Sobre “The Habitable Zone of Inhabited Planets” y el papel de los ritmos en

astrobiologiaJuan Fernando Gómez-Molina

(Comentarios al articulo deJorge I. Zuluaga Callejas1, Juan F. Salazar 2, Pablo Cuartas-Restrepo1, and German Poveda3 )1FACom - Instituto de Fısica - FCEN, Universidad de Antioquia, Calle 70 No. 52-21, Medellın, Colombia2Escuela Ambiental, grupo GIGA, Facultad de Ingenierıa Universidad de Antioquia, Calle 70 No. 52-21,Medellın, Colombia3Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, Universidad Nacional de Colombia, Medellın, Colombia

Juan Fernando Gómez Molina, miembro Intnal Grupo Neuro,

Y Grupo de Astrobiología Ameba Planetario Municipal, Medellín, Colombia

SuraméricaMayo 28 2014

Contenido

-Resumen-Conceptos iniciales-Analogía con bolas rodando en superficie.-Modelo del Mundo de las Margaritas (Modelo DW)-Conclusiones.-Conclusiones personales y conjetura (nosotros también tenemos una…).-Referencias.-Preguntas y Comentarios

Resumen La vida modifica los limites de la zona de habitabilidad de un planeta.

Se introduce el concepto de zona de habitabilidad para planetas habitados:

…es la región (alrededor de un estrella) donde se dan las condiciones para que un planeta pueda crear una subregión (intra-planetaria) para la existencia y persistencia de la vida.

La diferencia entre zonas de habitabilidad abióticas y bióticas depende de propiedades robustas (no sensible a particulares) de la vida.

Los limites de la zona de habitabilidad deben ser modificados dinámicamente para resaltar que la vida interactúa con su ambiente.

Ambiente Vida

limites de la zona de habitabilidad

Conceptos Iniciales:

-Efecto Invernadero, Albedo -Homeostasis -Ritmos biológicos

El efecto invernadero-albedo para un planeta mantenido por la interacción entre la vida (o bomba biológica) y su ambiente. Las nubes cubren en su mayoría solo el hemisferio iluminado. Al rotar el planeta, las nubes y el vapor de agua se mueven por la superficie, incrementando la habitabilidad. Mientras el hemisferio iluminado es enfriado por el mas alto albedo de las nubes, el hemisferio mas obscuro radia mas fácilmente el calor acumulado al espacio debido a una reducción en el efecto invernadero. ET: Evapo-transpiración.CNN: Condensación de núcleo nuboso. ET y CNN son subproductos de la actividad biótica que afecta fuertemente la formación de nubes.

Gaia y Homeostasis de:Temperatura del planeta:Compuestos “buffers” para CO2, macromoléculas anticongelantes (antifreeze proteins, dehydrins).H2O en el planeta:Potencial de agua (Pw, Energia/volumen, análogo al voltaje): cuantifica la tendencia del H2O a moverse de un área a otra debido a osmosis, gravedad, presión mecánica, tensión superficial o acción capilar. Solutos, sales e iones: regulan Pw.Ingestión, excreción y transpiración: regulan flujo de H2O.

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Espectro de variación Geomagnética. Ritmos que nos conectan con el cosmos Ultradianos (T<24 h) ,Circadianos (T=24 h), Circa-anuales (T=360 d)Supra-circa-anuales (T = 4-10 anos?) From Gomez and Restrepo 2012

Analogía con bola en superficie lisa

La forma de la superficie determina las posiciones (estados posibles) de un planeta. según las ecuaciones astrofísicas.La fuerza F son las perturbaciones posibles que cambian el estado de un planeta. La posición de la bola roja (X,Y) representan el estado actual de un planeta.Y (vertical) es la variable de potencial (temperatura en este caso) =V(X).X (horizontal) es otras variables de estado asociadas a un planeta. Posición Inicial Posición final.

Superficie plana (equilibrio neutro): no hay preferencia o “atracción” por ningún Estado (posición) o valor de X. La temperatura, Y, no cambia en este caso.

Superficie con un pozo, valle o atractor(preferencia por un estado).La temperatura, Y, y X suben y bajan alredor del pozo hasta que se estabiliza en el fondo del mismo (estado X’, Y’). Hay tendencia a regresar al punto (X’, Y’) si se esta cerca al pozo (en el basin of atracción o rango de regulación). Hayhomeostasis o reali-mentacion negativa y el atractor es de punto fijo.

Si la superficie no tiene fricción, la bola no frena y nunca deja de oscilar (atractor de ciclo limite).

Superficie con una cima. Equilibrio inestable. Umbral. La bola podría estabilizarse en la cima (curva en negro, derecha) pero cualquier perturbación la sacaría de ese estado y desencadena un movimiento (realimentación positiva). “Hueco” en el esferoide de protección electromagnético. Cuenca de atracción muyPequeña, casi nula.

Superficie con 2 pozos (2 estados de equilibrio estable) pero el segundo es mas profundo (mas estable). Hay 2 estados inestables (cimas).

Superficie con 3 pozos. Solo el poso central tiene su punto de equilibrio y su rangode regulación (Rs) dentro del rango de temperaturas de agua liquida (Lw).Si las perturbaciones son pequeñas, los cambios de temperatura (azul, derecha) siguen oscilando dentro de Rs y Lw. Si son muy grandes, el planeta puede salir de Rs y entrar en otro pozo cuyo punto de equilibrio esta fuera de Lw (negro, derecha)alejando el planeta de condiciones favorables a la habitabilidad. Note que si Rs∩Lw = L.R = 0, no hay posibilidades de vida.

Caso 3

El punto de equilibrio estable esta dentro de L.R. Ante perturbaciones pequeñastanto I como U siguen dentro de la zona azul (Liquid water, Lw). Buenas posibilidades de habitabilidad.

Planeta (I) =habitado(U)=deshabitado

Azul: Rango de temperatura (agua liquida).

De 1 a 5: el flujo estelar se incrementa debido a la luminosidad estelar o a la cercanía con la estrella. 2,4: estados intermedios que cambian la configuración de la superficie de estados debido a la vida que crea un pozo adicional metaestable (2) o estable (4).

Stellar flux

Planet is too cold

planet is too hot

Los ritmos biológicos se sincronizan a los ciclos planetarios y el complejo planeta-vida (línea azul) adquiere mayor regulación, mayores constantes de tiempo y las fluctuaciones se suavizan, respecto a un planeta sin vida (línea en café).

Un pensamiento

Modelo Numérico DW (Daysiworld)

o Sistema “Mundo de Margaritas”

Simplificación didáctica del modelo de margaritas

Modelo de margaritas con ciclo hidrológico. (Salazar and Poveda 2009).Líneas punteadas son relaciones hipotéticas no incluidas en el modelo. Analogía con el tanque de agua: El cambio en el nivel de agua (temperatura, población de margaritas, agua en nubes) es lo queEntra menos lo que sale.

Ahorros = Ganancias – Perdidas

Forma General de las ecuaciones diferenciales del modelo DW

Tomado de Gómez-Molina 2012, I, 21

De Gómez-Molina 1993

Cambio en:

Temperatura = Entrada de la estrella + Entrada de las nubes – Salida (Eq. 1)la superficiePoblación de (Eq. 2)Margaritas = Rata de nacimiento/crecim β - Rata de mortalidad N γFracción de (Eq. 3)H20 en nubes = Rata de evapo-transpiración (E) - Rata de precipitación (P)

Ts: Surface temperature. (Temperatura de la superficie del planeta).ac, aw, ab and ad: fractions of clouds, white and black daisies and bare-ground, respectively.

El balance de energía térmica implica:

S : stellar energy flux measured in units of the solar flux at Earth distance. S@: stellar constant.cp: planetary mean heat capacity or thermal inertia Stefan-Boltzmann constant. s, c: subindex for albedo of planetary surface and clouds, respectively. Tc: temperature of clouds which is related to Ts through the atmospheric lapse rate (Salazar and Poveda 2009).

Circuito equivalente (adición de calor interno del planeta?)

Efecto de Capacidad térmica R = f(Tc) R=g(Ts) tectónica calor Las nubes superficie del interno planeta del planeta

Asumiendo que no hay nubes (ac=0) ni inercia térmica (cp=0) se llega a un balance entre la radiación incidente de onda corta y la que se emite de larga onda:

S.S@/4 a = s.(Ts)^4

Que corresponde a la ecuación original de balance del modelo DW (Watson and Lovelock 1983).

ac, aw, ab and ad: fracción de nubes, de margaritas blancas, negras y suelo desnudo, respectivamente.

- i = b, w se refiere a cantidad de margaritas negras (black) y blancas (white)- βi tasa de crecimiento de las margaritas i (función de la temperatura y otros)- γ Gamma es la rata de mortalidad de las margaritas

Modelo de margaritas con ciclo hidrológico. (Salazar and Poveda 2009).

Temperatura de equilibrio vs. fuerza radiante de la estrella en el modelo DW incluyendo nubes y el ciclo de agua (curva verde sólida). En S/S@=1.4 (0.57) hay una caida (subida) de la temperatura que no se da si el planeta esta deshabitado y seco (línea roja) o deshabitado y húmedo (línea azul). Al ampliarse el rango de S/S@ en el cual hay agua liquida, se amplia también el rango de habitabilidad para el planeta habitado (área verde clara).

Zonas de habitabilidad para planetas habitables en el modelo DW. Las curvas Indican la distancia a una estrella de secuencia principal, con una temperatura efectiva Teff donde el flujo entrante S/S@ de la estrella es recibido por igualen los bordes mas interiores y exteriores de InHZ. Los rótulos resumen el criterioque distingue cada variante. La longitud de la flecha doble en la mitad de cada tirarepresenta el lapso de SR (región de estabilidad) de InHz.

Conclusiones

Habitabilidad sin vida no puede definirse

“La vida no puede ser excluida cuando se pretende buscar los estados de equilibrio posibles en los limites de la zona habitable.”

“habitabilidad es una propiedad emergente de el sistema acoplado biota-ambiente y no es simplemente un prerrequisito físico determinado completamente por factores astrofísicos o geofísicos.”

El valor de las oscilaciones

Los estados de equilibrio deben ser caracterizados por oscilaciones inducidas biológicamente (ciclos limite) mas que por atractores de punto fijo en las variables ambientales.

Ciclos limites son la regla, no la excepción en sistemas dinámicos vivos (Nicolis and Portnow 1973).

Un buen ejemplo es el ciclo estacional de CO2 en la atmosfera de la tierra “La curva de Keeling”, (Keeling 2008) la cual esta manejada por cambios en la vegetación de la tierra por las estaciones (Keeling et al. 1996).

Nota: este ciclo tiene fluctuaciones diarias y anuales.

Conclusiones Personales

“Que es primero: la vida o la habitabilidad? el agua liquida o la temperatura habitable en la superficie?”

Ambos factores pudieron haber contribuido infinitesimalmente en los comienzos de la formación planetaria. Solo son separables a nivel infinitesimal.Espiral sin comienzo ni fin.

Conjetura (nosotros también tenemos una…)

Las propiedades mas generales de la vida en el universo deben ser descritas comofunciones (fisiología), no estructuras (H2O, DNA/RNA etc.). La astrofisiología, un subcampo de la astrobiologia, se encargaría de esto. Sospechamos que:

(i) La capacidad de generar ritmos eléctricos autosostenidas y autoacoplados (anidamiento entre frecuencias armónicas y regulados hastaniveles infinitesimales) es una propiedad esencial de la vida.

(ii) Estos ritmos serian inducidos primero y seleccionados después por eventosastrofísicos similarmente oscilatorios y auto acoplados.

Referencias

Zuluaga Callejas Jorge I., Salazar Juan F., Cuartas-Restrepo Pablo, and German Poveda (2014) The Habitable Zone of Inhabited Planets.Zuluaga, J. I., Bustamante, S., Cuartas, P. A., and Hoyos, J. H (2013): The Influence of Thermal Evolution in the Magnetic Protection of Terrestrial Planets, ApJ , 770, 23.Zuluaga JI, Cuartas-Restrepo PA (2012) Evolution of magnetic protection in potentially habitable Terrestrial planets. 2012Williams RJP. (2006) The evolution of calcium biochemistry. Biochimica et. Biophysica Acta. 1139-1146.Watson AJ and Lovelock JE (1983) Biological homeostasis of the global environment the parable of Daysiworld, Tellus 35B, 286-289.Sagan, C. and Mullen, G.: Earth and Mars: Evolution of Atmospheres and Surface Temperatures, Science, 177, 52–56, 1972.Salazar, J. F. and Poveda, G.: Role of a simplified hydrological cycle and clouds in regulating the climate-biota system of Daisyworld, Tellus B, 61, 483–497, 2009.Nevison, C., Gupta, V., and Klinger, L.: Self-sustained temperature oscillations on Daisyworld, Tellus, 51B, 806–814, 1999.Llinas R (2001) I of the vortex. A Bradford Book. The MIT Press. Cambridge, MA.Lovelock, J.: The ages of Gaia: a biography of our living earth, Oxford. University Press, 1995.Lovelock, J. E.: Gaia: A New Look at Life on Earth, Oxford University. Press, 1979.Gomez-Molina JF (1993). Notas de curso dictado por el autor en Teoria de Sistemas. Fac de Ingenieria de Sistemas. Universidad San Buenaventura. Medellin, Colombia.

Gomez JF and Lopera F (1998) A thalamic electric oscillator for interhemispheric communication. IEEE/INNS congress in Neural Networks. P. 377-380.Gomez JF. (2000) Deep brain stimulation using neural networks. 42 p. 1-2. INNS/ENNS/JNNS Newsletter, appearing with volume 13, 7 of Neural Networks.Gomez JF and Restrepo A (2009). From invertebrate eyestalk and new MRIs to "theoretical astrophysiology" of bilateral telereception. Poster 19.16/GG29. Society for Neuroscience meeting.Gomez JF and Restrepo (2012). Electromagnetism and magnetoreception: Detection of astrophysical events by organisms and robots. 2nd international Congress in astrobiology. Medellin, Planetario Municipal.Gomez JF, Restrepo A and Molina L. (2010). Edge processing: From Gabor filters in V1 to robotic design (applied astrophysiology) in day/night and up-fast vs. down-slow conditions. Cuadernos de Investigacion. Universidad EAFIT. ISSN 1692-0694Gómez-Molina JF (2012, I, 21) Electricidad y Electromagnetismo: Ecuaciones y Principios de Conservación/Continuidad. Presentación para fines de demostración pedagógica, Fisica, Departamento de Ciencia básica, Universidad de Medellín. 21 Enero 2012.Franck, S.: Global water cycle and Earth’s thermal evolution, Journal of Geodynamics, 32, 231–246, 2001.Foley, J. A., Costa, M. H., Delire, C., Ramankutty, N., and Snyder, P.: Green surprise? How terrestrial ecosystems could affect earth’s climate, Frontiers in Ecology and the Environment, 1, 38–44, 2003.Franck, S.: Global water cycle and Earth’s thermal evolution, Journal of Geodynamics, 32, 231–246, 2001. Franck, S., Kossacki, K., and Bounama, C.:

Muchas Gracias !!

Comentarios o Preguntas?

El papel del calcio: El calcio es importante en la regulación abiótica de la temperatura y los ritmos rotacionales y translacionales del CO2, pues unidos forman un almacén de largo plazo de este gas, pudiéndolo liberar cuando se requiera subir la temperatura.Disolucion del carbonato de calcio:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca²+ + 2 HCO-

A mayor CO2, menor pH en el agua (acidificacion oceanica).

Es clave para la evolución de la vida controlar la alta reactividad delcalcio, separarlo de su tendencia a reaccionar con el fósforo, para que este pudiera ser utilizado en el almacenamiento de energía producida por protones (Llinas, 2001).

El calcio activa muchos procesos celulares y su estrecho control le da a la vidala capacidad de responder sincronizadamente a su ambiente.