 70 cm (2,3 ft) scorpion, many species of large insects ruled the land from 360 to 300 million years ago.

And all this was possible due to a single mutation that made plants able to synthesize lignin.

Eventually, fungi did develop ways to degrade lignin using enzymes, such as peroxidase, which reduced the amount of wood left lying on the forest floor, as well as the number of trees. Lowering atmospheric oxygen levels closer to the ones we have today and leaving insects unable to grow larger than your garden variety grasshopper.

Arthropleura (left) and Meganeura (right), Image Source: DR

A Domino Effect 360 million years in the making

This single mutation led to a domino effect that dethroned the giant fungi that once ruled over the continents of the Devonian, and gave rise to the evolution of trees. This made the oxygen levels go up, and the insects grew along with them, finally leading to the fossilization of an immense amount of wood that would in time become the coal that humans used to power the steam engines that revolutionized the workforce in the 19th century.

We have lignin to thank for all this and for the extraordinary ecosystems that have evolved to be reliant on trees for nutrients, shelter, and shade.

Without it, our ancestors might've had a rough time finding a branch to swing on to.

What is a Dimetrodon and why it’s wrong to call it a Dinosaur?

Dimetrodon DR

If you search through your old toy chest that your parents were careful enough to save, you might find among your dinosaur toys a small lizard-like animal with a sail on its back and a menacing grin.

This animal is called a Dimetrodon and it’s not a Dinosaur. In fact, it’s more closely related to us than it is to a T. rex or a Triceratops.

Then why do so many people confuse it with a Dinosaur? As with many misconceptions in the World of paleontology, this one has its roots in popular media, with the latest installment of the Jurassic Park franchise, Jurassic World Dominion, being the latest in a long list of movies and TV series showing this animal living alongside dinosaurs and pterosaurs (which are also not dinosaurs, but we’ll get into that in another article).

Dimetrodon was part of a group of animals called the synapsids, with its fossils being found all over the northern hemisphere from the US to Germany. Dimetrodon actually predates the dinosaurs by over 40 million years. It lived in the Permian period from 295 to 272 million years ago, going extinct even before the Great Dying, a massive extinction-level event that wiped out 90% of all life on Earth, marking the end of the Permian period and the beginning of the Triassic, 252 million years ago.

Synapsids are one of the two major groups of animals that evolved from basal amniotes, a clade of tetrapod (meaning four-legged) animals that comprise both the synapsids (mammals and their relatives) and the sauropsids (reptiles, dinosaurs, and birds).

One of the main characteristics that distinguish synapsids from other animals is that they have a temporal fenestra, an opening low in the skull roof behind each eye, leaving a bony arch beneath them. Paleontologists believe this distinctive trait developed around 318 million years ago during the late Carboniferous period when synapsids and sauropsids diverged.

(A little side note, it’s from the Carboniferous period that most of the coal used to power the industrial revolution came from. A topic for another day)

And Dimetrodon fossils have this distinct trait, making them not necessarily a mammal ancestor, but a close relative to us and to all other mammal species alive today.

Dimetrodon is actually a genus name comprising about 13 known species, the largest of which was Dimetrodon angelensis, growing to around 4 m (13 ft) in length, and the smallest being Dimetrodon teutonis with only 60 cm (24 in).

Fossils of Dimetrodon are known from the United States (Texas, Oklahoma, New Mexico, Arizona, Utah, and Ohio) and Germany, areas that were part of the supercontinent Euramerica during the Early Permian. Almost all fossils of Dimetrodon found in the US have come from three geological groups in north-central Texas and south-central Oklahoma: the Clear Fork Group, the Wichita Group, and the Pease River Group.

Most fossil finds are part of lowland ecosystems which, during the Permian, would have been vast wetlands. It lived alongside amphibians like Archeria, Diplocaulus, Eryops, and Trimerorhachis, the reptiliomorph Seymouria, the reptile Captorhinus, and the synapsids Ophiacodon and Edaphosaurus (a sailed-back herbivore).

Besides Dimetrodon, Jurassic World Dominion also features another synapsid, the Lystrosaurus. This little guy – full-grown adults reached around 1 meter (3 ft) in length – was actually one of the few lucky species to survive the Great Dying.

Lystrosaurus animatronic from the set of Jurassic World Dominion

It is found all over the world from Antarctica to South Africa and China, and its fossils were used to prove the theory of continental drift that led us to better understand plate tectonics and to recreate the supercontinent of Pangaea.

Lystrosaurus is an extinct member of herbivorous dicynodont therapsids. Therapsids are a group that includes true mammals, and dicynodonts were a family of therapsids that had a pair of tusk-like canines that serve as a tell-tale characteristic for Lystrosaurus.

It is also possible that these were amongst the first mammal-like animals to give birth to live young, although this hypothesis is only supported by the fact we have yet to find any evidence of Lystrosaurus’ eggs.

Although this animal actually lived in the Triassic it was still separated from the first dinosaur by about 20 million years. It did, however, most likely share its environment with the first dinosauromorphs, the group that would later give rise to the Dinosaurs that we all know and love.

To summarize, Dimetrodon and Lystrosaurus are a part of our own evolutionary history, albeit far in the distant past. They may not have been dinosaurs but that didn’t stop them from making their mark on our planet’s history.     

And although one cannot shake the fact that Dinosaurs dominate our collective imagination and our media landscape, we should also be aware of the amazing animals that lived long before their rise.

Janela de Overton e Efeito Ratchet

Imagem DR

Existem dois termos que todos os eleitores deviam conhecer antes de exercer o seu direito de voto, a janela de Overton e o efeito Ratchet (Overton Window e Ratchet Effect em inglês).

A janela de Overton é um conceito que se refere a um conjunto de temas que são, na sua maioria, aceites pela generalidade da população. Os temas que estão dentro da janela de Overton representam aquilo que é aceite como o status quo da sociedade, ou seja, os direitos e os deveres básicos que tomamos como garantido no nosso dia-a-dia.

Por exemplo, em Portugal podemos encontrar dentro da janela de Overton temas como a escola pública, o serviço nacional de saúde, o direito à vida, ou a liberdade de expressão e de associação. Contudo, a janela de Overton não é um espaço estanque. Ela pode ser movida ou ampliada para a esquerda ou para a direita do espectro político através da educação, da propaganda ou, até mesmo, da manipulação da opinião pública.

Nos anos 90 temas como o aborto, a eutanásia, o casamento homossexual, ou até mesmo a liberalização do consumo de drogas eram temas tabu, radicais e firmemente fora da janela de Overton. Felizmente, através da educação da população foi possível nas últimas décadas reverter esta situação e permitir que a opinião pública, na sua generalidade, aceitasse a inclusão destes temas na janela de Overton.

Hoje em dia seria impensável um partido dito moderado posicionar-se contra o aborto ou contra os direitos da comunidade LGBTQIA+. Temas que há trinta anos estavam fora do debate político hoje são direitos garantidos a todos os cidadãos.

Actualmente fora da janela de Overton podemos encontrar assuntos como a legalização das drogas leves e da prostituição, o rendimento básico incondicional, e o investimento em energia nuclear, à esquerda, e a liberalização do mercado e o corte de impostos, à direita.

Os partidos fora do bloco central têm como missão fazer lobby, propaganda e educar a população para que estes ou outros temas de seu interesse possam ser incluídos na janela de Overton.

Nos EUA, por exemplo, hoje em dia há um esforço enorme do partido democrata para incluir temas como o acesso universal a cuidados de saúde, o aumento do salário mínimo e a melhoria dos direitos dos trabalhadores na janela de Overton da opinião pública norte-americana. Enquanto o partido republicano esforça-se para remover da janela de Overton temas como o aborto ou os direitos das pessoas transgénero.

A janela de Overton é no fundo um conceito que retrata a fluidez da opinião pública e como esta pode ser alterada, para o bem e para o mal, através da acção dos diferentes actores políticos.

O efeito ratchet é um conceito um pouco mais complexo que procura explicar a dificuldade que certos países têm em mover a sua janela de Overton.

Imaginemos uma engrenagem que roda numa única direcção. Esta engrenagem tem uma peça que a impede de rodar na direcção oposta.

Voltando ao exemplo dos EUA. Durante a presidência de Donald Trump duas posições do Supremo Tribunal norte-americano ficaram disponíveis. Neste país estas posições são vitalícias e os juízes do supremo apenas abandonam o cargo após morte ou doença severa.

Donald Trump e o partido republicano aproveitaram esta oportunidade para colocar dois juízes conservadores com visões anti-aborto, anti-sindicais, anti-feministas e anti-LGBTQIA+ no lugar. Com a agravante de se tratarem de duas pessoas jovens que dificilmente sairão do lugar nos próximos vinte a trinta anos.

Isto significa que um executivo que apenas durou quatro anos conseguiu em tão pouco tempo ditar o futuro das principais decisões políticas do país para as próximas décadas, travando qualquer hipótese de reverter a engrenagem numa direcção progressista e favorável aos direitos das mulheres, dos trabalhadores e da comunidade LGBTQIA+.

Em Portugal o efeito ratchet é visível por exemplo nas políticas da troika impostas pelo governo de Passos Coelho que mesmo após seis anos de governo de António Costa ainda não foram revertidas, como o congelamento das carreiras dos funcionários públicos, o pagamento de horas extra, e a contratação colectiva.

O efeito ratchet é visível, em particular, nos partidos ao centro, pois estes sentem-se confortáveis em manter o status quo. Ao fazerem-no promovem a sua própria estabilidade governativa e garantem o apoio dos parceiros sociais mesmo que isso não seja do interesse da população em geral.

O bloco central promove assim o reforço da peça que impede a engrenagem de rodar no sentido oposto.

Com estes dois conceitos em mente torna-se mais fácil perceber os movimentos políticos de ambos os lados do espectro, permitindo uma escolha mais acertada do eleitor no momento do voto.

Quando somos convidados a votar devemos olhar para o estado do país e questionar que rumo queremos para o mesmo. Será que o meu voto vai puxar a janela de Overton na direcção correcta? Ou será que estarei apenas a promover um efeito ratchet que irá impedir o progresso e as reformas necessárias?

As Terras do Meu Verão

 

Foto: Arte Urbana (Lisboa); Autor: Adriano Cerqueira

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O Regresso da Véspera da Véspera de Natal Parte XV

365 dias, 252 entrevistas, 90 Segundos de Ciência, 26 Bilharacos, COVID-19, 3 meses de confinamento, setecentos “Porque Flutuam os Meus Cereais” vendidos, um título de campeão nacional e 0 pencas depois, sejam bem-vindos a mais um episódio do Regresso da Véspera da Véspera de Natal, a tradição anual mais aguardada pelos fiéis seguidores da Igreja Universal do Sagrado Chinelo, e por todos aqueles cujo ódio a pencas os une neste santo dia, preferencialmente após teste PCR ou antigénio negativo.

Fernão, o de Magalhães, estava com a Menina do Gás, a Toalha de Eusébio, e Fernando Pessoa e os seus Heterónimos, a circum-navegar a terra desconhecida chamada Brasil. Numa noite de céu aberto, já depois de Jesus, o Cristo ter adormecido, ora nas palhas deitado, ora nas palhas estendido, Fernão subiu ao convés da sua nau para observar o céu com o seu telescópio.

Por entre as estrelas e os planetas um objecto estranho parecia aproximar-se a uma velocidade estonteante. Dando uso ao seu ábaco, já que a bateria do seu Xiaomi Note 10 há muito se tinha esgotado, “Raisparta o Mindo que se esqueceu do power bank”, pensou.

“Isso é subjectivo”, ouviu-se ao fundo como um suspiro na noite.

Como estava a dizer. Dando uso ao seu ábaco, e depois de fazer a prova dos nove pelo menos três vezes, Fernão correu para a cabine, sacou do seu Nokia 3310 e ligou para D. Marcelo, o Afecto, primeiro de seu nome.

“Boa noite Fernão, estava mesmo agora a beber o meu iogurte das 3 da manhã enquanto terminava um livro sobre a plantação de chícharo em Alvaiázere”, atendeu.

“Desculpe interromper o seu Actimel mas isto é urgente. Um asteróide do tamanho de Odemira está em rota de colisão com a Terra!”, alerta Fernão.

“Da vila ou do concelho?”

“Ambos!”

“O meu Pessegueiro!”, grita Marcelo de sobressalto.

Alertado para o perigo iminente, D. Marcelo, o Afecto chama por Vasco, o da Gama para reunir toda a gente de urgência na base secreta do Tortosendo.

“Toda a gente?”

“Sim, especialmente alguém que saiba perfurar pedra e que não esteja de qualquer forma preparado para uma viagem espacial!”

Vasco, o da Gama, consegue encontrar Pedro, o Álvares Cabral, Peyroteo, Eusébio, – sem a sua toalha ainda em viagem com Fernão, o de Magalhães, a Menina do Gás e Fernando Pessoa e os seus Heterónimos – Jesus, o Cristo, Jesus, o Jorge, Jorge, o Palma, o Bruce Willis por algum motivo, e sim, até o Mindo.

Chegados à base secreta de Tortosendo a comitiva de heróis é recebida por Capitão Iglo, o primeiro tugonauta português.

“O que se passa? Encontraram bacalhau em Neptuno?”, pergunta Pedro, o Álvares Cabral.

Depois de D. Marcelo com Fernão, o de Magalhães, em telechamada, explicarem o que se estava a passar, caiu um ar de desespero no resto da comitiva.

“Não desanimem, temos um plano para resolver esta situação”.

D. Marcelo, o Afecto, carrega num botão e nas suas costas as paredes começam a mexer-se, revelando aquilo que apenas podia ser descrito como uma Nau em cima de três foguetões.

“Apresento-vos a nossa Nau espacial”

“Não quer dizer nave espacial?”, questiona o Capitão Iglo.

“Não! É uma Nau espacial, construída com a melhor madeira do pinhal de Leiria”, assegura D. Marcelo, o Afecto.

“Não há tempo para discussões de semântica, temos apenas dois dias para travar este asteróide”, alerta Fernão, o de Magalhães em videochamada a partir do seu Nokia 3310.

O Capitão Iglo junta a equipa numa sala para explicar a missão.

“Vamos juntar-nos aos Ena Pá 2000, que já estão na Lua, para reabastecer, e depois vamos aterrar directamente no asteróide. Teremos quatro horas para fazer um furo de 200 metros e depositar esta bomba nuclear. Se o sistema falhar um de nós terá que ficar lá para detonar a bomba, entendido?”

“Isto parece estranhamente familiar”, murmura Bruce Willis.

O Capitão Iglo, Vasco, o da Gama, Pedro, o Álvares Cabral, Peyroteo, Eusébio, ainda sem a sua toalha, Jesus, o Cristo, Jesus, o Jorge, Jorge, o Palma, Bruce Willis, Mindo e Bernardo Soares que entretanto apanhou um voo da TAP da terra desconhecida chamada Brasil e ainda chegou a tempo de apanhar a Nau espacial, embarcaram naquela que podia ser a sua última viagem.

A Nau descolou a toda a velocidade ao som de Aerosmith.

Depois de reabastecerem com os Ena Pá 2000 e se passearem pela Lua, todos nus só com um véu, a Nau aterrou de sobressalto na superfície do asteróide.

Cada um saca de uma pá e começa a escavar enquanto o Mindo aparenta brincar com uns ímanes.

As horas vão passando e o buraco não está sequer perto dos 200 metros necessários para salvar o Pessegueiro de D. Marcelo, o Afecto.

Mindo aparece com uma broca mecânica feita com metais que os ímanes dele encontraram por ali.

A 10 minutos da hora limite finalmente conseguem atingir a profundidade necessária.

Depois de colocarem a bomba, Peyroteo verificou que se esqueceram de trazer o comando para a activar. Bruce Willis voluntaria-se para ficar para trás mas é interrompido por Mindo.

“Não. Agora é a hora para eu brilhar!”

“Mas Mindo, precisamos de ti para descobrir a terra desconhecida chamada Brasil”, suplica Vasca, o da Gama.

“Isso é subjectivo”, diz Mindo, pedindo aos outros para entrarem na Nau e regressarem para a Terra.

Após a Nau levantar voo, Mindo suspira por uma última vez, recordando todos os ímanes que viu colarem-se entre as suas mãos e carregou no botão.

À distância, Capitão Iglo, Vasco, o da Gama, Pedro, o Álvares Cabral, Peyroteo, Eusébio, Jesus, o Cristo, Jesus, o Jorge, Jorge, o Palma, Bruce Willis e Bernardo Soares, observam com um sentimento agridoce o asteróide a dividir-se em dois.

O dia estava salvo, mas não sem um grande custo para estes heróis.

A Nau regressou à Terra mais uma vez ao som de Aerosmith e foi recebida por D. Marcelo, o Afecto, Fernão, o de Magalhães, a Menina do Gás, a Toalha de Eusébio e Fernando Pessoa, e os seus heterónimos, à excepção de Bernardo Soares que se encontrava na Nau.

A multidão celebrava efusivamente o regresso daqueles que conseguiram salvar o Pessegueiro de D. Marcelo, o Afecto.

“Em Odemira será erguida uma estátua em honra de Mindo, que se sacrificou por nós e pelo meu Pessegueiro. Na placa estará escrito ‘isso é subjectivo’, e a mesma será colada por ímanes”, promete D. Marcelo, sob uma onda de aplausos.

E assim chega ao fim mais uma épica história que celebra o dia mais aguardado ao longo de todo o ano. Dediquem estas horas a espalhar pelo Mundo as palavras de felicidade que só um dia como o 23 consegue transmitir, e relembrem o sacrifício que Mindo fez por todos nós e pelo Pessegueiro de D. Marcelo.

Pois hoje é a Véspera da Véspera de Natal, dêem as mãos e cantem todos comigo:

Morram pencas, morram! Pim!