Uma bioassinatura pode ser definida como qualquer substância, objeto ou padrão relacionado à atividade biológica. Isto é determinado não apenas pela probabilidade da vida ter produzido, mas também pela improbabilidade de processos abióticos terem produzido. Portanto, a possível detecção de uma bioassinatura deve ser cuidadosamente averiguada, sendo que todos os processos abióticos conhecidos devem ser descartados antes de se concluir que se trata de um possível sinal de vida.
Determinados minerais também podem ser considerados bioassinaturas, com cerca de dois terços das espécies minerais presentes na Terra surgindo por meio de atividade biológica, direta ou indiretamente. No entanto, é necessário avaliar o contexto ambiental dessas substâncias, uma vez que a simples presença de uma espécie mineral por si só não constitui evidência direta de vida. Alguns minerais, como a hazenita, são produzidos exclusivamente por meio de atividade biológica na Terra, mas isso não impede que esses processos ocorram de forma abiótica em condições diferentes das da Terra. Por exemplo, os minerais de hidrocarbonetos terrestres estão geralmente relacionados a depósitos de carbono que se originam da biomassa. Porém, sabe-se que em Titã, os minerais de hidrocarbonetos podem resultar de processos químicos e físicos na lua. Portanto, é importante que as bioassinaturas minerais estejam associadas a outras bioassinaturas para que sejam inequivocamente produzidas pela vida.
As rochas e os minerais formam a matriz abiótica básica dos planetas, mas os próprios minerais, sua morfologia e composição podem servir como bioassinaturas por si só. Isso é ainda mais verdadeiro quando apresentados em combinações, como morfologia biogênica associada a biominerais ou determinados padrões isotópicos juntamente com moléculas orgânicas. Portanto, é essencial abordar o problema sob vários ângulos para detectar bioassinaturas inequívocas.
Mecanismos de bioprecipitação A produção de biominerais pode ser dividida em três tipos, descritos abaixo:
• A mineralização controlada biologicamente é um processo no qual a atividade celular pode direcionar a morfologia e o crescimento dos minerais para formar um esqueleto, como no caso dos moluscos, que constroem conchas para proteção, ou dos equinodermos. Nesse tipo de precipitação, o genoma do organismo codifica enzimas ou metabolismos que influenciam a nucleação e o crescimento dos minerais, e a produção de cristais pode estar associada à sobrevivência do próprio organismo.
• Na mineralização influenciada biologicamente a atividade microbiana não cria as condições necessárias para a precipitação, mas sim parâmetros externos as criam, sendo que a vida não é necessária para a produção dos minerais. No entanto, é necessária uma matriz orgânica, que influencia a composição dos minerais e sua morfologia por meio de interações entre a matéria orgânica e o precipitado.
• Por outro lado, a mineralização induzida biologicamente (biomineralização ativa) resulta da interação entre a atividade biológica e o ambiente. Nesse processo, o metabolismo microbiano cria condições ambientais (pH, concentração de íons ou relação Mg/Ca) que podem levar à precipitação de minerais, como é o caso dos carbonatos precipitados em esteiras microbianas. O metabolismo microbiano pode incluir fotossíntese, redução de sulfato por bactérias, metanogênese e respiração aeróbica, entre outros.
Esses três tipos de mineralização podem compartilhar muitas características estruturais e químicas, especialmente quando se trata da matriz orgânica na qual o biomineral está sendo depositado.
O metabolismo microbiano pode precipitar biominerais com características diferentes dos minerais abióticos, alterando significativamente o pH do meio e promovendo a formação de agentes complexantes orgânicos e inorgânicos. A complexação com íons metálicos pode resultar na dissolução de fases minerais que, em condições abióticas, seriam altamente insolúveis. Além disso, tais processos podem induzir a síntese de cristais nanocristalinos, resultantes da precipitação rápida em soluções altamente supersaturadas, com tamanhos, defeitos e morfologias que seriam difíceis de replicar por processos abióticos. A atividade microbiana também pode gerar proporções de elementos químicos e/ou isótopos característicos de minerais sintetizados biologicamente. Além disso, a precipitação mediada biologicamente pode favorecer a nucleação mineral heterogênea, muitas vezes preservando estruturas celulares na forma de microfósseis.
No entanto, distinguir entre essas estruturas e aquelas resultantes de processos abióticos continua sendo um desafio, pois, embora haja evidências de sua origem biológica, são necessárias mais pesquisas para desenvolver critérios robustos e confiáveis que permitam o reconhecimento inequívoco dessas bioassinaturas em rochas. Sabe-se que mudanças nas condições físico-químicas ao longo do tempo e do espaço podem gerar ambiguidade, dificultando a identificação de bioassinaturas, enquanto a maioria das bioassinaturas no registro geológico é ambígua. Portanto, é vital que os padrões de biogenicidade possam ser melhor identificados para aprimorar a identificação de bioassinaturas.
Além disso, muitos minerais podem ser precipitados em associação com a atividade bacteriana: carbonatos, como calcita (CaCO₃), aragonita (CaCO₃), dolomita (CaMg(CO₃)₂), siderita (FeCO₃), magnesita (MgCO₃), entre outros; fosfatos, como vivianita (Fe₃(PO₄)·2H₂O), apatita (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), variscita (AlPO₄·2H₂O), entre outros; silicatos, como sílica (SiO₂) ou caulinita (Al₄(Si₄O₁₀)(OH)₄); sulfuretos, como pirita (FeS₂), greigita (Fe₃S₄), entre outros; sulfatos, como gipsita (CaSO₄·2H₂O), barita (BaSO₄), entre outros; e óxidos, como magnetita (Fe₃O₄), hematita (Fe₂O₃), uranita (UO₂), entre outros.
Mecanismo da mineralização induzida biologicamente miniaturadaimagem|453x453px|Representação da mineralização induzida biologicamente. Os microrganismos podem induzir a precipitação mineral tanto em nanoescala quanto em microescala. Nesse sentido, os produtos do metabolismo bacteriano, como polissacarídeos, proteínas e outras EPS (Substâncias Poliméricas Extracelulares), podem interagir com cátions e ânions no ambiente, afetando a composição química e a estrutura cristalina dos minerais e conferindo-lhes propriedades diferentes das dos minerais precipitados abioticamente. As bactérias também podem regular condições como a concentração de íons no ambiente local ou o pH, fornecendo locais de nucleação para a formação de minerais. Nesse processo, a atividade metabólica dos microrganismos proporciona um microambiente no qual cátions e ânions são atraídos para as superfícies celulares, levando à sua precipitação na forma de minerais. A atração de íons como Ca2+ ou CO32- tem grande importância na formação de minerais, uma vez que a saturação local dessas espécies é fundamental para desencadear a precipitação.
Vida pretérita na Terra e a busca por bioassinaturas minerais em Marte É razoável, ao procurar vida fora da Terra, concentrar-se na vida que já conhecemos. Por esse motivo, a astrobiologia frequentemente se baseia no estudo das formas de vida terrestres como modelo para compreender e identificar vida potencial em outros planetas. Nesse sentido, as condições de Marte eram parecidas com as da Terra durante o surgimento da vida, caracterizado por temperaturas mais altas, uma atmosfera mais densa e a presença de água líquida em sua superfície. Consequentemente, a busca por vida em Marte pode se beneficiar do estudo das primeiras formas de vida na Terra. miniaturadaimagem|339x339px|Estromatólitos modernos em Shark Bay, Austrália. O estudo dos estromatólitos modernos pode ser útil para compreender as estruturas que se formaram há bilhões de anos. Assim, a primeira evidência amplamente reconhecida de atividade biológica na Terra remonta a aproximadamente 3,5 bilhões de anos, durante o período Pré-Cambriano, registrada na forma de tapetes microbianos fósseis (ou esteiras microbianas). Os tapetes microbianos, responsáveis pela formação de estromatólitos, são ecossistemas complexos e autossustentáveis compostos por comunidades microbianas interconectadas. Eles foram cruciais na evolução da biosfera da Terra, pois tiveram uma grande influência no desenvolvimento da atmosfera primitiva, consumindo CO2 por meio da fotossíntese e produzindo O2, e foram responsáveis pelo aumento significativo de oxigênio no Grande Evento de Oxidação.
Os principais organismos que compõem as camadas microbianas são bactérias (principalmente cianobactérias), fungos e algas. Muitos processos metabólicos, como a absorção fotossintética de CO2 e/ou HCO3−, a desnitrificação, a amonificação e a redução de sulfatos por bactérias, podem promover um aumento na alcalinidade do ambiente e favorecer a precipitação de carbonatos.
As substâncias poliméricas extracelulares (EPS), produzidas por microrganismos para fixação e proteção, desempenham um papel essencial na criação de locais de nucleação e na captura de sedimentos e íons. Em esteiras microbianas, o uso de energia e nutrientes pode ocorrer de maneira interconectada, envolvendo comunidades sintróficas, onde a atividade fotossintética na camada superior do tapete é equilibrada pela decomposição ou processos quimiotróficos que ocorrem na parte inferior. A presença de gradientes de luz e oxigênio resulta em uma estratificação microbiana bem definida. miniaturadaimagem|481x481px|Representação da estratificação de esteiras microbianas. Os micróbios que crescem em substratos sólidos geralmente utilizam o carbono na sua forma inorgânica como fonte de energia. As camadas estão normalmente organizadas verticalmente, variando com grupos funcionais que interagem ao longo de uma matriz inorgânica. A disposição das espécies microbianas segue um gradiente de bactérias aeróbicas a anaeróbicas, com a primeira camada composta por cianobactérias, que são fototróficas de oxigênio, seguidas por heterotróficos aeróbicos, bactérias fotossintéticas anoxigênicas, bactérias sulfurosas verde-púrpura, seguidas por redutoras de sulfato e, finalmente, metanogênicas.
Organizados verticalmente, esses organismos formam gradientes físico-químicos, onde as funções metabólicas de cada bactéria ou alga criam microambientes que diferem uns dos outros. As cianobactérias, que geralmente habitam a primeira camada das mantas microbianas realizando fotossíntese, são capazes de colonizar inúmeros ambientes, incluindo alguns ambientes extremos. As cianobactérias presentes no fitoplâncton são extremamente importantes, pois são responsáveis por aproximadamente metade de toda a fotossíntese global, tendo um papel crucial no ciclo do carbono.
Além disso, as esteiras microbianas dominaram mais de 85% da história da Terra e desempenharam um papel fundamental na regulação da maioria dos ciclos biogeoquímicos do planeta. Durante grandes extinções (como o evento de extinção do Permiano-Triássico), os tapetes microbianos foram normalmente os últimos organismos a serem afetados e os primeiros a recolonizar os nichos deixados pelos eucariotos. Assim, como os ecossistemas mais antigos da Terra e desempenhando um papel importante na vida como a conhecemos, as esteiras microbianas são fundamentais para compreender nosso passado e podem fornecer informações importantes sobre o papel dos micróbios na precipitação mineral. Por esse motivo, o estudo dos estromatólitos modernos pode ser útil, pois eles podem servir como modelos da vida terrestre primordial e, potencialmente, da vida marciana primordial.
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