Biodiversidade e Astrobiologia

Amancio Friaça2010

Astrobiologia

O que é Astrobiologia?• A consideração da vida no universo em outras partes

além da Terra (Laurence Lafleur 1941)

• The study of the living universe (NASA Astrobiology Institute [NAI] 1995)

• O estudo da “vida no contexto cósmico”(disciplina AGA0316 oferecida pelo IAG-USP)

• O estudo multidisciplinar da origem, evolução, distribuição e destino da vida no Universo

• Atualmente,a astrobiologia incluiu o estudo da vida na Terra

What is life?

How did life begin on Earth?

How has life evolved? How will it continue?

Is there life elsewhere? Where should we look for it?

Astrobiology(A Transdisciplinary Enterprise)

•Astronomy/Astrophysics•Biochemistry/Chemistry•Geology/Geophysics• Planetary Sciences • Ecology/Complexity Sciences•Evolution/Theoretical Biology•Microbiology/Molecular Biology•Oceanography/Meteorology•Physics/Information Theory•Nanosciences/Synthetic Biology

A Vida no Contexto Cósmico

(disciplina AGA 0316 do IAG-USP)

Criando a partir do Big Bang Disciplinar

Composição de cursos AGA 0316 (2009)

População: 108 alunos

PAINEL “Astrobiologia e Biodiversidade” (IAG-USP, 2/3/2010)

A Vida no Universo:As Grandes Questões

1. Quem somos?

2. De onde viemos?

3. Estamos sós?

4. Para onde vamos?

Questões Fundamentaisem Astrobiologia(NAI Roadmap)

1. Como a vida se originou e evoluiu?

2. Existe vida em outras partes do Universo?

3. Qual será o futuro da vida na Terra e além?

Questões vetores• O que é a vida?

– uma questão além da biologia comum– subjetividade e definibilidade

• Como seria a vida fora da Terra?– a vida como nós não conhecemos

• Como detectar a vida fora da Terra?– Explorações in situ– Criptoecosistemas– Exomicropaleontologia– Bioassinaturas– Ecocatastrofes– Síndrome Gaia

Eixos de pesquisa astrobiológica • História da complexidade cósmica

• Universo molecular

• Habitabilidade

• Sistema Solar

• Exoplanetas

• Extremófilos

• Origens da vida

• Bioassinaturas

• Evolução das biosferas

• Ação humana na Terra e além

Bioassinaturas

SIGA A VIDA• Siga a água• Siga o carbono• Siga o nitrogênio• Siga o fósforo• Siga a energia• Siga a entropia• Siga a informação• Siga o significado

How Will We Know A Planet Supports Life?

Look for evidence of oxygen

Look for liquid water

Analyze the reflected light from the planet to see if the planet has an atmosphere

Look for signs of biological activity (methane)

And Rule Out Other Explanations?

17

Possibility of remote detection of lifeExplore the contrast star/planet in thermal IR (Des Marais et al. 2002, Segura et al. 2003)

> 106

Porto de Melo et al., Astrobiology, 2006

CO2

15 μm

O3

9.6 μm

CH4

7.7 μm

H2O

6.3 μm +

12 μm band

Window at 8-12 μ m: Tsurface

NIMS Data (from Galileo)

Sagan et al. (1993)* *But credit Toby Owen for pointing this out (1980)

(‘A’ band)

NIMS data inthe near-IR

Sagan et al. (1993)*

• Simultaneous presence of O2 and a reduced gas (CH4 or N2O) is the best evidence for life

*Credit Joshua Lederburg and James Lovelock for the idea (1964)

Thermal IRspectra

Source:R. Hanel, Goddard Space Flight Center

Reasons for habitability on Earth1) Liquid water allowed microbes to originate and evolve

2) Moon prevents against chaos in Earth´s rotation axis

3) Plate tectonics replenishes CO2 for life to persist

4) A magnetic field protects from solar wind

5) Evolution of the Atmosphere➔ Microbes made O

2, CH

4 CH

4 then O

2 dominated

➔ Ozone layer formed at ~ 2.3 Gy➔ Simple algae, fungi developed

➔ More O2 and animals at 0.6 Gy

➔ Modern humans at 2 My (1/3 of the O2 goes to the brain)

➔ Mankind returns CO2 and increases the greenhouse effect

Questões Fundamentaisem Astrobiologia(NAI Roadmap)

1. Como a vida se originou e evoluiu?

2. Existe vida em outras partes do Universo?

3. Qual será o futuro da vida na Terra e além?

Eixos de pesquisa astrobiológica • História da complexidade cósmica

• Universo molecular

• Habitabilidade

• Sistema Solar

• Exoplanetas

• Extremófilos

• Origens da vida

• Bioassinaturas

• Evolução das biosferas

• Ação humana na Terra e além

Ação Humana na Terra e além

AntropocenoPoluição e Contaminação extraterrestesGeoengenhariaTerraformaçãoAstroengenharia (Macroengenharia)

Os Dois Grandes Atores: I- Cianobactérias

Os Dois Grandes Atores: II- Homo SapiensOs Dois Grandes Atores: II- Homo SapiensOs Dois Grandes Atores: II- Homo Sapiens

A Grande Muralha

Teoria de Gaia

Composition of the Atmosphere

Air is composed of a mixture of gases:

Gas concentration (%)

N2 78O2 21Ar 0.9H2O variableCO2 0.037 370 ppmCH4 1.7N2O 0.3O3 1.0 to 0.01

(stratosphere-surface)

greenhousegases

James Lovelock

Nature, 426, 770-771 (2003)

Stellar habitable zone

R

Main assumptions: Surface H2O for ~ Gyear, geological activity, CO2-H2O-N2 atmosphere, B-field, climate stability, resistance to catastrophes for ~ Gyear

CLAW

Aquecimento Global

Evolução das Biosferas

• Evolução da Complexidade • Sistemas de auto-regulação

– papel da biodiversidade• Diversificação latitudinal e altitudinal• Estados Estáveis• Transições abruptas

– extinções em massa• Impacto humano na biosfera

Evolução da Complexidade

na Terra

Extinções em MassaCausas Astronômicas

(L. & W. Alvarez 1980)

Dimensões da Biodiversidade

• Genes

• Espécies

• Níveis de organização (populações, comunidades, ecossistemas, biomas)

A ação humana tem sido no sentido de apagar as bioassinaturas:

• Aumentando o CO2

• Destruindo o O3

• Esgotando a água doce• Desestabilizando ciclos de feedback negativo que

mantêm estados fora do equilíbrio termodinâmico• Liquidando a biodiversidade

Necessidade de uma nova agenda regulando a ação humana na Terra

• Economia Ecológica

• Teoria da Resiliência

• Antropobiogeoquímica

Sistema da Biodiversidade • Redundância• Não-linearidade• Encadeamento causal longo• Interdependência entre espécies e níveis de organização

ecológica• Fluxos de energia e matéria• Corredores de biodiversidade• Táxons lázaros e refúgios

São Paulo, sábado, 30 de outubro de 2010 Países alcançam acordo da biodiversidadeApós 18 anos negociando, eles assinam o Protocolo de Nagoya, considerado maior pacto ambiental desde Kyoto

Novo tratado garante a soberania dos países sobre os seus recursos genéticos; Brasil é visto como grande vitorioso

Yurijo Nakao/Reuters Trio de representantes da União Europeia (no centro) comemora o fim da conferência, com um acordo entre os países em desenvolvimento e os ricos 

Em 1957, um objeto terrestre, feito pela mão do homem, foi lançado ao universo, onde durante algumas semanas girou em torno da Terra segundo as mesmas leis de gravitação que governam o movimento dos corpos celestes - o Sol, a Lua e as estrelas. É verdade que o satélite artificial não era lua nem estrela; não era um corpo celeste que pudesse prosseguir em sua órbita circular por um período de tempo que para nós, mortais limitados ao tempo da Terra, durasse uma eternidade. Ainda assim, pode permanecer nos céus durante algum tempo; e lá ficou, movendo-se no convívio dos astros como se estes o houvessem provisoriamente admitido em sua sublime companhia.

Sputink (lançado em 4/10/1957)

Este evento, que em importância ultrapassa todos os outros, até mesmo a desintegração do átomo, teria sido saudado com a mais pura alegria não fossem as suas incômodas circunstâncias militares e políticas. O curioso, porém, é que essa alegria não foi triunfal; o que encheu o coração dos homens que, agora, ao erguer os olhos para os céus, podiam contemplar uma de suas obras, não foi orgulho nem assombro ante a enormidade da força e da proficiência humanas. A reação imediata, expressa espontaneamente, foi alívio ante o primeiro “passo para libertar o homem de sua prisão na terra”. E essa estranha declaração, longe de ter sido o lapso acidental de algum repórter norte-americano, refletia, sem o saber, as extraordinárias palavras gravadas há mais de vinte anos no obelisco fúnebre de um dos grandes cientistas da Rússia: “A humanidade não permanecerá para sempre presa à terra”. Há já algum tempo este tipo de sentimento vem-se tornando comum; e mostra que, em toda parte, os homens não tardam a adaptar-se às descobertas da ciência e aos feitos da técnica, mas, ao contrário, estão décadas à sua frente. Neste caso, como em outros, a ciência apenas realizou e afirmou aquilo que os homens haviam antecipado em sonhos - sonhos que não eram loucos nem ociosos.

HANNAH ARENDTA CONDIÇÃO HUMANA (PRÓLOGO) (1958)

Hannah Arendt (1906-1975)

Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935)

A Terra é o berço da humanidade, mas ninguem vive para sempre no seu berço

Estátua de K. Tsiolkovsky no Planetário de Brisbane, Austrália

O Ponto de VistaArquimediano

Três Eventos Determinantesda Era Moderna

• A descoberta da América

• A Reforma

• A invenção do telescópio

Abundâncias relativas dos elementos químicos

Relative abundances of chemical elements (O=100)The abundances are in number (decreasing order)Sources: Lehninger 2000 (human body and Earth crust abundances); Asplund, Grevesse & Sauval 2004 (C, N, and O are

solar photospheric values; the other elements are solar system meteoritic values)

Human Body Earth Crust Cosmic

H 247 O 100 H 21 900

O 100 Si 59.6 O 100

C 37.3 Al 16.8 C 53.7

N 5.49 Fe 9.6 N 13.2

Ca 1.22 Ca 7.5 Mg 7.41

P 0.86 Na 5.3 Si 7.10

Cl 0.31 K 5.3 Fe 6.17

K 0.24 Mg 4.7 S 3.16

S 0.20 Ti 1.1 Al 0.58

Na 0.12 H 0.4 Ca 0.43

Mg 0.04 C 0.4 Na 0.41

Somos filhos da Terra ou do Cosmos?

Abundâncias dos Elementos na Crosta Terrestre

Relative abundances of chemical elements (O=100)

Human Body Earth Crust

H 247 O 100

O 100 Si 59.6

C 37.3 Al 16.8

N 5.49 Fe 9.6

Ca 1.22 Ca 7.5

P 0.86 Na 5.3

Cl 0.31 K 5.3

K 0.24 Mg 4.7

S 0.20 Ti 1.1

Na 0.12 H 0.4

Mg 0.04 C 0.4

A Biosfera em Nós

HidrosferaAtmosferaLitosfera

Biosfera

Corpo Humano:

•Hidrosfera+Atmosfera (97%)

•Litosfera (3%)

O Templo da Natureza

SenecaSão FranciscoErasmus DarwinJohn MuirAldo LeopoldArne Naess