ASTROBIOLOGIA A vida no contexto cósmico - inpe.br · A vida no contexto cósmico 1. ... 12 H2O +...

Carlos Alexandre Wuensche

Carlos Alexandre WuenscheDivisão de Astrofísica

CIAA 2009

ASTROBIOLOGIAA vida no contexto cósmico

Divisão de AstrofísicaCarlos Alexandre Wuensche

Sumário

Por onde começar? Por que o interesse? O que é vida?

Considerações cosmológicas e astronômicas

Habitabilidade planetária e extremófilos

A busca de vida fora da Terra

Conclusões

Por onde começar? A vida foi criada por acaso ou, uma vez que o

Universo existe, ela teria mesmo que

aparecer?

A vida é formada e se desenvolve a partir de

processos locais?

Existem condições realistas, no Sistema

Solar e fora dele, para a origem e evolução da

vida da forma como a conhecemos?33

Por onde começar? A vida foi criada por acaso ou, uma vez que o

Universo existe, ela teria mesmo que

aparecer?

A vida é formada e se desenvolve a partir de

processos locais?

Existem condições realistas, no Sistema

Solar e fora dele, para a origem e evolução da

vida da forma como a conhecemos?

Questões fundamentais para a astrobiologia:

1) Como a vida foi formada e evoluiu?

2) Existe vida em outros lugares do Universo?

3) Qual deve ser o futuro da vida na Terra e além dela?

Como definir vida?

Sistema com interação complexa e diversifica com o ambienteSistema em “desequilíbrio” termodinâmico

Existência de um mecanismo de memória e leituraGrande conteúdo de informação

Capacidade de auto-replicação

Hipóteses mais restritivas…Que tipo de sistema complexo? Cristais líquidos, plasmas… Sistemas químicos baseados em…? C, Si? Meio líquido é necessário? Por que a água? A existência de uma interface sólido-líquida é necessária?

J. Schneider, astro-ph/9604131; Szostak et al., Nature, 2001; Bains, Astrobiology 2004; Lunine 2005

Como definir vida?

COSMOLOGIA E

ASTROFÍSICA

Considerações astronômicas...A taxa de expansão do Universo é importante!

Os valores das constantes físicas não podem variar quase nada se quisermos criar sistemas bioquímicos complexos.

Os elementos químicos necessários para a formação da vida já estavam disponíveis quando o Universo tinha somente 200 milhões de anos de idade

Idade das estrelas deve ser ~ idade do Sol

Metalicidade: Fe ~ 1% da abundância de H

Ausência de eventos catastróficos (p.ex., supernovas)

Zona Habitável: ~ 10% das estrelas da Galáxia

M. Livio, astro-ph/0301615 (2003), C. Lineweaver, astro-ph/040102466

Existe uma Zona Habitável Galáctica?

Divisão de AstrofísicaCarlos Alexandre Wuensche8

A Tabela Periódica dos Astrônomos

A complexidade química da vida

Os elementos H, C, N, O, S, Fe e Mg, juntamente com o Fósforo (P) formam os biomonômeros considerados os “tijolos da vida

aminoácidos, açucares e nucleotídeos.

Monômeros formam polímeros:polissacarídeos, proteínas e ácidos nucleicos

Uma quarta classe de elementos básicos inclui elementos polares e não-polares

Lipídeos

Benzeno

Lista de moléculas conhecidas no meio interestelar

A lista ao lado contém, além das 131 moléculas listadas, mais 12 recém-descobertas, totalizando 148 moléculas conhecidas. Muitas delas desempenham um papel importante na bioquímica terrestre, contendo várias classes importantes: ácidos, álcoois, cetonas, éteres, ésteres, aldeídos, pré-açúcares e (em maio de 2006) açúcares.

Álcool + açúcar + gelo + água + ... = ????

Ref: www.astrochemistry.net

Etanol

Ácido acético

Glicina

HABITABILIDADE PLANETÁRIA

Zona habitável estelar?

Raio relativo ao raio da Terra

Principal requisito: água no estado líquido!!!

Vênus

itáve

Zona habitável estelar?

Raio relativo ao raio da Terra

Principal requisito: água no estado líquido!!!

Vênus

itáve

Zona extremófila?

Cometas e asteróides

Verdes: asteróidesVermelhos: asteróides a < 1,3 U.A.Azuis: CometasLinhas: órbitas de Júpiter a Mercúrio

Cometas e asteróides

Verdes: asteróidesVermelhos: asteróides a < 1,3 U.A.Azuis: CometasLinhas: órbitas de Júpiter a Mercúrio

Importantes para a

formação (deposição de

material orgânico) e

aniquilação (extinção em

massa) da vida na Terra1414

Evolução da atmosfera terrestre no tempo

Escape para o espaço

Água, H2, CO

Vapor atmosférico

Impactos

Temperatura

+ outros gases reduzidos CH4

Tempo até hoje, em bilhões de anos

Glaciações

Hoje1515

A Terra vista de longe...Arnold, L. Astro-ph/0706.3798v2

Condições de habitabilidade (a NOSSA receita)

1. H2O superficial por, pelo menos, um bilhão de anos

2. Intenso bombardeamento por cometas e meteoritos há ~ 7x108 anos

3. Intensa atividade geológica4. Existência de campo magnético5. Atmosfera contendo CO2-H2O-N2

6. Estabilidade climática7. Resistência a catástrofes por ~ 1 bilhão de anos

Extremófilos e o aparecimento da vida

Adaptada de Siefert (2006)

Bactérias e Archaea são forma de vida unicelulares!

Hipertermófilos

Ancestral Universal

99% de toda a biomassa da Terra!

Hipertermófilos

Ancestral Universal

99% de toda a biomassa da Terra!

NÓS somos uma ínfima parte do ramo dos eucariontes!!!

Hipertermófilos

Ancestral Universal

• Temperatura: -15° C < T < 121° C• 0,06 < pH < 12,8• 0 < Pressão < 1200 atm• Metabolismo não necessariamente baseado em

Oxigênio• 20-40 milhões de anos de dormência• 2 ½ anos no espaço, a -250 C, sem nutrientes,

água e expostos à radiação (Strep. Mitis)

• Temperatura: -15° C < T < 121° C• 0,06 < pH < 12,8• 0 < Pressão < 1200 atm• Metabolismo não necessariamente baseado em

Oxigênio• 20-40 milhões de anos de dormência• 2 ½ anos no espaço, a -250 C, sem nutrientes,

água e expostos à radiação (Strep. Mitis)

Deinococcus Radiodurans

Interface

substrato

Adaptada de F. Souza-Barros, 2006 21

Mecanismos

pré-bióticos

Transporte de massa

Excursões de temperatura

Excursões de densidade de carga (pH)

Fontes

orgânicas

abiogênicas

e iônicas

Meteoritos orgânicos

Lagos vulcânicos

El. orgânicos terrestres

Mar primitivo

Emissões de chaminés

Auto-montagem molecular

Aumento de complexidade

Casca mineral

Interface

substrato

Adaptada de F. Souza-Barros, 2006 21

Mecanismos

pré-bióticos

Transporte de massa

Excursões de temperatura

Excursões de densidade de carga (pH)

Fontes

orgânicas

abiogênicas

e iônicas

Meteoritos orgânicos

Lagos vulcânicos

El. orgânicos terrestres

Mar primitivo

Emissões de chaminés

Auto-montagem molecular

Aumento de complexidade

Casca mineral

A chave do mistério...

CO2 + 2 H2A (CH2O)n + O2 + 2A (Equação geral) Outros processos (e.g., usados por micróbios no Lago Mono - Califórnia) substituem água por outros compostos (Arsenito) no papel de doador de elétron. A equação fica, então:

(AsO33-) + CO2 CO + (AsO43-)A reação conhecida de fotossíntese, transformando gás carbônico em oxigênio é:

12 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

E os processos a seguir são todos de respiração anaeróbica, isto é, sem envolver oxigênio:

12 H2S + 6 CO2 C6H12O6 + 12 S + 6 H2O

CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O

CH3COOH CH4 + CO2

Reações de fotossíntese

→ Luz →

12 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

12 H2S + 6 CO2 C6H12O6 + 12 S + 6 H2O

CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O

CH3COOH CH4 + CO2

→ Luz →

→ Luz →METANOGÊNESE

12 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

12 H2S + 6 CO2 C6H12O6 + 12 S + 6 H2O

CO2 + 4 H2 CH4 + 2H2O

CH3COOH CH4 + CO2

→ Luz →

→ Luz →METANOGÊNESE

MUITO MAIS EFICIENTE QUE TODAS AS OUTRAS!

A BUSCA DE VIDA FORA DA TERRA

Duas estratégias clássicas

1.Siga a água!2.Siga a energia!

2.1.Vínculo fundamental na habitabilidade

2.2.Disponibilidade de energia torna possível a reprodução de estados “químicos” de baixíssima probabilidade (=vida!?!?!)

2.3.Identificação de biotraçadores pode ser muito mais eficiente (vida é moldada é molda o meio ambiente).

Procurando vida...Não inteligente...

Busca de bio-traçadores no Sistema Solar.

Busca de planetas extra-solares.

Busca de bio-traçadores em planetas extra-

solares.

Inteligente...

Busca de sinais “não-naturais” vindos de outro

local do Universo (SETI).

J. Tarter, Annual Review of Astronomy and Astrophysics (2001)2525

Marte: bastante explorado desde os anos 60

NASA(principais)Mars Rovers: Spirit e Opportunity 2003

Mars Oberver/Global Surveyor/Pathfinder: 92, 96 e 97

Viking, Mariner - anos 60 e 70

URSS (principais)Zond, Sputnik, Mars, Cosmos, Phobos - anos 60 a 80

ESA Mars Express, Beagle, Rosetta - anos 2000

Água em Marte?

Água líquida? Excesso de sal pode ter impedido a água em Marte de congelar-se facilmente

Dados dos jipes Spirit e Opportunity, combinados com dados das sondas Viking 1 e Pathfinder, indicam a presença dos mesmos 9 elementos em rochas em 4 regiões diferentes de Marte: S, Fe, Si, Mg, Ca, Cl, Na, K e Al.

Interações químicas com esses elementos fazem a água congelar a temperaturas muito inferiores a 0°C (Fairén et al., Nature, 2009)

ScienceNOW Daily News - 20 May 2009

Divisão de AstrofísicaCarlos Alexandre WuenscheCortesia Tomas Hode – Swedish Museum of Natural Science

EUROPA

Capa de gelo?

Ou um oceano?

Núcleo metálico

Interior rochosoCamada de H2O

Cobertura de gelo

Superfície de gelo quebradiço

Gelo convectivo “morno”

Oceano líquido sob o gelo

Titã – A Lua de Saturno

Atmosfera muito diferente da Terra (com nitrogênio e amônia).

Maior que a Lua e Mercúrio

Clima inóspito (T ~ -180˚ C)

Variacão de brilho nas imagens à direita sugerem a existência de um “continente” em Titã

Atmosfera muito diferente da Terra (com nitrogênio e amônia).

Maior que a Lua e Mercúrio

Clima inóspito (T ~ -180˚ C)

PLANETAS EXTRA-SOLARES

Último acesso: 27/05/2009Fonte: http://www.obspm.fr/encycl/catalog.html

Métodos de detecção de planetas

Capacidade existenteProjetada (10 – 20 a)Detecções primáriasAcompanhamentos

N-sistemas? - Incertezas

•353 planetas•274 sistemas planetários•33 sistemas com múltiplos planetas

25/06/2009

•Detecção por vel. radial: 327•Detecção por trânsito: 59•Detecção por microlentes: 8•Detecção por imagens: 11•Detecção por “timing”: 7

•353 planetas•274 sistemas planetários•33 sistemas com múltiplos planetas

25/06/2009

• Detecções não confirmadas, controversas ou negativadas (13/03/2009)• 58 planetas• 57 sistemas planetários• 1 sistema com múltiplos planetas

Possibilidade de detecção remota de vida

Detecção de um PANH na faixa IVHudgins et al. ApJ, 2005

O satélite Spitzer detectou PANHs em diversas galáxias, além da nossa.

Primeira evidência da presença de um composto pré-biótico interessante no MI.

Presença de N é essencial em compostos biologicamente interessantes (clorofila).

A presença de um planeta não é mais necessária para a formação de um PANH.

Detecção de um PANH na faixa IVHudgins et al. ApJ, 2005

O satélite Spitzer detectou PANHs em diversas galáxias, além da nossa.

Primeira evidência da presença de um composto pré-biótico interessante no MI.

Presença de N é essencial em compostos biologicamente interessantes (clorofila).

A presença de um planeta não é mais necessária para a formação de um PANH.

Cafeína

IRS-46 spectrumhttp://www.nasa.gov/lb/vision/universe/starsgalaxies/spitzer-20051220.html

A BUSCA DE VIDA INTELIGENTE E O PROJETO SETI

SETI (Search for Extraterrestrial Inteligence)

Recepção de sinais de rádio (~ 1 a 3 GHz)A Terra vem emitindo em radio frequências durante a maior parte do séc. XX

A Terra emite mais intensamente que o Sol em radio frequências.

A faixa de frequências entre 1 e 3 GHz é boa para comunicação interestelar

O conceito do programa SETI data do início da década de 60 e continua ativo!

Postura atual: ouvintes ativos, emissores passivos.

A janela da água... Absorção pela água na atmosfera terrestre

Absorção pelo oxigênio na atmosfera terrestre

Nível total de ruído em rádiofrequência

Radiação cósmica de fundo

Radiofrequência (MHz)

Ruído de fundo da Galáxia em rádio

http://www.planetary.org/stellarcountdown/sky_map.htmlMapa celeste dos candidatos mais promissores do SETI@home

A area azul delimita o plano da nossa Galáxia. Os quadrados amarelos marcam a posição dos candidatos mais promissores.

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

~ 1~0.1?

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

~ 1~0.1?

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

~ 1~0.1?

~1??~1???

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

~ 1~0.1?

~1??~1???

100 anos?

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

~ 1 por ano

~ 1~0.1?

~1??~1???

100 anos?

Equação de Drake

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L

Frank Drake

N = 1000 ou 0,000000001…

10 ~ 1 por ano

~ 1~0.1?

~1??~1???

Resultados dos programas SETI... Tecnologicamente, é possível detectar sinais equivalentes a potência de:

uma emissora de TV a um a.l., um radar militar a 300 a.l. um radar planetário semelhante ao de Arecibo a 3000 a.l.

Poucos objetos observados no volume definido acima. Baixa sensibilidade dos instrumentos atuais impede qualquer conclusão séria sobre o assunto. Melhoria necessária > 105 Resultados científicos significativos, desde a década de 60, a partir de 99 projetos científicos: NENHUM!Resultados doSETI@home: cerca de 2600 “candidatos finais”, com 1σ de significância, submetidos a reanálise

A sonda Pioneer 10

Codificacão das informações na Pioneer 10

CONCLUSÕES

Resultados dos últimos 20 anos

Os elementos e condições básicas para a formação da vida como a conhecemos estão espalhados pelo Universo.Existe vida em condições extremas na Terra e já se sabe que sua sobrevivência é possível no espaço.Foram encontrados até hoje 353 planetas extra-solares desde 1995 e o primeiro de tamanho comparável à Terra (2005)A busca de sinais extraterrestres inteligentes ainda não apresentou, depois de mais de 40 anos, nenhum resultado positivo confirmado.

Ainda não sabemos se...

a origem da vida é um acidente ou um mecanismo comumhá relação entre vida complexa e inteligência

Algumas opiniões com base nas evidências atuais:Se a origem da vida é somente um acaso, então estamos, provavelmente, sós no Universo, mesmo que planetas “terrestres” sejam comunsMesmo que a origem da vida seja um mecanismo universal e que planetas terrestres sejam comuns, vida complexa deve ser incomum (e inteligência, ainda mais incomum!)

Perspectivas...Radiotelescópios, satélites, e missões espaciais continuarão procurando evidências de bio-traçadores nos planetas e satélites do Sistema Solar

Idem, para planetas extra-solares e sinais de vida inteligente em estrelas próximas.

Extremófilos são, de longe, a nossa melhor aposta para ETs.

A “química do Silício”, ligada ao aparecimento de computadores inteligentes, pode originar uma forma de “vida artificial”, mas o problema da criação da vida permanece.

Podemos imaginar a existência de vida inteligente baseada em outros processos, físico-químicos ou não?

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