Biodiversidade e
Astrobiologia
Amancio Friaça
2010
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
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
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?
A Vida no Contexto
Cósmico
(disciplina AGA 0316 do IAG-USP)
Criando a partir do Big Bang Disciplinar
População:
108 alunos
Composição de cursos AGA 0316 (2009)
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 Fundamentais
em 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
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•
•
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
•
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•
•
•
•
•
•
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
Analyze the
reflected light
from the planet to
see if the planet
has an
atmosphere
Look for liquid
water
Look for signs
of biological
activity
(methane)
And Rule Out Other Explanations?
17
Possibility of remote detection of life
Explore the contrast star/planet in thermal IR (Des Marais et al. 2002, Segura et al. 2003)
Window at 8-12 μ m: Tsurface
Porto de Melo et al., Astrobiology, 2006
H2O
6.3 μm +
12 μm band
> 106
CH4
7.7 μm
O3
9.6 μm
CO2
15 μm
NIMS Data (from Galileo)
(‘A’ band)
Sagan et al. (1993)*
*But credit Toby Owen for
pointing this out (1980)
NIMS data in
the near-IR
• 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)
Sagan et al. (1993)*
Thermal IR
spectra
Source:
R. Hanel, Goddard
Space Flight Center
Reasons for habitability on Earth
1) 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 O2, CH4  CH4 then O2 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 Fundamentais
em 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
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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
Antropoceno
Poluição e Contaminação extraterrestes
Geoengenharia
Terraformação
Astroengenharia (Macroengenharia)
Os Dois Grandes Atores: I- Cianobactérias
Os Dois Grandes Atores: II- Homo Sapiens
A Grande Muralha
Teoria de Gaia
Composition of the Atmosphere
Air is composed of a mixture of gases:
greenhouse
gases
Gas
concentration (%)
N2
O2
Ar
H2O
CO2
CH4
N2O
O3
78
21
0.9
variable
0.037
370 ppm
1.7
0.3
1.0 to 0.01
(stratosphere-surface)
James Lovelock
Nature, 426, 770-771 (2003)
Stellar habitable zone
Main assumptions: Surface H2O for ~ Gyear, geological activity, CO2-H2O-N2
atmosphere, B-field, climate stability, resistance to catastrophes for ~ Gyear
R
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 Massa
Causas 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
Sputink (lançado em 4/10/1957)
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.
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 ARENDT
A CONDIÇÃO HUMANA (PRÓLOGO) (1958)
Hannah Arendt (1906-1975)
Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935)
Estátua de K. Tsiolkovsky no
Planetário de Brisbane, Austrália
A Terra é o berço da humanidade, mas
ninguem vive para sempre no seu berço
O Ponto de Vista
Arquimediano
Três Eventos Determinantes
da Era Moderna
• A descoberta da América
• A Reforma
• A invenção do telescópio
Abundâncias relativas dos elementos químicos
Somos filhos da Terra ou do Cosmos?
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
Na 5.3
Si 7.10
Cl 0.31
K
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
0.86
5.3
Abundâncias dos Elementos na Crosta Terrestre
A Biosfera em Nós
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
Corpo Humano:
P
Na 5.3
•Hidrosfera+Atmosfera (97%)
0.86
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
Biosfera
Hidrosfera
Atmosfera
Litosfera
•Litosfera (3%)
O Templo da Natureza
Seneca
São Francisco
Erasmus Darwin
John Muir
Aldo Leopold
Arne Naess