Biological Pigments as candidates for biosignaturas for Astrobiology

Trabalho de Conclus˜ao de Curso apresentado a` Pr´o-Reitoria de Gradua¸ca˜o da Universidade Federal do ABC, como parte dos requisitos para obten¸ca˜o do t´ıtulo de Bacharel em Biologia

Let´ıcia Paola Alab´ı

´ PIGMENTOS BIOLOGICOS COMO CANDIDATOS A BIOASSINATURAS PARA ASTROBIOLOGIA

Trabalho de conclus˜ao de Curso aprovado em sua vers˜ao final pelos abaixo assinados:

Prof. Dr. Jiri Boreck´ y Orientador

Dr. Douglas Galante Co-orientador

Prof. Dr. Derval dos Santos Rosa Pr´o-Reitor de Gradua¸c˜ao

Santo Andr´e, SP - Brasil 2011

Dados Internacionais de Cataloga¸ c˜ ao-na-Publica¸ c˜ ao (CIP) Divis˜ ao de Informa¸ c˜ ao e Documenta¸ c˜ ao Alab´ı, Let´ıcia Paola Pigmentos Biol´ ogicos como Candidatos a Bioassinaturas para Astrobiologia / Let´ıcia Paola Alab´ı. Santo Andr´e, 2011. 69f. Trabalho de Conclus˜ ao de Curso de Bacharelado – Curso de Biologia. – Universidade Federal do ABC, 2011. Orientador: Prof. Dr. Jiri Boreck´ y. Co-orientador: Dr. Douglas Galante. 1. Astrobiologia. 2. Astrolab (Laborat´ orio Brasileiro de Astrobiologia). 3. Bioassinaturas. 4. Carotenoides. 5. Pigmentos. 6. Vida extraterrestre. I. Universidade Federal do ABC. Centro de Ciˆencias Naturais e Humanas. II. Pigmentos Biol´ ogicos como Candidatos a Bioassinaturas para Astrobiologia.

ˆ ´ REFERENCIA BIBLIOGRAFICA ALAB´I, Let´ıcia Paola. Pigmentos Biol´ ogicos como Candidatos a Bioassinaturas para Astrobiologia. 2011. 69f. Trabalho de Conclus˜ao de Curso de Bacharelado – Universidade Federal do ABC, Santo Andr´e .

˜ DE DIREITOS CESSAO NOME DO AUTOR:

Let´ıcia Paola Alab´ı

TITULO DO TRABALHO:

Pigmentos Biol´ogicos como Candidatos a Bioassinaturas para

Astrobiologia. TIPO DO TRABALHO/ANO:

Trabalho de Conclus˜ao de Curso / 2011

´ concedida `a Universidade Federal do ABC a permiss˜ao para reproduzir c´opias deste E trabalho e para emprestar ou vender c´opias somente para prop´ositos acadˆemicos e cient´ıficos. O autor reserva outros direitos de publica¸c˜ao e nenhuma parte deste trabalho pode ser reproduzida sem a autoriza¸ca˜o do autor.

Let´ıcia Paola Alab´ı Estrada do Observat´orio, s/no CEP 13280-000 – Valinhos–SP

´ PIGMENTOS BIOLOGICOS COMO CANDIDATOS A BIOASSINATURAS PARA ASTROBIOLOGIA

Let´ıcia Paola Alab´ı

Composi¸ca˜o da Banca Examinadora:

Prof. Dr. Charles Morphy

Membro Interno

-

CCNH - UFABC

Prof. Dr.

Jiri Boreck´ y

Orientador

-

UFABC

Douglas Galante

Co-orientador

-

IAG-USP e Astrolab

F´abio Rodrigues

Membro Externo -

IQ-USP / Astrolab

Membro Interno

CCNH - UFABC

Dr. Dr.

Prof. Dr. Francisco Eugenio

UFABC

-

v Aos cavaleiros do apocalipse astrobiol´ogico: meus co-orientados e coco-orientadores que moldaram em escala c´osmica relativisticamente minha vis˜ao de mundo (dentro E fora dele), em ordem cronol´ogica para evitar brigas In memorian: ao saudoso Dedalus, professor e amigo e poeta Sandro Silva e Costa...

e aos sempre eficientes e bem humorados Dr Douglas Galante e Dr. Fabio Rodrigues, pelas madrugadas de feriados com caf´e, ideia e trabalho a velocidades relat´ıvisticas, dentro de um anel de eletrons...ou na fauna per´ıgossima do I Laborat´orio de Astrobiologia.

Agradecimentos Quando a pessoa nasce, ganha um nome que levar´a para sua vida inteira...alguns viram cita¸co˜es .. notas de rodap´e um poema... Mas ´e sempre preciso um nome a se apoiar em ombros de gigantes (o meu professor de Salamanca, Honoris causa disse que ai de mim se n˜ao citar os gigantes que me apoie)... Os que n˜ao s˜ao citados, n˜ao esqueci, mas porque tenho fentossegundos para enviar a gr´afica a vers˜ao impressa. Caros colegas humanos (ou quase) re´ uno `as vesperas do fim do ano de 2011 meus agradecimentos:

Ao orientador Profo Jiri e co-orientadores e colaboradores, doutores Douglas Galante e Fabio Rodrigues, amigos e conselheiros, os trˆes cada um com sua sagacidade e que muito ensinaram durante o percuso astrobiologico. Agrade¸co o contato com o grupo brasileiro de astrobiologia desde voltas ao mundo a proximidade com distintos pesquisadores e centros dessa nova a´rea de pesquisa dentre os quais abaixo cito e sem eles boa parte n˜ao seria poss´ıvel. Obrigada por guiarem todo o processo desse trabalho, desde a proposta a colabora¸c˜ao dos resultados em colabora¸ca˜o com F´abio, al´em da linearidade de ’todo o universo’ que eu queria escrever. N˜ao houve um dia que eles n˜ao tenham dito s´ o dessa vez eu pago a conta, ou um dia que n˜ao tenham respondido meus correios eletronicos (ou testamentos) com toda aten¸ca˜o, e, talvez, vocˆes nunca tenham percebido o efeito, ou perceber˜ao daqui alguns anos, que a`s vezes ´e preciso por agora com a ponta da pena. Sei que h´a muito o que melhorar, lapidar e j´a tomei nota dessa tarefa com seus pontap´es. Agrade¸co pelas vezes (se n˜ao quase todas) que mais tive d´ uvidas a resultados concretos. Aviso que mais vezes vir˜ao, pois j´a dizia o profeta ”uma vez orientador, para sempre (co)-orientadores!”

vii

Aos companheiros do Laborat´orio Nacional de Luz Sincronton, I Laborat´orio de Astrobiologia do Brasil e ao Instituto de Astronomia (IAG-USP), pelas madrugadas de experimentos e Cafe´s Astrobi´ologicos, desde a famosa extrem´ofila H. volcanii fazendo juz a seu meio de cultura natural e criando um vulc˜ao meio a nossas cabe¸cas aos incont´aveis espectros gerados. Obrigada por proporcionarem o ambiente cient´ıfico bastante inspirador e me apresentarem a luz, desde as mais baixas a altas frequˆencias.

Aos professores (de Biologia e F´ısica) da UFABC, em especial ao professor Eduardo Almeida por me fazer reganhar a vida mostrando um pouco das ciˆencias biologicas. Ao Pablo Fiorito (Qu´ımica) e momentos de recuerdos argentinos. Ao dinˆamico e ca´otico Eduardo Guer´on que ensinava f´ısica com exemplos de biologia. Ao caro Antonio Braz, e seus supercomputadores rodando florestas filogen´eticas. A sempre ador´avel Renata Costa, que sempre me disse que meu problema maior era escrever (vocˆe sempre teve raz˜ao). Ao caro Marcelo Leigui, pelos eventos cient´ıficos, constru¸ca˜o de projetos, e que os pr´oximos sejam em parceira astrobiologicas. E, finalmente, ao caro Professor Charles Morphy, meu pr´e-orientador, paradoxalmente um dos professores que entre um pontap´e e voos de cinzeiros na minha cabe¸ca, sempre empresta os livros que preciso ler, e cada que o vejo lendo ´e mais inspirador para eu rouba-lhes de sua m˜ao. A mesma que ele nunca estende uma, se n˜ao duas a hora que mais preciso durante a neurastenia academica. Que em breve vai assumir a guarda cient´ıfica da gera¸ca˜o passada. Aviso de antem˜ao que a tarefa pode ser complicada, no entanto vocˆe tem o contato dos anteriores e pode recorrer em caso de crise.

Aos integrantes e fundadores da I turma de Teatro da UFABC, desde biologos a qu´ımicos dram´aticos da mesma universidade, que tiveram papel n˜ao apenas cˆenico em minha escolha por Biologia, que entre uma filo(g)cenia e outra formaram meu grupo-irm˜ao monofiletico, s˜ao eles: Debora Ishikawa (a Vi´ uva), Daniel Dias (Dr. Lambreta et al), Andr´e Madeira (novamente, ou aqui Pardal se preferirem), Bruno Wicher (el Diablo), companheiro de viagens para el otro lado del charco, Leonardo Palermo, Karina Kaori (Kaolha), Vitor Luzio (o pai da Vi´ uva, doutor J.B.), Karen Narimatsu e Eric Taki, George Greg´orio. Ainda lembro dos metros de folhas meio a

viii madrugadas coladas na parede desenhando algumas hipoteses evolutivas. Agrade¸co ainda ao car´ıssimo(quase co-co-co-orientador n˜ao fossem formalismos burocr´aticos de hierarquia) amigo Thales Kronenbergue com coment´arios u ´teis a despeito de minhas interpreta¸c˜oes biologicas e decis˜oes acadˆemicas, al´em de por para rodar entre suas filogenias minhas astrofilogenias. N˜ao podemos deixar de citar a tr´ıplice (quase)-entendente Leo Momo, JoYce Maia e Marcelo Zani, ao fim desse trabalho talvez finalmente vocˆes entendam um pouco mais do que pode fazer um astrobi´ologo. Vou agradecer tamb´em a Kelly (eterna Kellyenies), Deise Vitorino (Miss Deise). M´arcia Dias ` Anna Thinen e Leydiane por compartilharem as mesmas (minha Marciana). A coordenadas no espa¸co, e aguentarem quase todas as noites eu querendo explicar astrobiologia. Obrigada a esses todos biologos por explicarem conceitos em biologia complicad´ıssimos para mim, quase que ’de outro mundo’ quando eu necessitava deles para compreender outros mundos. Espero lembrar de quase todos na hora da argui¸ca˜o.

Agradezco el Viejo Mundo, desde Centro de Astrobiolog´ıa de Madrid (CAB) por la recepci´on de Dra Eva-Matteo a los profesores de la Universidad de Salamanca, y los Quarks, los elementares, mis compa˜ neros de la escuelita por todas las tardes de bromas con el perrito del Studium cuando tenia de escribir esa tesi, porque ya vamos m´as de un mes en este reto juntos, compartiendo, viviendo, aprendiendo, construyendo conocimiento. M´as que compa˜ neros de un m´aster, amigos a´ unque no conocemos un al otro personalmente. Gracias por compartir las tareas, conferencias, tradici´on de entendermos algo en los ultimos segundos para finalizar el plazo de las tareas. Por la ’torcida’ a mi tesis cuando ya mis manos no manean. Vale siempre la maxima de Gandalf y su sobrero magico, cuando pide citar a los hombros de quien he apoyado, as´ı sigue: Sof´ı Cabrera, Rafa Souza, Michel Parra, Cesar Pallares (Cob), Andres Castillo, Kenicher Arias, Sandra D & Elena C....desde Brasil les dej´o con mi tonada argentina - ademas de un nuevo idioma que hemos implantado cada cual con sus expresiones desde tu pa´ıs - saludos con siempre fuerte trabajo en equipo que por suerte he encontrado. Agradezco a mi querida Espa˜ na con mis compa˜ neros en la calle Sao Paulo.

Ao Adventure Group et al., pelas trilhas andinas perdidas desde livros, artigos e malas

ix sumidas a riscos de morte em estradas e montanhas proibidas: Robson e Rafael Aleixo, Ana Paula (Tevez), Bruno Arruda, Caroline Paiva, David e Danilo Mohr, Andr´e Madeira, claro meu irm˜aozinho escoteiro e querido de todos, Tadeusz Alabi. Por u ´ltimo, mas n˜ao menos importante minhas melhores amigas tamb´em integrantes do grupo, mis hermanitas, em ordem cronologica para n˜ao dar briga: a eterna Lampadinha, Luana de Mauro, a dona arte em dissecar passaros Ana Carolina Arraval, la chilena e militar Camila Cardenas e a dramaturga Gabriella Reis. Sempre Alerta!

Aos senhor e senhora Lenzi, pelas discuss˜oes em f´ısica, al´em do c´odigo template do TCC e, principalmente, por seus conselhos e vinhos durante os u ´ltimos fentossegundos desse trabalho. At´e consegui coletar da J´essica Lenzi e Gueron alguns raios c´osmicos e ` peste extrem´ofilos comedores de circuitos meio a seus dinˆamicos experimentos. A ` sabia Camila indom´avel e sempre companheira, Mariane Tavares com seu Morango. A Motta. A neurocientista que diz meu c´erebro ter algo e quer lev´a-lo para estudos de neurociencias da UFABC, Nicole Henriques. ` horas de descanso com as equipes de futsal, xadrez e tenis de mesa. As

Agradezco tambi´en a mi querida Argentina, donde todos lejos de mi casa en Brasil siempre los recuerdo. A mi querido tio Sapinho artista y fotografo, por las estorias en su coche a camino de Sierro de los Siete Colores, donde conoci un poco de las artes, como agarrar los pinceles y dibujar nuestras estorias! A mi tio Luez Juez, siempre peleando con los Kirchiner, una inspiraci´on a los discurso pol´ıticos. A mis primas Ana Lia, Mariela y Patricia Alabi. Ainda que eles teimem que eu estudo discos voadores, eu os perdoo por estarem longe, mas um dia vou convencˆe-los do contr´ario. A mi papa un recuerdo de tu gene cientista con millones de ideas, ahora uds saben que la culpa no es mia! En realidad, la culpa es toda de mi hermano! Terminada aqui minha parte literata, que com toda essa equipe por tr´as ´e dif´ıcil dizer que estamos s´os no Universo, mas que apresento abaixo um peda¸co do que estudamos em astrobiologia quanto a mais antigas das perguntas do Cosmos.

Ao financiamento para execu¸c˜ao direta ou indireta do projeto: UFABC, Fapesp, CNPq.

x

“A Terra ´e o ber¸co da humanidade, mas ningu´em vive no seu ber¸co para sempre.” — Konstantin Tsiolkovsky

Resumo O presente trabalho desenvolvido insere-se na recente colabora¸c˜ao entre UFABC, IAGUSP e AstroLab* na a´rea multidisciplinar de Astrobiologia. Astrobiologia ´e uma ´area de pesquisa que procura utilizar ferramentas de F´ısica, Qu´ımica, Biologia, Astronomia, Geologia e Ciˆencias Atmosf´ericas, entre outros, para tentar entender a origem, evolu¸ca˜o, distribui¸ca˜o e futuro da vida na Terra e em outros corpos do Universo. Por ser um campo extremamente vasto e complexo, ´e essencial a participa¸c˜ao de pesquisadores das diversas disciplinas, em colabora¸c˜ao. Uma das grandes quest˜oes para a Astrobiologia ´e como detectar a vida em outro planeta. Utilizando sondas planet´arias, como os rovers atualmente presentes em Marte, e os futuramente planejados, ´e poss´ıvel realizar experimentos de espectroscopia in situ, a fim de obter informa¸co˜es de composi¸ca˜o qu´ımica. Essa ´e uma das maneiras de, possivelmente, detectar mol´eculas relacionadas a processos biol´ogicos, relacionando-as assim `a presen¸ca de vida atual ou f´ossil. Essas mol´eculas indicativas de vida s˜ao conhecidas como bioassinaturas, e seu estudo ´e um dos campos mais ativos dentro da Astrobiologia. Dentre os candidatos a bioassinaturas, podemos destacar os pigmentos biol´ogicos. Essas mol´eculas est˜ao presentes em diversos microrganismos, tendo diferentes fun¸c˜oes, em especial, apresentam grande atividade fotoprotetora, funcionando como bloqueadores f´ısicos de radia¸ca˜o e tamb´em como minimizadores da a¸c˜ao de radicais livres, comumente produzidos em processos radiativos. Muitos dos organismos terrestres que

xiii vivem expostos a` radia¸ca˜o s˜ao pigmentados, por isso, ´e natural extrapolar que organismos que sobrevivam em planetas sob irradia¸c˜ao, como a superf´ıcie marciana, tamb´em o sejam, ou tenham sido no passado. Nesse contexto, ser˜ao discutidos os seguintes aspectos i) padr˜ao espectrosc´opico UV-Vis como bioassinatura espectral dos caroten´oides em extremofilos vs n˜ao-extremofilos e efeitos de substrato ii) a´rvore filogen´etica inferida com base nos mesmos caroten´oides, para compreens˜ao da evolu¸ca˜o da rota biossint´etica do pigmento na Terra, assim como iii) considera¸c˜oes sobre a poss´ıvel extrapola¸c˜ao dos resultados e cen´arios evolutivos para o caso extraterrestre tendo como pressuposto a evolu¸ca˜o da biosfera terrestre.

Sum´ ario

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii 1

˜ o e Contextualiza¸ ˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . Introdu¸ ca ca

20

1.1

Astrobiologia no Brasil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.2

Busca de vida fora da Terra e bioassinaturas

1.3

Pigmenta¸ c˜ ao como estrat´ egia de sobrevivˆ encia . . . . . . . . . . . . . 28

1.4

Extrem´ ofilos como modelos astrobiol´ ogicos . . . . . . . . . . . . . . . . 32

. . . . . . . . . . . . . . 26

2

Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3

Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.1

Assinaturas Espectrais: Padr˜ ao UV-Vis de organismos extrem´ ofilos comparados a n˜ ao-extrem´ ofilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2

Efeito de substrato em solos de interesse astrobiol´ ogico . . . . . . . . 39

3.3

Filogenia de genes da rota biossint´ etica de caroten´ oides: Inferˆ encias e Cen´ arios Evolutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4 4.1

˜ es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultados e Discusso

41

Padr˜ oes espectrosc´ opios UV-Vis de organismos extrem´ ofilos e n˜ aoextrem´ ofilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2

Detectabilidade de biomol´ eculas em diferentes substratos . . . . . . 43

4.3

Filogenia de genes da rota biossint´ etica de caroten´ oides . . . . . . . . 46

´ SUMARIO

xvii

5

˜ es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Concluso

51

6

˜ es e Perspectivas Futuras . . . . . . . . . . . . Considera¸ co

54

ˆncias Bibliogra ´ ficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Refere

56

´ ˆndice A – Metodologia Infere ˆncia Arvores Ape Filo´ticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . gene

64

´ ˆndice B – Arvore ´cie . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ape de Espe

67

ˆndice C – FigTree Diversidade Organismos PigmenApe tados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

Lista de Figuras

FIGURA 1.1 – Estrutura da mol´ecula de β-caroteno . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 FIGURA 1.2 – Tabela 1: Limites da vida conhecida atualmente na Terra . . . . . . 34 FIGURA 1.3 – Tabela 2: Tipos de organismos extrem´ofilos conhecidos . . . . . . . 35 FIGURA 4.1 – Espectros UV-Vis dos caroten´oides β-caroteno (β-C), Lute´ına (Lut), Violaxantina (Viola) and Neoxantina (NEO). . . . . . . . . . . . . . 41 FIGURA 4.2 – Histograma da posi¸c˜ao do pico 2 para 500 caroten´oides, evidenciando um deslocamento para maiores comprimentos de onda para o grupo I, de extrem´ofilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 FIGURA 4.3 – Histograma da posi¸c˜ao dos picos 1 e 3 para 500 caroten´oides, evidenciando tamb´em um deslocamento para maiores comprimentos de onda para o grupo I, de extrem´ofilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 FIGURA 4.4 – Espectro Raman do β-caroteno (s´olido puro) . . . . . . . . . . . . . 44 FIGURA 4.5 – Espectro Raman (514.5nm) de β-Caroteno em JSC-1 em diferentes concentra¸c˜oes (A) 8g/ kg; B) 0.8 g/kg; C) 80 mg/kg; D) 8 mg/kg) . 44 FIGURA 4.6 – Espectro Raman (514.5 nm) de β-Caroteno em M gSO4 em diferentes concentra¸co˜es (A) 8g/ kg; B) 0.8 g/kg; C) 80 mg/kg; D) 8 mg/kg; E) 0,8 mg/kg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 FIGURA 4.7 – Espectro Raman (514.5 nm) de β -Caroteno em F e2 O3 (8g/kg) com diferentes tempos de exposi¸ca˜o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 FIGURA 4.8 – Familia-CrtL: Lycopene cycl (PF05834) . . . . . . . . . . . . . . . . 47

LISTA DE FIGURAS

xix

FIGURA 4.9 – Duplica¸co˜es do precursor de alguns caroten´oides observadas em Archaes, (azul claro), α-proteobacterias (vermelho com Rhodobacterales), γ-proteobacterias (verde) e actinobacterias (roxo) . . . . . . . . . . 50

1 Introdu¸c˜ ao e Contextualiza¸c˜ ao Desde os tempos mais remotos, h´a na humanidade um grande fasc´ınio sobre quest˜oes como a origem da vida em nosso planeta, a possibilidade de existˆencia de outros mundos e de vida extraterrestre. [1, 2, 3] Por longo tempo esses temas foram abordados de maneira filos´ofica ou dentro de contextos religiosos, por´em, nos u ´ltimos anos, uma recente a´rea de pesquisa foi criada com a ambi¸ca˜o de trabalhar o tema de maneira integrada, utilizando os mais recentes avan¸cos cient´ıficos e tecnol´ogicos. Essa a´rea, conhecida como Astrobiologia, prop˜oe-se a estudar a origem, evolu¸ca˜o, distribui¸ca˜o e futuro da vida na Terra e no Universo sob a perspectiva da vida baseada na Terra. As quest˜oes fundamentais abordadas s˜ao como a vida come¸ca e evolui? Existe vida fora da Terra, e como detect´a-la? [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13] Qual o futuro da vida na Terra e no Universo? Subjacente a essas quest˜oes h´a uma pergunta fundamental: o que ´e vida, e como a definimos. [7, 14] Na perspectiva astrobiol´ogica, a vida ´e tratada como um fenˆomeno planet´ario, ou seja, levando em conta n˜ao apenas as intera¸c˜oes dos organismos vivos entre si, mas tamb´em com o planeta e com outros corpos celestes e eventos astrof´ısicos. A biosfera do planeta ´e vista como conectada, influenciando e influenciada pela sua vizinhan¸ca c´osmica. Um exemplo de estudo recente realizado no Brasil nessa a´rea s˜ao os efeitos de eventos astrof´ısicos de alta energia, como supernovas e surtos de raios gama sobre a vida do planeta (Galante e Horvath 2007, Galante e Horvarth 2009).[15, 16]

˜ E CONTEXTUALIZAC ˜ CAP´ITULO 1. INTRODUC ¸ AO ¸ AO

21

Do ponto de vista hist´orico, j´a na Gr´ecia antiga, Epicuro (341 - 270 a.C) escrevia sobre a quest˜ao da vida extraterrestre, enquanto Arist´oteles (384 - 322 a.C) formulava uma teoria para explicar a origem de vida na Terra, baseado em elementos conhecidos e na observa¸ca˜o da natureza. De epicuristas a aristot´elicos - ainda que com divergˆencias encontram-se algumas das evidencias mais antigas registradas sobre uma vis˜ao pluralista de mundos e vida extraterrestre. Em um contexto mais moderno, em 1686, foi escrito um dos primeiros grandes sucessos populares da literatura de divulga¸ca˜o cient´ıfica por Bernad le Bovier de Fontenelle, Entretiens sur la pluralit´e des mondes [17], no qual s˜ao abordados temas como a pluralidade de mundos, voo espacial e outros mundos habit´aveis.

1

´ dif´ıcil determinar com precis˜ao o primeiro uso do termo Astrobiologia. De acordo E com Janet Morrison, primeira curadora dos arquivos da NASA Astrobiology Institute, a primeira referˆencia registrada ao nome Astrobiologia poderia ser de Lawrence J. Lafleur em 1941 no artigo Astrobiology (Lafleur, 1941). Gabriel Tikhov chegou a usar o termo Astrobotˆanica em 1949 (Tikhov, 1949) publicado no artigo Astrobiologii em 1953 (Tikhov, 1953). Outras cita¸co˜es incluem Hubertus Struhold em 1953 (Struhold, 1953). No Brasil, a primeira cita¸c˜ao remete a Flavio Pereira em 1956 (Pereira, 1956)[20], no entanto, com abordagem ainda, em alguns pontos, pseudocient´ıfica e fora do contexto atual da Astrobiologia. Uma revis˜ao feita por Keith Cowing, editor da ”The Astrobiology Web”, pode ser encontrada on line

2

. Influˆencias de cunho exobiol´ogico poderiam ser tamb´em de

Vernadsky (1863-1945), Tsiolkvsky (1857-1935) e Shklovskii (1916-1985) na R´ ussia.[5] 1

Di´ alogos sobre a pluralidade de mundos, Fontenelle (1689) reimpresso em v´ arios idiomas; Para um relato mais detalhado da hist´ oria de vida extraterrestre ler: The extraterrestrial life debate, 1750-1900, Michael J. Crowe (Nova York: Dover, 1999)[3]; The biological universe, Steven J. Dick (Cambridge University Press, 1996)[18]; Planets and planetarians: a history of theories of origin of planetary systems, Stanley L. Jaki (Edimburgo: Scottish Academic Press, 1978)[19]; Compˆendio desde cerca de 70 a.C a 1980 editado por Donald Goldsmith ´e The quest for extraterrestrial life: a book of readings (Mill Valley, Calif´ ornia: University Science Books, 1980) o qual cont´em o pref´ acio de Fred Hoyle Ser´ a especialmente a Biologia que absorve a astronomia, ou vice-versa. 2 http://www.washington.edu/doit/Lessons/Science/astrobio.html

˜ E CONTEXTUALIZAC ˜ CAP´ITULO 1. INTRODUC ¸ AO ¸ AO

22

A conceitua¸ca˜o moderna de Astrobiologia apoia-se sobre outros programas de pesquisa que a precederam, e, em especial, os programas de Exobiologia.

3

Essa ´area de pesquisa teve o objetivo expl´ıcito de buscar e estudar a possibilidade de vida extraterrestre, tendo sido criada durante a Corrida Espacial entre Estados Unidos e Uni˜ao Sovi´etica, estando firmemente embasada nos avan¸cos da tecnologia aeroespacial, que permitiram, pela primeira vez, investigar in situ a possibilidade de vida fora da Terra, como, por exemplo, com sondas para Vˆenus e Marte e miss˜oes tripuladas para a Lua. 4

[21] No entanto, ap´os a chegada `a Lua e frente `as ’decep¸c˜oes’ cient´ıficas em Marte pelo

engano de que l´a haveria vida, com as sondas Viking, a NASA necessitava novos valores para ativar seus programas de explora¸c˜ao espacial. A consolida¸ca˜o da Astrobiologia ocorreu exatamente como uma tentativa da garantir o apoio aos programas de explora¸ca˜o espacial, renovando e expandindo o antigo programa de Exobiologia. O an´ uncio de poss´ıveis f´osseis marcianos no meteorito Allan Hills 84001 (ALH84001)[22] foi uma das mais importantes not´ıcias cient´ıficas que reviveram o interesse sobre essa ´area. O achado, unido ao descobrimento de exoplanetas

5

e a avan¸cos em biologia te´orica e ciˆencias da complex-

idade, criou um arcabou¸co cient´ıfico de distintas disciplinas que permitiu uma nova vis˜ao sobre quest˜oes como a origem da vida e a possibilidade de vida fora da Terra.[23] Em 1998, a NASA criou o seu Instituto de Astrobiologia (NAI - NASA Astrobiology Insti3

Norman H. Horowitz, um dos pesquisadores de biologia do projeto Viking, faz um relato privilegiado e bem escrito da exobiologia nos anos 1970 e a pesquisa de vida na Terra pelo Viking em To utopia and back, the search for life in the solar system ( Nova York: W. H. Freeman, 1986). Outra fonte detalhada do projeto Viking e exobiologia, ´e On Mars, exploration of the red planet, 1958 - 1978, de Edward C. Ezell e Linda N. Ezell (dispon´ıvel no NASA History Office: history.nasa.gov). 4 Para mais informa¸c˜ oes da historia dos Programas em Astrobiologia da NASA ver Dick, Steven J. e Strick, James E. The Living Universe: NASA and the Development of Astrobiology. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 2004 University Press, New Brunswick, NJ, 2004. 5 Atualmente at´e 18 de novembro foram detectados 702 exoplanetas (http://exoplanet.eu/catalogall.php) Al´em, de no dia 18 de novembro/2011 ser detectado o 1◦ planeta extragal´ atico, o HIP 13044 b (http://www.eso.org ).

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tute). Trata-se de um instituto virtual que agrega universidades e centros de pesquisa americanos promovendo pesquisa e educa¸ca˜o em temas que cobrem a origem e evolu¸ca˜o da vida na Terra e no Universo[24]. Atualmente, diversos centros de pesquisa especial´ mente dedicados a Astrobiologia est˜ao espalhados na Europa[25], Asia e Austr´alia [4] e Am´erica, como o Instituto de Astrobiologia da Colombia (IAC) e o N´ ucleo de Pesquisa em Astrobiologia / Laborat´orio de Astrobiologia no Brasil (NAP-Astrobio / AstroLab USP). Alguns dos objetivos do programa norte-americano de Astrobiologia est˜ao resumidos no NASA Astrobiology Roadmap (http://astrobiology.arc.nasa.gov)[26], um roteiro formulado pela primeira vez em 1998 e revisto em 2003 e 2008, por meio de uma s´erie de discuss˜oes com aproximadamente 400 cientistas, representando os principais pontos a serem desenvolvidos no quinquˆenio seguinte. Esse documento serve para delinear os esfor¸cos da rede de colabora¸c˜ao do NAI, tendo como principal caracter´ıstica seu dinamismo, sendo suas revis˜oes peri´odicas respons´aveis por garantir sua atualiza¸c˜ao com as recentes descobertas e interesses cient´ıficos. Pelo exposto, a vis˜ao moderna de Astrobiologia abrange n˜ao apenas a busca de vida fora da Terra, mas a compreens˜ao do fenˆomeno da vida no Universo como um todo. Fica claro que a explora¸c˜ao de nosso pr´oprio planeta ´e passo fundamental para embasar os programas espaciais. Foram assim incorporados aos programas astrobiol´ogico os grupos para o estudo da biodiversidade terrestre, e, em especial, dos ambientes extremos e ino´spitos do planeta, os quais poderiam ser, em diversos aspectos, an´alogos a ambientes extraterrestres. [11, 27, 28, 29, 30, 31] A principal ferramenta usada pela Astrobiologia ´e a abordagem multi e interdisciplinar de suas pesquisas, pois as quest˜oes que aborda dificilmente seriam resolvidas por especialistas isolados. Essa necessidade de um esfor¸co

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integrado e multidisciplinar, em v´arios sentidos, vai contra o processo de especializa¸c˜ao e compartimentaliza¸c˜ao adotados no meio acadˆemico dos u ´ltimos s´eculos, e talvez seja a principal for¸ca e contribui¸ca˜o que a Astrobiologia est´a trazendo para a ciˆencia, educa¸ca˜o e sociedade,[32, 24] j´a apresentando resultados promissores, incluindo a forma¸ca˜o de revistas cient´ıficas internacionais abordando os temas correlatos, como Astrobiology publicada nos Estados Unidos, a The International Journal of Astrobiology publicada no Reino Unido, e a Origin of Life and Evolution of Biospheres.

1.1

Astrobiologia no Brasil

Em 2006, o I Workshop Brasileiro de Astrobiologia 6 ocorrido no Rio de Janeiro, com cerca de 100 participantes, deu subs´ıdios para a cria¸c˜ao de um grupo em pesquisas nessa a´rea, as quais antes vinham sendo feitas isoladamente no pa´ıs. Como resultado, nesse mesmo ano foi cadastrado junto ao CNPq o grupo AstrobioBrasil, reunindo formalmente esses pesquisadores. A pesquisa pioneira se consolidou com a cria¸ca˜o do Laborat´orio de Astrobiologia e do N´ ucleo de Pesquisa em Astrobiologia no Instituto de Astronomia, Geof´ısica e Ciˆencias Atmosf´ericas da Universidade de S˜ao Paulo, o qual teve in´ıcio com o INCT-CNPq INEspa¸co (2009), cuja verba viabilizou a constru¸ca˜o da Cˆamara de Simula¸co˜es de Ambientes Extraterrestres e Espaciais, sob coordena¸ca˜o do Dr. Douglas Galante (IAG-USP), primeiro doutor a defender uma tese de pesquisa em Astrobiologia no pa´ıs. O estabelecimento formal de um centro unificado de pesquisas abriu tamb´em a possibilidade de coopera¸ca˜o internacional efetiva na a´rea, sendo que o grupo j´a formalizou colabora¸co˜es com o NAI e com a European Astrobiology Network Association (EANA), al´em de parcerias em andamento com pesquisadores da Argentina, Chile e R´ ussia, que trabalham com 6

http://www.das.inpe.br/astrobio/

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´ ambientes como deserto do Atacama ou regi˜oes geladas do Artico e Ant´artica como an´alogos astrobiol´ogicos. A formaliza¸c˜ao da colabora¸c˜ao entre o grupo em crescimento e a UFABC vem refor¸car esfor¸cos multidisciplinares brasileiros na ´area. Um dos primeiros projetos a serem desenvolvidos pela equipe multidisciplinar de pesquisadores que est´a colaborando junto ao laborat´orio ´e o de descrever a resposta de microrganismos extrem´ofilos terrestres a situa¸c˜oes simuladas extraterrestres, para compreender os poss´ıveis mecanismos biol´ogicos capazes de permitir a sobrevivˆencia nessas condi¸c˜oes. Esses microrganismos vˆem sendo isolados de diferentes regi˜oes do planeta, como Ant´artica, desertos e fundo de mar. A radia¸c˜ao ´e um dos fatores mais delet´erios do ambiente astrof´ısico para organismos vivos, j´a estando demonstrado que outros fatores como o frio ou o v´acuo s˜ao suport´aveis por diversas esp´ecies. Dentre os diferentes tipos de radia¸ca˜o presentes em ambientes extraterrestres, podemos destacar a radia¸ca˜o eletromagn´etica, predominantemente solar, e a radia¸ca˜o particulada, proveniente do Sol (ventos e flares) ou de raios c´osmicos [33]. A radia¸ca˜o eletromagn´etica na faixa VUV (ultravioleta de v´acuo - abaixo de 100 nm) ou UV (UVA - 400 a 320 nm, UVB - 320 a 280 nm e UVC - 280 a 100 nm), ´e extremamente delet´eria para organismos vivos por interagir e danificar praticamente todas as mol´eculas que os constituem, mas, especialmente, os a´cidos nucl´eicos, criando assim danos n˜ao repar´aveis e letais, ou muta¸co˜es.[34, 35, 36] Diversas estrat´egias biol´ogicas s˜ao usadas para lidar com os danos causados por radia¸c˜ao, como, por exemplo, os pigmentos biol´ogicos (estrat´egia f´ısica) e os mecanismos de reparo gˆenico (estrat´egia biomolecular). A radia¸c˜ao particulada pode ainda ter uma profundidade de penetra¸c˜ao na mat´eria muito maior, dependendo de sua energia, atingindo microrganismos que estejam protegidos sob o solo ou rochas. Tais experimentos no Brasil s˜ao realizados principalmente no Laborat´orio Na-

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cional de Luz S´ıncrotron (LNLS - Campinas, SP) e requerem um amplo conhecimento das estrat´egias de fotoprote¸ca˜o ou reparo de dano para a correta interpreta¸c˜ao dos resultados. Pela primeira vez no pa´ıs est´a sendo constru´ıda pelo co-orientador do projeto e equipe, uma cˆamara para simular condi¸co˜es espaciais e planet´arias dedicada a estudos em Astrobiologia. Nesse sistema de simula¸ca˜o, ser´a poss´ıvel controlar de forma precisa a irradia¸ca˜o e os fatores ambientais da amostra, utilizando diferentes fontes, como um simulador solar para mimetizar o espectro estelar na regi˜ao do UV e um canh˜ao de el´etrons, para mimetizar o fluxo de part´ıculas do vento solar. Com essas tecnologias no Brasil e no mundo, aliadas a descoberta dos limites da vida em condi¸c˜oes extremas e a detec¸c˜ao e caracteriza¸ca˜o de exoplanetas, o estudo da possibilidade de vida outros corpos celestes e a tentativa de sua detec¸ca˜o tornam-se mais robustos.

1.2

Busca de vida fora da Terra e bioassinaturas

Para a detec¸ca˜o da presen¸ca de vida fora da Terra, passada ou presente, s˜ao usados marcadores conhecidos como bioassinaturas. Bioassinatura ´e qualquer objeto, substˆancia e/ou padr˜ao cuja origem requer um agente biol´ogico. Ou seja, uma boa bioassinatura deve ser gerada apenas por processos biol´ogicos, n˜ao havendo rotas abi´oticas para sua s´ıntese, ou essas rotas devem ser demonstradas invi´aveis nos ambientes em que forem detectadas. Alguns exemplos de bioassinaturas se mantˆem presentes e detect´aveis por bilh˜oes de anos, como a presen¸ca de biomol´eculas ou subprodutos dos metabolismos, os quais podem ser usados como indicativo da presen¸ca de atividade biol´ogica em determinado local, mesmo na Terra primitiva. A esses tipos de marcadores biol´ogicos daremos especial aten¸ca˜o por possivelmente poderem preservar sinais de vida em muitos ambientes extraterrestre,

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sendo considerados f´osseis moleculares.[4, 37, 38, 28, 39, 40, 41, 11, 42] H´a atualmente trˆes caminhos para busca bioassinaturas: i) in situ (`as vezes, com retorno de amostras), se a procura for nas proximidades terrestres (Sistema Solar); ii) an´alises espectrais de atmosferas planet´arias (planetas extrassolares) para evidˆencias de altera¸c˜oes qu´ımicas causadas pela vida; e, iii) busca por evidˆencias extraterrestres de tecnologia, por exemplo, SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence). [41, 7] O ideal ´e que essas pesquisas sejam conduzidas no contexto de um acordo e entendimento da natureza da vida, o que ainda n˜ao est´a definido e, que portanto limita-nos a vida como a conhecemos”[7], o que n˜ao impede a existˆencia da biologia ex´otica desconhecida. Algumas das formas de detec¸ca˜o de bioassinaturas moleculares mais comuns s˜ao os variados m´etodos espectrosc´opicos que tˆem em comum a capacidade de identificar propriedades caracter´ısticas das mol´eculas de interesse. Dentre esses, podemos destacar as t´ecnicas de espectroscopia na faixa do UVVis (ultravioleta - vis´ıvel, capaz de identificar mol´eculas por suas transi¸co˜es eletrˆonicas), IR e Raman (infravermelho e efeito Raman, respectivamente, identificando os compostos com base em suas vibra¸c˜oes moleculares) e espectrometria de massa, a qual identifica os compostos com base em sua massa molecular, ou na massa de seus fragmentos. V´arios desses espectrˆometros j´a foram enviados (ou o ser˜ao nos pr´oximos anos) para miss˜oes de explora¸ca˜o planet´aria, em especial para a superf´ıcie e subsolo marciano. Explora¸co˜es astrobiol´ogicas partem da premissa que assinaturas de vida dever˜ao ser reconhecidas no contexto de seus ambientes, assim, as propostas de biomol´eculas de maior interesse n˜ao devem ser desconectadas de um estudo da intera¸c˜ao e estabilidade das mesmas nesse ambiente, o que leva a necessidade de estudos de simula¸c˜ao, como os que s˜ao desenvolvidos pelo grupo brasileiro de Astrobiologia. No entanto, ainda n˜ao h´a um consenso dos melhores candidatos a bioassinatura. De

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forma pragm´atica, essa busca usa como modelo de organismo vivo os microrganismos extrem´ofilos terrestres e seus subprodutos metab´olicos, os quais est˜ao presentes em praticamente todos os ambientes terrestres in´ospitos, muitas vezes an´alogos a ambientes extraterrestres, do fundo dos mares a estratosfera. Esse tipo de abordagem pragm´atica, de buscar ”vida como a conhecemos”obviamente limita os tipos de vida que podem ser encontradas (bioqu´ımicas ex´oticas est˜ao dessa maneira exclu´ıdas), no entanto, ´e uma forma fact´ıvel de desenvolver essa pesquisa com base no conhecimento atual. ´ importante ressaltar que h´a tamb´em pesquisas relacionadas com bioqu´ımicas alterE nativas e formas de vida ”ex´oticas”em andamento. Em especial, alguns pesquisadores levantam mesmo a hip´otese de existˆencia de todo um grupo de organismos vivos na pr´opria Terra que, tendo uma bioqu´ımica muito diferente da usual, passam despercebidos pelos estudos de biodiversidade e biodetectabilidade, formando o que denominam biosfera oculta. Sendo de fato real, os organismos da biosfera oculta poderiam produzir bioassinaturas incomuns.[43] ampliando propostas preliminares de Benner (1999), Benner & Switzer (1999), Cleland & Copley (2006)[44], Davies & Lineweaver (2005)[45], tendo diretas consequˆencias para o estudo de bioassinaturas no contexto astrobiol´ogico. No entanto, essa ´e por enquanto apenas uma hip´otese em aberto, necessitando de comprova¸ca˜o experimental.

1.3

Pigmenta¸ c˜ ao como estrat´ egia de sobrevivˆ encia

Mecanismos que contribuem para a alta resistˆencia `a radia¸ca˜o podem ser classificados em (i) mecanismos passivos, como a produ¸ca˜o de mol´eculas fotoprotetoras (por exemplo, os caroten´oides) que funcionam como escudo contra as radia¸c˜oes n˜ao-ionizantes e (ii)