fev 05

Bioassinaturas: o caso do óxido nitroso por Don Wilkins

Estamos negligenciando uma possível bioassinatura? Um novo estudo defende que o óxido nitroso pode ser um indicador valioso de vida em outros mundos e que pode ser detectado com a instrumentação atual e futura. No ensaio de hoje, Don Wilkins analisa o papel de perto. Um engenheiro aeroespacial aposentado com trinta e cinco anos de experiência em projeto, desenvolvimento, teste, fabricação e implantação de aviônicos, Don me diz que tem sido um ávido defensor do vôo espacial e da exploração desde os dias do Projeto Mercury. Com sede em St. Louis, onde é instrutor adjunto de eletrônica na Universidade de Washington, Don Wilkins detém doze patentes e está envolvido com os esforços da universidade para aumentar a participação em ciência, tecnologia, engenharia e matemática.

Paul Gilster sobre Don Wilkins
Esta é a Figura 13 do artigo científico. Legenda: Uma imagem conceitual que ilustra a interpretabilidade do N2O (óxido nitroso) como uma bioassinatura no contexto do ambiente planetário. O painel esquerdo ilustra um cenário como a Terra moderna, com uma atmosfera de alto oxigênio e N2O gerado predominantemente por desnitrificação biológica parcial. Neste caso, a presença simultânea de O2 (molécula de Oxigênio), O3 (molécula de ozônio), N2O (óxido nitroso) e CH4 (metano) indica um forte desequilíbrio químico. O painel do meio ilustra um ambiente planetário fracamente oxigenado como a Terra Proterozóica, com N2O gerado tanto pela desnitrificação biológica parcial quanto pela quimiodenitrificação de intermediários nitrogenados (provavelmente substancialmente biogênicos) em um oceano estratificado redox. Nesse caso, o oxigênio molecular (O2) e o metano (CH4) podem ter concentrações muito baixas para serem detectadas diretamente, mas N2O e O3 detectáveis ​​seriam uma forte bioassinatura. Um falso positivo é improvável, porque uma atmosfera abiótica de O2 seria instável em combinação com um oceano redutor. O painel direito ilustra o cenário falso-positivo mais provável, onde uma estrela ativa divide N2 via SPEs [Em inglês: Solar Proton Events – eventos de prótons solares], resultando em N2O produzido fotoquimicamente. Este cenário preveria produtos fotoquímicos adicionais, como HCN (ácido cianídrico), que seriam indicativos de origens abióticas. A caracterização estelar confirmaria a magnitude da atividade estelar. A produção atmosférica vigorosa de espécies de NOx pode ser inferida a partir do NO2 espectralmente ativo. Créditos: Schwieterman et al.

As bioassinaturas, sinais específicos produzidos pela vida, são o foco de intenso estudo dentro da comunidade astronômica. Gases como nitrogênio (N2), oxigênio e metano são procurados nas atmosferas planetárias porque sua produção em larga escala está ligada à vida, embora fontes abióticas contribuam para falsos positivos. O Telescópio Espacial James Webb (JWST) fornece uma ferramenta nova e poderosa para explorar as atmosferas de exoplanetas terrestres temperados nos aproximadamente 5.000 sistemas exoplanetários conhecidos.

Um artigo da equipe da UC Riverside, da Universidade de Maryland e da NASA, liderada pelo Dr. Edward Schwieterman, propõe que a lista de bioassinaturas seja expandida para incluir oxigênio nitroso (N2O), o chamado gás hilariante que já foi empregado por anestesiologistas. O óxido nitroso está excluído da lista atual de bioassinaturas. O gás, embora produzido em quantidade por processos biológicos, seria difícil de detectar nas faixas interestelares nas atuais concentrações de N2O na atmosfera da Terra.

O Dr. Schwieterman e sua equipe acreditam que a exclusão do óxido nitroso não é merecida e propõem várias condições em que o N2O pode se acumular em quantidades e ser detectado por sensores de corrente. O artigo observa que grandes quantidades de N2O atmosférico podem se acumular se:

  1. As condições do oceano permitem uma liberação biológica significativa de N2O.
  2. O exoplaneta alvo orbita uma anã laranja classe K tardia ou uma anã vermelha inativa classe M precoce, emissores de UV de baixo nível comparáveis. A taxa de redução de N2 em N2 e óxidos nitrosos é proporcional à sua exposição aos raios UV.
  3. Os catalisadores enzimáticos metálicos, como o cobre, não são abundantes o suficiente para encerrar parcialmente o processo de redução. Durante o Proterozóico (aproximadamente 2.500 a 540 milhões de anos atrás), altas concentrações de N2O atmosférico produzido por processos biológicos podem ter estado presentes, pois os catalisadores de cobre não estavam prontamente disponíveis para reduzir o gás.
  4. A enzima óxido nitroso redutase, a última etapa do metabolismo de desnitrificação que produz N2 fixo a partir de N2O, nunca evolui.
  5. O fósforo em uma forma adequada para atividades biológicas é limitado, embora essa escassez afete adversamente a possibilidade de vida.
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac8cfb/pdf
Figura 1. Um ciclo esquemático do nitrogênio implementado no modelo biogeoquímico cGENIE. As linhas esmaecidas e tracejadas significam processos que não estão explicitamente incluídos no esquema. Os fluxos de N2O resultam da desnitrificação incompleta do nitrogênio fixado (nitrato: NO3 −) via enzima óxido nitroso redutase. A desnitrificação é um processo anaeróbico que depende dos fluxos orgânicos de C, que são limitados pela disponibilidade de nutrientes (fosfato: PO4 3-). Um déficit de catalisadores enzimáticos – como cobre (Cu) – devido à química da água oceânica ou abundâncias planetárias iniciais resultaria no término parcial do ciclo redox do N e pode produzir grandes fluxos de N2O. No cenário extremo sem catalisadores enzimáticos, ou se a enzima óxido nitroso redutase (ou um análogo) não tivesse evoluído, o fluxo de N2O seria igual ao fluxo de desnitrificação total. As reações fotoquímicas eventualmente retornarão de N2O para N2 na atmosfera. Créditos: Edward W. Schwieterman et al.

Dr. Schwieterman e sua equipe examinaram contribuintes para falsos positivos. Uma pequena quantidade de óxido nitroso e dióxido de nitrogênio (NO2) é criada por um raio. A presença de NO2 é um forte indicador de que o N2O é produzido por uma fonte abiótica.

Outra fonte de falsos positivos é a quimiodenitrificação, produção de N2O por meio da redução abiótica do óxido nítrico (NOx) pelo ferro ferroso.

A atividade estelar pode produzir produção abiótica de N2O. Este falso positivo está associado a estrelas jovens e magneticamente ativas.

Vários candidatos para uma busca de N2O orbitam TRAPPIST-1 (o nome é derivado de Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope, um telescópio robótico belga na instalação do European Southern Observatory em La Silla, Chile). Uma anã vermelha ultrafria mais velha que o Sol da Terra, TRAPPIST-1 é uma estrela do tipo M, a 40 anos-luz de distância da Terra. Sete exoplanetas rochosos são encontrados aqui, provavelmente feitos de materiais semelhantes à Terra – ferro, oxigênio, magnésio e silício – mas esses mundos são 8% menos densos que a Terra. Isso implica que a proporção entre os materiais constituintes nos mundos TRAPPIST-1 difere da proporção na Terra.

É possível que cada um dos quatro planetas externos e mais frios incorpore um grande núcleo, um manto e um planeta envolvendo o oceano. Encontrar N2O na atmosfera desses mundos seria uma pista significativa apontando para a existência de vida.

https://www.centauri-dreams.org/2022/10/25/biosignatures-the-case-for-nitrous-oxide/
A densidade de um planeta é determinada por sua composição, bem como seu tamanho: a gravidade comprime o material de que um planeta é feito, aumentando a densidade do planeta. A densidade não comprimida se ajusta ao efeito da gravidade e pode revelar como a composição de vários planetas se compara. Crédito: NASA/JPL-Caltech.

As condições em torno dos quatro planetas externos de TRAPPIST-1 parecem ideais para uma busca por óxido nitroso biológico. Os autores usam TRAPPIST 1e como caso de teste. Conforme o artigo científico:

Usamos o modelo biogeoquímico cGENIE para informar os fluxos máximos plausíveis de N2O para uma biosfera semelhante à Terra, que pode ser de 1 a 2 ordens de magnitude maior do que a da Terra atual, assumindo oceanos ricos em nutrientes e condições evolutivas ou ambientais que limitam o último etapa do processo de desnitrificação. Mesmo para fluxos biosféricos máximos de N2O de 100 Tmol/ano (Tmol = teramol = 1012 mol), uma atmosfera semelhante à da Terra nunca entrará em uma fuga de N2O, mas atingiria concentrações muito maiores do que as encontradas na Terra hoje. Descobrimos que estrelas anãs laranja classe K tardias e anãs vermelhas M iniciais inativas podem manter os níveis mais altos de N2O em qualquer fluxo de superfície, potencialmente excedendo 1.000 ppm. Mostramos que para fluxos de N2O de 10–100 Tmol/ano, o JWST pode detectar N2O a 2,9 μm em TRAPPIST-1e durante o tempo de vida da missão.

Edward W. Schwieterman et al.

À medida que olhamos para a instrumentação futura, as anãs laranjas classe K tornam-se particularmente suscetíveis a esta análise:

Planetas terrestres orbitando estrelas anãs laranjas K são alvos particularmente atraentes para buscas de N2O com futuras missões MIR [mid-IR], devido a separações angulares planeta-estrela favoráveis ​​e porque fluxos de N2O de apenas 2 a 3 vezes os da média global moderna da Terra podem produzir Assinaturas de N2O comparáveis ​​às de O3.

Edward W. Schwieterman et al.

No entanto, são necessárias pesquisas adicionais para fortalecer o caso do N2O como uma bioassinatura. A avaliação das combinações biológicas, geológicas e químicas que produzem grandes quantidades de N2O pode determinar candidatos a exoplanetas adequados, onde a busca por óxido nitroso apoiará descobertas de vida.

O artigo científico assinado por Edward W. Schwieterman et al., intitulado “Evaluating the Plausible Range of N2O Biosignatures on Exo-Earths: An Integrated Biogeochemical, Photochemical, and Spectral Modeling Approach,” está disponível em The Astrophysical Journal 937:109 (22pp), 01 de outubro de 2022.

Fonte

Centauri Dreams: Biosignatures: The Case for Nitrous Oxide por Don Wilkins

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Schwieterman_2022_ApJ_937_109-Evaluating-the-Plausible-Range-of-N2O-Biosignatures-on-Exo-Earths-An-Integrated-Biogeochemical-Photochemical-and-Spectral-Modeling-Approach

Para saber mais:

ROCA

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