Abika (Auíca): fosfina, Vênus e... vida extraterrestre?

O anúncio da detecção de fosfina (PH₃) em Vênus causou uma polêmica no meio filomático: menos pela especulação a respeito de uma possível origem biológica do composto do que pelo despeito ao embargo.

O embargo é o período em que a fonte da informação combina com os jornalistas para que notícias a respeito do assunto não seja publicado - quase sempre coincide com a data da publicação oficial do estudo previamente distribuído à imprensa. Normalmente a editora da publicação separa artigos que acreditam que têm alto potencial de impacto para distribuir com embargo, assim consegue que os veículos noticiosos publiquem ao mesmo tempo aumentando a exposição simultânea do estudo. Para os jornalistas, cria um período previamente conhecido para produzir sua reportagem (entrevistar as fontes: os autores do estudo, especialistas não envolvidos diretamente, impressões de outros grupos que podem ter interesse nos resultados; coletar informações de contextualização; produzir imagens e o texto da matéria...). Às vezes, algum veículo publica antes da data combinada - ou porque julga que a informação é valiosa demais para os leitores para ser adiada por mais tempo, ou porque terá mais atenção exclusiva, ou por desatenção ou por outra razão). Eventualmente, o veículo é punido com o veto ao acesso antecipado a futuras publicações (geralmente nesse caso a punição é temporária, afinal as fontes também não têm o interesse de perder todos os potenciais meios pelos quais pode obter a divulgação do trabalho).

Alguns sites acabaram anunciando antecipadamente os resultados do estudo de Jane Greaves e colaboradores (2020) em que: 1) apresentam dados consistentes com a presença do composto fosfina na atmosfera de Vênus; 2) especulam sobre as origens, descartando vários fenômenos não-biológicos, e considerando a possibilidade de uma origem em atividade biológica (ou um fenômeno não-biológico desconhecido). Andou circulando inclusive vídeo oficial da Royal Astronomical Society (que estava como não listado no canal do Youtube)  No fim, não parece ter prejudicado a transmissão do anúncio oficial, mas parte da comunidade científica (especialmente astronômica) e de divulgadores (também especialmente ligados à astronomia) não gostaram nada do furo do embargo. Seria uma quebra da ética de comunicação.

É bastante discutível de se a quebra antecipada do embargo seria algo realmente antiético. Há alguma polêmica no meio jornalístico quanto à própria instituição do embargo. Em parte porque seria um tipo de cerceamento à liberdade da imprensa. Mas boa parte dos jornalistas (não sei dizer que a maioria) parecem gostar do sistema porque dão mais tempo para apurar e produzir o texto. De todo modo, é um acordo que envolve apenas as partes diretamente envolvidas: quem forneceu a informação e recebeu a informação antecipada sob a promessa de sigilo. Quem não participou desse acordo não tem nenhuma obrigação de manter esse sigilo caso a informação lhes caia em mãos. (E a prática jornalística, no geral, é, no momento em que alguém queima a largada, todos vão atrás para não ficar como retardatário com uma notícia que todo mundo já deu.)

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Oquei, feita essa digressão, vamos ao estudo em si.

A parte "astro" - física (e muito da química) - da Astrobiologia é bem estabelecida - é possível se testar várias hipóteses tanto em laboratório simulando as condições em algum planeta (ou mesmo estrelas ou meio interestelar) de temperatura, pressão, luminosidade, campo magnético e composição química e também se observar direta ou indiretamente os corpos celestes mensurando-se suas propriedades. Então os modelos sobre como é a composição dos planetas, como ela evolui no tempo tendem a ser relativamente robustos. O calcanhar de Aquiles é a "bio" da Astrobiologia. Não que não se possam fazer experimentos, mas a rigor só conhecemos uma forma de vida: a da Terra. É difícil extrapolar a partir disso para como seria a biologia em outros corpos siderais com alguma segurança.

Assim, a detecção da fosfina parece ser bem segura. Ela foi feita por meio da captação da luz do Sol refletida pela atmosfera de Vênus. Compostos diferentes absorvem a luz de modos diferentes - até por isso diferentes compostos podem ter cores diferentes. Para uma determinada faixa de luz (na verdade, já na faixa das micro-ondas), era esperado que a fosfina absorvesse de um certo modo - o que seria detectado por instrumentos na Terra como uma redução da intensidade da luz refletida nessa faixa. O resultado obtido é compatível com a presença de fosfina na atmosfera de Vênus (a cerca de 50 km da superfície) a uma proporção de cerca de 20 ppb (partes por bilhão - isto é, cerca de 20 mols de PH₃ para bilhão de mols de gases da atmosfera).

Já havia sido detectada fosfina na atmosfera de Júpiter e de Saturno. Lá não se especula que a origem seja biológica. Há mecanismos conhecidos em que o composto é gerado e mantido em uma atmosfera rica em hidrogênio e com regiões de altas temperaturas - compostos de fósforos acabam sendo reduzidos (o oxigênio é removido e hidrogênio acrescentado). Em regiões da atmosfera desses planetas gasosos com temperaturas acima de 1.000 K (cerca de 730°C), o único composto de fósforo presente é a fosfina; em regiões com temperaturas abaixo de 800 K (~530°C) a forma predominante é o trióxido de fósforo (P₄O₆) e em regiões com temperaturas abaixo de 500 K (~230°C) não deve haver fosfina. (Larson et al. 1977.)

Na Terra, com temperaturas atmosféricas na faixa dos 14°C (287 K) a fosfina está presente como traço - uma parte menor fruto da produção por atividades humanas e, supostamente, a maior parte por ação de micro-organismos (Sousa-Silva et al. 2020). Um problema é que, embora a presença natural de fosfina no ambiente em nosso planeta esteja associada a micro-organismos em condições anóxicas (sem a presença de oxigênio), ainda não se sabe por qual mecanismo o composto seria produzido, se por ação direta ou indireta; não há vias metabólicas conhecidas que levem à produção de fosfina.

A proposição da molécula como bioassinatura (isto é, um indicador de presença de formas de vida, aos menos para planetas não-gasosos) é bem menos sólida do que a física que embasa a afirmação de que há fosfina em Vênus (e em Júpiter e em Saturno). Embora se reconheça o esforço monumental da catalogação de possíveis fontes não biológicas da fosfina feita por Sousa-Silva e cols., a proposição se calca não apenas na suposição de que o catálogo de fontes não biológicas é suficientemente exaustivo a ponto de tornar a detecção da fosfina (a partir de certos níveis) como mais prontamente ligada a atividades biológicas, mas também de que a vida em outros planetas teriam uma fisiologia básica suficientemente similar à da Terra. É bastante problemática, a começar pelo fato citado de ainda não se saber o mecanismo pelo qual micro-organismos produziriam fosfina (se é que realmente produzem), como diversos outros organismos aqui mesmo da Terra não são suspeitos de produzirem a molécula (seriam micro-organismos e talvez nem todos que vivem em condições anóxicas). Mas, oquei, seria apenas o caso de que se fosfina, então (possivelmente) vida; e não se e somente se fosfina, então (possivelmente) vida - neste caso, a não detecção de fosfina não implicaria em (possivelmente) ausência de vida.

Porém, a atribuição da presença de fosfina na atmosfera de Vênus à atividade biológica pode causar bastante problemas. Se estamos supondo uma fisiologia suficiente similar à vida na Terra, bem, a vida na Terra está fortemente vinculada aos ciclos geoquímicos - não por outra razão chamados aqui de biogeoquímicos - dos principais componentes atmosféricos: nitrogênio, oxigênio, água e gás carbônico. A atuação da vida faz com que esses gases estejam em concentrações totalmente diferentes das que seriam esperadas se apenas reações químicas entre a atmosfera e a crosta terrestre estivessem em jogo (um pouco menos para o caso do nitrogênio, mas formas como a amônia são praticamente devidas somente à atividade biológica). Não é o caso da atmosfera venusiana - gás carbônico, nitrogênio, compostos de enxofre, oxigênio, água... são explicados sem envolver a atividade biológica - apenas pela interação entre a crosta, vulcanismo, atmosfera e luz solar. (Vide, p.e. Lammer et al. 2018.) Por que, então, a vida em Vênus é capaz, aparentemente, de afetar só o teor de fosfina? Se é fisiologicamente similar à vida em nosso planeta, por que é tão modesta em fixar o carbono abundante na atmosfera da nossa vizinha? Estaremos, talvez, trocando um mistério por um ainda maior.

Greaves et al. 2020 examinam as principais fontes abióticas possíveis para a fosfina e concluem que não poderiam produzir o composto na quantidade presente (não chegariam a um milionésimo do teor estimado). Os autores chegam a citar o trióxido de fósforo (P₄O₆) entre outros compostos de fósforo como potencial origem da fosfina - mas somente mencionam que, pelos cálculos, não seriam fontes viáveis em condições de Vênus. Detalham apenas o ácido fosforoso (H₃PO₃), em equilíbrio com o ácido fosfórico (H₃PO₄) nas gotículas na atmosfera, seria em quantidade insuficiente (o composto se degrada espontaneamente em fosfina e ácido fosfórico em condições de altas temperaturas). Tentei ir atrás da referência indicada para o cálculo da produção da fosfina, mas não fui bem sucedido (dizem no material suplementar que é a referência 35 "For further  details  on  thermodynamic   modeling  of  phosphine production in the Venusian atmosphere see ref. 35"; no artigo principal é Grinspoon, D. H. & Bullock, M. A. in Exploring Venus as a Terrestrial Planet (eds Esposito, L. W., Stofan, E. R. & Cravens, T. E.) 191 (American Geophysical Union, 2007).", mas não parece haver menção a fosfina aí.)

Então não sei bem como descartaram a via óbvia (alerta de gatilho: equações não-balanceadas):

P₄O₆ + H₂O→H₃PO₃

H₃PO₃ → H₃PO₄ + PH₃

O trióxido de fósforo é o principal composto de fósforo na atmosfera de Vênus (com concentração de 2 ppm em volume) e, embora o planeta não seja um oásis, há também vapor d'água por lá (44 ppm em mols). Verdade que a temperatura a cerca de 50 km da superfície, onde detectaram a fosfina, é relativamente amena, bem similar às da Terra; mas à superfície são tórridos 740K (cerca de 470°C - suficiente para degradar o ácido fosforoso). Certamente os autores consideraram essa via, dado o trabalho minucioso que fizeram ao longo de um ano desde que detectaram a fosfina pela primeira vez, mas é um pouco estranho não detalharem isso no material suplementar. E, pelas referências, não encontrei o cálculo que foi feito para desconsiderarem.***

Os autores, bom dizer, no anúncio oficial fizeram questão de frisar que *não* estavam anunciando que a origem da fosfina era biológica - mas que era uma possibilidade que consideravam (como está no artigo também). Mas creio que fariam bem se fizessem uma análise tão minuciosa a respeito dessa hipótese quanto fizeram sobre as demais hipóteses descartadas - apontando também as fragilidades dela (a começar pelo fato de *não* haver até hoje indícios de vida por lá).

Veja também
Ciência USP. 14.set.2020. Pode ter vida em Vênus? (vídeo)
Sergio Sacani/SpaceToday. 14.set.2020. Astrônomos descobrem fosfina em Vênus - um possível marcador da presença de vida.
Ned Oliveira. 15.set.2020. Astrônomos descobrem fosfina no planeta Vênus. (vídeo)
Julio Batista/Universo Racionalista. 14.set.2020. Foi encontrada vida microbiana em Vênus?
Felipe Hime/Café e Ciência. 15.set.2020. Possível vida em Vênus descoberta?
#PETCast. 15.set.2020. Vida em Vênus? com Aline Novais (áudio)*
SciCast. 18.set.2020. 394. Marcadores da Vida (áudio)*
Ricardo Senra. 17.set.2020. Anúncio de sinal de vida em Vênus é 'imprudente' e 'precipitado', diz astrofísica brasileira associada à Nasa.*
Astrotubers. 15.set.2020. Fosfina em Vênus. Bate papo com cientistas da área.*
Eduardo Sato/Instituto Principia. 21.set.2020. Possível indício de vida é detectado em Vênus.****
Fronteiras da Ciência. 14.out.2020. A descoberta da fosfina em Vênus. 5

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*Upideite(18.set.2020): adido a esta data
Upideite(18.set.2020): Cabe também lembrar que até hoje não foi detectado nenhum composto orgânico (formado por carbono e hidrogênio e eventualmente mais outros átomos) na atmosfera de Vênus. A sonda Pioneer Venus levou um cromatógrafo para o planeta e, na baixa atmosfera, chegou a registrar o que parecia sinais de metano, mas análises posteriores indicaram tratar-se de artefato. Vide Ross-Serote (2004).

Por uma conta bem por alto, baseando-me na correlação entre a quantidade de células de bactérias de certos grupos presentes em uma amostra de solo e o teor de fosfina nessa amostra (Liu et al. 2008), se uma eventual vida venusiana tiver fisiologia similar, seria de se esperar algo entre um milhão e um bilhão de "células" de "micro-organismos" por cm³ da atmosfera de Vênus. Uma concentração de 10 a 10.000 vezes a de bactérias presentes na água de um lago aqui na Terra (Banu et al. 2001).

Então algumas das dificuldades da hipótese da origem biológica da fosfina em Vênus  são:
1) Não tem vida conhecida no planeta - fica difícil inferir a origem de algo com base em outro algo para o qual não há indícios de sua existência. Usar a presença da fosfina para inferir a existência da vida ao mesmo tempo em que se usa a possibilidade da existência de vida em Vênus para explicar a presença de fosfina em sua atmosfera se chama raciocínio circular. Ou bem se tem estabelecido que fosfina nas condições de Vênus é um marcador seguro de vida - e para isso seria preciso haver testado a hipótese fa fosfina como bioassinatura antes (comparando a presença de fosfina em corpos celestes que sabidamente não se tem vida com corpos celestes que sabidamente se tem vida - e isso é complicado porque só conhecemos um planeta que sabidamente tem vida) - e a detecção de fosfina é um indicador de vida; ou bem se tem seguro que há vida em Vênus (e não se tem até hoje nenhum indício independente de que seja o caso) e isso explica a presença do composto na atmosfera;
2) Não se sabe se a vida na Terra produz fosfina. Há correlação entre a presença de determinados micro-organismos em determinadas condições (especialmente ausência de oxigênio) e presença de fosfina nesse ambiente. E só. Não se sabe como a fosfina seria produzida por ação biológica. Não se tem nenhuma via metabólica conhecida que produza fosfina.
3) As condições ambientais onde foram encontrada a fosfina em Vênus não são propícias à vida. Mesmo com a existência de organismos multiextremófilos - que sobrevivem e até prosperam em condições extremas de condições ambientais (como alta salinidade, ambientes muito ácidos ou muito básicos, altas ou baixas temperaturas, alta radiação, etc.) - não se conhecem organismos que sobreviveriam a um ambiente com presença tão alta de ácido sulfúrico como é o caso da atmosfera venusiana na chamada camada de nuvens (a cerca de de 50 km do solo do planeta); as condições de lá são altamente dessecantes (há vida conhecida que sobrevive à ausência de água, mas não que se multiplique em sua ausência).
4) Não há outros marcadores de presença de vida típica de organismos associados à presença de fosfina aqui na Terra. As condições em que encontramos por aqui em que a fosfina é gerada é também as condições em que metano é produzido. Não há metano em níveis significativos detectado na atmosfera de Vênus até o momento - mesmo com equipamentos que deveriam detectá-lo já enviados para lá (a Pioneer Venus, com um cromatógrafo a bordo, chegou a detectar o que parecia metano atmosférico nas regiões próximas ao solo, mas uma reanálise indicou tratar-se de um artefato).

Até o momento, a detecção da fosfina na atmosfera de Vênus é mais uma refutação da hipótese da fosfina como bioassinatura para planetas do tipo terrestre do que um indicador de vida em Vênus. A crítica de que devido à baixa relação sinal/ruído do tipo de observação que foi usada para detectar fosfina deve ser levada em conta - mas o sinal de fosfina é relativamente robusto já que foram usados dois instrumentos independentes, o Telescópio James Clerk Maxwell (JCMT) no Havaí, EUA, e o Observatório ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), no Chile. A continuidade das medições deve resolver essa questão do nível de ruído e resolver de vez se o sinal é mesmo de fosfina ou um artefato.

Upideite(24.set.2020): Em outro artigo (submetido para a revista Astrobiology**), os autores destacam mais as dificuldades com a hipótese da origem biótica da fosfina em Vênus. E há um pouco mais detalhes sobre a geoquímica e a química atmosférica dos potenciais caminhos de produção da molécula no planeta. (Mas ainda não ficou claro por que descartam a via do trióxido de fósforo.)

"However, there remain major problems with the concept of life in the clouds of Venus. The clouds are often  described  as  being  ‘habitable’  because  of  their  moderate  pressure  (~1  bar)  and temperature (~60 °C). However, moderate temperature and pressure do not necessarily make the  clouds  habitable  (Seager  et  al.  2021)  (and  in  any  case  pressure  is  irrelevant  -  terrestrial life can grow at any pressure from >1000 bar (Nunoura et al. 2018) to <1 millibar (Pavlov et al.  2010)).  To  survive  in  the  clouds,  organisms  would have  to  survive  in  an  extremely chemically  aggressive  environment,  one  that  is  highly  acidic  and  with  an  extremely  low concentration  of  water  (highly  dehydrating  and  very  low  water  activity).  Sulfuric  acid  is  a notoriously  aggressive  reagent  towards  sugars  and  aldehydes,  reducing  dry  sucrose  to charcoal in seconds. In principle life could exist in an aqueous droplet inside the sulfuric acid cloud  drop  (as  drawn  in  Figure  9  above),  but  this  poses  formidable  problems  in  itself.  No biological  membrane  could  remain  intact  against  such  a  chemical  gradient,  and  the  energy required to counteract leakage of water out of the cell (or sulfuric acid into it) will be orders of magnitude greater than the energy  used by terrestrial halophiles to  maintain their internal environment."
["Porém, restam ainda grandes problemas com a ideia de vida nas nuvens de Vênus. As nuvens frequentemente são descritas como sendo 'habitáveis' por causa de sua pressão (~1 bar) e temperatura (~60°C) moderadas. No entanto, temperatura e pressões moderadas não necessariamente tornam as nuvens habitáveis (e, de todo modo, a pressão é irrelevante - vida terrestre pode se desenvolver em qualquer pressão entre >1000 bars e <1 milibar. Para sobreviver nas nuvens, os organismos devem sobreviver a um ambiente extremamente agressivo quimicamente, um altamente ácido e com concentrações extremamente baixas de água (altamente dessecante e atividade d'água muito baixa). O ácido sulfúrico é um reagente notoriamente agressivo a açúcares e aldeídos, reduzindo sacarose seca a carvão em segundos. A princípio, a vida pode existir em gotículas aquosas dentro de gotas de ácido sulfúrico nas nuvens, mas isso traz um problema formidável em si. Nenhuma membrana biológica pode permanecer intacta contra um gradiente químico como esse e a energia necessária para contrabalançar a perda de água pelas células (ou a entrada de ácido sulfúrico) seria ordens de magnitude maiores que a energia usada por halófilos terrestres para manter seu ambiente interno."]

Lingam &Loeb (2020) em um pré-print sugerem uma densidade de biomassa de apenas 0,01 mg/m³ para produzir a fosfina - podendo ser muito menor. É bem menor do que a densidade plausível calculada por Limaye et al. (2018) como sendo plausível para Vênus: 0,1 a 100 mg/m³ - que seria, em princípio, detectável por instrumentos ópticos da Terra; e do que a densidade média de biomassa na atmosfera terrestre: 44 mg/m³. E muito menor do que meu cálculo: 280 a 280.000 mg/m³ (a minha conta leva em consideração de que se trata de uma comunidade bacteriana - muitos organismos não produzem fosfina)

**ht para @pjasimoes.

***Upideite(24.set.2020): Entrei em contato com William Bains por email questionando a respeito da via do trióxido de fósforo, reproduzo a resposta abaixo:

"i) P4O6 is the dominant species of phosphorus below about 20km, where H3PO3 would not be stable. In the cloud layer where H3PO3 would be stable in droplets, the amount of P4O6 is less than a millionth of the phosphorus. See Figure 5 in the arXiv mansuscript.
ii) Water is rare in Venus' atmosphere - it is extremely dry. So in the first part of the reaction scheme you suggest, almost all the P is present as P4O6, not H3PO3 (again, Figure 5)
iii) An alternative version would be to forget H3PO3 and ask about

P4O6 + H2O -> PH3 + H3PO4 (not a balanced equation!)

(effectively saying that the H3PO3 is a transient intermediate). Another respondent has asked about this, and I did not include it in the paper (my bad!), so I did an initial calculation for that. Subject to update, but it looks like the free energy of reaction under Venus conditions is around +200kJ/mol, i.e. at equilibrium the ratio of PH3:P4O6 will be something like 10^-45 in the cloud layer. So not a plausible source of the phosphine."
["i) P4O6 é a espécie dominante de fósforo abaixo de 20 km, onde o H3PO3 não pode ser estável. Na camada de nuvens onde H3PO3 pode ser estável nas gotículas, a quantidade de P4O6 é de menos de um milionésimo do [montante de] fósforo. Veja a Figura 5 no manuscrito no arXiv.
ii) A água é rara na atmosfera de Vênus - ela é extremamente seca. Então na primeira parte do esquema de reações que você sugere, quase todo o P presente é na forma de P4O6 e não H3PO3 (de novo, Figura 5)
iii) Uma versão alternativa seria esquecer do H3PO3 e pergunta sobre

P4O6 + H2O -> PH3 + H3PO4 (equação não balanceada!)

(efetivamente dizendo que o H3PO3 é um intermediário transiente). Uma outra pessoa perguntou a respeito e não incluí no artigo (mea culpa!), então fiz um cálculo inicial para isso. Está sujeito a alterações, mas parece que a energia livre da reação sob as condições de Vênus é de cerca de +200 kJ/mol, i.e., a razão no equilíbrio PH3:P4O6 será de algo como 10^-45 na camada de nuvens. Dessa forma, não sendo uma fonte plausível de fosfina."]

****Upideite(25.set.2020): adido a esta data.
5 Upideite(16.out.2020): adido a esta data.

6 Upideite(16.out.2020): Um pré-print alega haver encontrado sinal compatível com a presença de fosfina na atmosfera de Vênus nos dados de uma sonda da missão Pioneer-Vênus 2.7

Outro pré-print, com base em espectrografia de infravermelho a partir de um telescópio de infravermelho no Havaí, calculam que, se houver fosfina, não deve haver mais do que 5 ppbv (partes por bilhão em volume).

Upideite(28.out.2020): Autores de outro pré-print acreditam que o sinal encontrado corresponda não à fosfina, mas ao óxido de enxofre, SO₂.

7Upideite(17.nov.2020): O grupo publicou outro pré-print analisando sinais da Pioneer-Vênus com a conclusão de que pode haver fosfina no planeta.

Upideite(17.nov.2020): O grupo de Greaves et al. também publicou um pré-print reanalisando os dados do telescópio ALMA. Embora mais fraco do que o resultado anterior, ainda concluem por um sinal de fosfina na atmosfera de Vênus.