Procura por Vida

Fora da Terra

José Eduardo Costa

Dept. AstronomiaInstituto de Física – UFRGS

Astrobiologia

Astrobiologia – estuda a origem, a evolução,

a distribuição e o futuro da vida no

Universo.

A astrobiologia é uma ciência multidisciplinar, envolvendo áreas da Biologia, da Astronomia e da Geologia, bem como outras ciênciasmultidisciplinares.

Outras designações como

Exobiologia, Xenobiologia, Xenologia, Bioastronomia, Cosmobiologia, etc,

foram propostos no passado para este campo da ciência, mas o termo que mais se usa atualmente é Astrobiologia.

Origens da Vida na Terra:

Hipótese de Oparin-Haldanee o

Experimento de Miller-Urey

Como a vida surgiu na Terra?

1 – Os primeiros organismos vivos vieram de fora da Terra (panspermia).

2 – Os primeiros organismos surgiram no ambiente primitivo da Terra.

Neste caso, as primeiras formas de vidateriam sido trazidas por meteoros.

O origem da vida estaria fora da Terra.

Duas hipóteses:

(Essas duas possibilidades não são mutuamente excludentes.)

O ambiente primitivo da Terra

A Terra se formou a partir de 4,6 bilhões de anos. Gases voláteis como o hidrogênio (H2) e

o hélio (He) estavam presentes na atmosfera primitiva da Terra, mas foram progressivamenteescapando da mesma.

Não havia oxigênio (O2) e, portanto, ozônio (O

3). Sem uma camada de ozônio, a superfície

do planeta estava totalmente exposta à radiação ultravioleta do Sol.

A atividade vulcânica e o desgasamento do interior quente da Terra lançaram para a atmosfera, grandes quantidades de vapor d'água (H

2O), monóxido de carbono (CO),

metano (CH4), amônia (amoníaco, NH

3), e outros gases.

Neste ambiente inóspito, em algum momento, a vida surgiu.

Com o esfriamento, a água formou oceanos e lagos.

Hipótese de Oparin e Haldane

Oparin Haldane

Oparin (bioquímico russo) e Haldane (biólogo inglês)publicaram em 1924 e 1929, respectivamente, doistrabalhos independentes que, curiosamente, tinham omesmo título: “A Origem da Vida”.

As hipóteses apresentadas por Oparin e Haldane eram baseadas na “ Teoria da EvoluçãoQuímica (ou molecular)” apresentada anos antes por Huxley (biólogo inglês).

Oparin e Haldane, partiram do pressuposto de que a atmosfera primitiva da Terra eracomposta predominantemente por metano (CH

4), amônia (NH

3), hidrogênio (H

2),

monóxido de carbono (CO) e vapor d'água (H2O), gerados pela atividade vulcânica.

Oparin e Haldane propuseram de que a vida seria resultante de uma evolução química:os compostos inorgânicos da atmosfera primitiva teriam formado, através de reaçõesquímicas, moléculas orgânicas. A atividade elétrica durante tempestades (relâmpagos)junto com a emissão solar teriam gerado radiação ultravioleta suficientepara fornecer a energia necessária para que tais reações ocorressem.

(aminoácido) (proteína formada por cadeias peptídicas de aminoácidos)

Hipótese de Oparin e Haldane – Coarcervados

As moléculas orgânicas formadas na atmosfera da Terra foramlevadas pela água da chuva para os lagos e oceanos primitivos, formando mais tarde, moléculas orgânicas ainda mais complexas, como proteínas...

Moléculas orgânicas complexas, deram origem à coacervados, aglomerados primitivos de compostos orgânicos, envoltos por água.

Os coarcervados eram parcialmente separados do meio e realizavam trocas com o meio externo ao mesmo tempo em que ocorreriam reações químicas entre seus compostos internos.

Em algum momento, surgiram sistemas envoltos por uma membrana lipoprotêicacom uma molécula de ácido nuclêico em seu interior.

Mais tarde, adquiriram capacidade de reprodução, isto é, podiam se dividir, gerando outros sistemas semelhantes. Estes, teriam sido os primeiros seres vivos da Terra.

Diferentes tipos de coarcervados se formaram. Os mais instáveis quebraram e se desfizeram. Outros coarcervados uniram-se formando coarcervados mais complexos.

Hipótese Autotrófica

Testando a hipótese de Oparin-Haldane

Stanley Miller (1930 – 2007)Químico e biólogo americano.

Harold Urey (1893-1981)Físico-químico americano.

Prêmio Nobel de Química – 1934(pelo estudo dos isótopos)

O experimento de Miller-Urey (1952-3) foi concebido para testar a hipótese de Oparin-Haldane de que os compostos orgânicos percursores da vida teriam sido sintetizados a partir de compostos inorgânicos no ambiente primitivo da Terra.

A proposta de realização do experimento partiu de Stanley Miller, na época estudante de Harold Urey, Prêmio Nobel de Química por seu trabalho sobre isótopos.

Experimento de Miller-Urey (1952-53)

Equipamento: um balão de vidro contendo água aquecido por uma fonte de calor simulavaos oceanos primitivos, aquecidos pelo interior quente da Terra. O vapor gerado se juntavaa uma mistura de gases – metano (CH4), amônia (NH3), monóxido de carbono (CO) ehidrogênio (H2) – simulando a atmosfera primitiva. Dois eletrodos ligados a uma fonte dealta tensão reproduziam as descargas elétricas da atmosfera, fonte (junto com a luz solar)de radiação ultravioleta, necessária para a ocorrência das reações químicas. A mistura era resfriada e se condensava para depois se juntar ao balão de água, simulando o ciclo dechuvas.

Resultados: após uma semana de operação contínua, foi constatado que de 10 a 15% docarbono dos compostos inorgânicos iniciais estava agora formando moléculas orgânicas,sendo que 2% haviam formado aminoácidos.

Objetivo – o experimentode Miller-Urey foi idealizadopara testar as hipóteses deOparin-Haldane através deuma simulação do ambienteprimitivo da Terra.

Moléculas orgânicas

são sintetizadas

fora da Terra ?

Compostos orgânicos em nuvens moleculares

Já foram detectadas centenas compostos orgânicos em nuvens moleculares dentro de nossa galáxia e até em outras galáxias!

hidrocarbonatos aromáticos hidrocarbonatos alifáticos alcools ácidos aldeídos cetonas aminas éteres etc...

No meio interestelar há nuvens rarefeitas degás e poeira. Acima, se vê a nuvem localdentro da qual o Sol e as estrelas mais próximasestão.

A análise espectral da luz que passa através destemeio permite estudar sua composição química.

● Vários meteoritos apresentam aminoácidos de origem extraterrestre.

Berringer (1.2 km x 175 m) Peru (30m x 6m)

Meteorito Willamette

Podemos também procurar por moléculas orgânicasem amostras vindas de fora da Terra: meteoritos

Condições de Habitabilidade

Ingredientes químicos básicos

Os “ingredientes” químicos, necessários para a Vida:

● os 6 elementos biogênicos:

C – Carbono H – Hidrogênio O – Oxigênio N – Nitrogênio S – Enxofre P – Fósforo

(e pequenas quantidades de vários outros elementos)

● ÁGUA LÍQUIDA

Locais habitávies – são ambientes onde estes “ingedientes” estejam presentese com outros parâmetros ambientais (como temperatura, pressão, pH do meio,intensidade de radiação, etc) dentro de certos limites e que potencialmentepoderiam abrigar algum tipo de Vida.

IMPORTANTE: quando se diz que um ambiente é “habitável” não se quer dizer que este seja “habitado” ou mesmo que em algum tempo este ambiente foi ou será habitado.

O conceito de “zona habitável”

Se o planeta estiver perto demais da estrela → temperaturas demasiado altas na superfície.

Se o planeta estiver longe demais da estrela → temperaturas demasiado baixas na superfície.

A região ao redor de uma estrela onde faixa de temperatura permitiria a existência de águalíquida na superfície de um planeta é chamada de “zona habitável”.

Esta definição de “zona habitável”, baseada unicamente na distância média que do planeta à estrela, é útil, mas é também um tanto simplista, pois não leva em conta os efeitos da atmosfera do planeta sobre a temperatura em sua superfície e a possibilidade de existir água líquida em regiões mais distantes, como por exemplo, sob crostas de gelo de planetas ouluas .

TEMPO: um ingrediente fundamental

● Idade da Terra = 4.6 bilhões de anos (compostos orgânicos)

● Paleontologia: fósseis microscópicos de bactérias e algas = 3.8 bilhões de anos

● Tempo para surgir vida na Terra = ~ 800 milhões de anos.

● Homo sapiens = ~ 300 000 anos

● Homo sapiens sapiens = ~ 125 000 anos

● Civilização = ~ 10 000 anos (com o fim da última era glacial)

● Na Terra, foram necessários ~ 800 milhões de anos para a vida surgir e 3,8 bilhões de anos para aparecer vida inteligente.

(fósseis de microrganismos)

Organismos Extremófilos

“A vida pode tomar formas inesperadas,evoluir em lugares improváveise de formas imprevisíveis.”

Dentro de que condições ambientais a vida pode existir ?

● quais são os limites de temperatura?

● quais são os imites de pressão?

● quais são os limites de pH?

● quais são os limites para intensidade de radiação?

● qual deve ser a concentração mínima de água do meio?

● etc, etc, etc...

Podemos encontrar respostas para essas perguntas, pelo menos para o caso dasformas de vida existentes na Terra, estudando organismos que vivem em condiçõesextremas: os extremófilos.

EXTREMÓFILOS

● Hipertermófilos: crescem em elevadas temperaturas (T > 80oC);● Criófilos: crescem em baixas temperaturas (T < -13oC);

● Halófilos: vivem em salinas, com altas concentrações de NaCl (2 a 5 mol/L);● Alcalófilos: vivem em meios muito alcalinos (pH > 9);● Acidófilos: suportam meios muito ácidos (pH < 3);● Metalotolerantes: toleram altas doses de metais pesados em soluções (Cu, Cd, As, Zn);● Osmófilos: crescem em ambientes com altas concentrações de açúcar;

● Endólitos: vivem dentro de rochas (pensava-se que rochas eram estéreis, sem nutrientes);● Hipólitos: encontrados dentro de rochas de desertos gelados;● Oligótrofos: capazes de crescer em ambientes nutricionalmente limitados;● Xerófilos: crescem em ambientes extremamente secos;

● Piezófilos: crescem sob altíssimas pressões (no fundo do solo ou dos oceanos);● Hipobarofílicos: suportam baixíssimas pressões;● Radiorresistentes: sobrevivem à 5000 Grays (10 Grays matam um homem);

Os extremófilos são classificados em diferentes grupos:Os extremófilos são classificados em diferentes grupos:

Extremófilos que vivem em condições extremas de temperatura

(hipertermófilos e criófilos)

Campeão: Pyrodictium occultum (120oC)

(vulcões submarinos)

Acidófilos & Alcalófilos: extremófilos que vivem em ambientes extremamente ácidos ou muito alcalinos

Ácido Básico / AlcalinoNeutro

(alcalófilos)(acidófilos)

Xerófilos: extremófilos que crescem em ambientes extremamente secos

Encontrados nos desertos gelados do “Vale da Morte” (Arizona / EUA)

Outros extremófilos vivem em condições semelhantes na Antártida.

Radiorresistentes: extremófilos que resistem à radiações intensas

Exemplo: Deinococcus radiodurans

Sobrevive à radiações de 5000 Grays !!

1 Gray equivale a 1 J / kg.

10 Grays matam um homem !

O Caso da Surveyor 3

Em 1967 a NASA enviou para a Lua a sonda não-tripuladaSurveyor 3. A sonda permaneceu em solo lunar durante 3 anos. A câmera da Sureyour 3 foi trazida de volta para aTerra pelos astronautas da missão Apolo 12.

Foi encontrada uma colônia de bactérias Streptococcus mitisque havia contaminado a borracha de isolamentoda câmera antes de ser enviada à Lua.

As bactérias sobreviveram à viagem de ida e voltae aos quase 3 anos que passaram na Lua !!

A possibilidade de contaminação de sondas espaciais e de seus instrumentos exige cuidados.

Meteoritos também podem sofrer contaminaçãono ambiente terrestre.

Locais Habitáveisno

Sistema Solar

● Mercúrio → foi descoberta água em sua exosfera

● Vênus → vida microbiana em nuvens estáveis a 50 km de altitude?

● Marte → água na forma de gelo e na forma líquida; vapor d'água na atmosfera;

● Júpiter → algumas de suas luas:

● Europa → um possível oceano líquido● Ganímedes → um possível oceano líquido● Calisto → um possível oceano líquido

● Saturno → algumas de suas luas:

● Encélados → atividade geotérmica; água em vapor; possível lago ou oceno de água líquida

● Titã → lagos de carboidratos na forma líquida

Locais onde foram encontrados indícios de água líquidano sistema solar

Locais habitáveismais promissores

Marte

● Marte possui água (vapor e gelo)

● Água líquida em amostras de solo (2008)

● Pressão 150 vezes menor que na Terra

● Meteorito ALH84001: evidências de microrganismos..

(Mars Pathfinder)

O caso do meteorito ALH84001

● Meteorito No. 0001 de 1984● Local: Allan Hills (Antártida) ● Massa: 1.9 kg● Este é um de uns 20 meteoritos de origem marciana.

● Formação: 4.5 bilhões de anos● Ejeção: 16 milhões de anos● Queda na Terra: 13 mil anos.

● Em 1996 foram encontrados possíveis restos de nanobactérias neste meteorito.

● 1996: traços de carbono orgânico em outro meteorito marciano, o EETA79001

Júpiter e suas luas

Júpiter parece não oferecer condições para abrigar vida,mas algumas de suas luas podem ser habitáveis:

● Europa● Ganimedes● Calisto

Europa: um possível oceano interno

“criobot”Exploração futura de Europa e outras luas

A exploração futura será feita por sondas robotizadascontroladas por inteligência artificial.

GANÍMEDES: outra lua de Júpiter com um possível oceano interno

Ganímedes (lado esquerdo, abaixo)comparada com a Terra (lado direito) ea Lua.

CALISTO: outra lua de Júpiter

Calisto também pode ter um oceanoabaixo da crosta de gelo.

Saturno, seus anéis e suas luas

← Esta é a pequena lua Encélados (comparada com a Terra). Encelados orbita dentro de uma região preenchida por uma espécie de “névoa”.

Antes da missão Cassini se aproximar de Saturno não se sabia qual a origem desta “névoa”.

:

Geysers em Encélados → descobertos pela sonda Cassini em 2005

Encélados: estrutura interna

O calor proveniente do núcleo quente e dotrabalho mecânico realizado pelas forças de maré decorrentes da atração gravitacionalde Saturno pode estar derretendo o gelo dacrosta externa. A água sobre pressão chegaà superfície e é ejetada para o espaço naforma de vapor.

TITÃ: uma das luas de Saturno

● Lagos de carboidratos líquidos nas regiões polares.

● Primeiros lagos de líquidos descobertos fora da Terra!

● Análise da atmosfera de Titã sugere que organismos estariam consumindo hidrogênio, acetileno e etano e produzindo metano.

Comparação dos tamanhos:Terra – Titã – Lua

Vênus: superfície extremamente quente

(imagem de uma cratera na superfície de Vênus, construída a partir de imagens de radar)

Especulação:

existiria vida microbiana em nuvens estáveis a 50 km acima da superfície?

Procura por Vida fora do

Sistema Solar

Cerca de 40% das estrelas da Via Láctea (*)possuem planetas.

(*) estrelas que não estão em sistemas binários ou múltiplos.

Outros Sistemas Planetários

Procura por bio-assinaturas

Durante um trânsito planetário, a luz da estrela passaatravés da atmosfera do planeta.

A análise espectroscópica desta luz pode revelar acomposição química, pressão e temperatura média da atmosfera do planeta

A presença de certas moléculas (como H2O, CO

2, O

2 e O

3)

podem ser produtos de atividade biológica no planeta.

Vida Inteligentefora da Terra ?

O Caso da Nebulosa do Caranguejo

A Nebulosa do Caranguejo é umagrande nuvem de gás e poeira que existe na constelação doCaranguejo.

É resultante da “explosão” de umaestrela muito massiva.

Na década de 1960 a Nebulosa doCaranguejo estava sendo estudadapor radioastrônomos.

Os radiotelescópios captam emissõesna faixa de rádio.

Estranhos sinais de rádio estavam vindo da Nebulosa do Caranguejo !

Não se conhecia nenhuma fonte natural quepudesse produzir esse tipo de sinal.

Estariam sendo produzidos por alguma formade civilização extraterrestre ?

Pulsar: uma fonte natural de sinais pulsantes

Um pulsar é uma estrela de nêutrons em rápida rotação e com um forte campo magnético. Feixes de ondaseletromagnéticas são emitidos emcertas direções que precessionam coma rotação da estrela. Quando um dessesfeixes passa pela Terra, um pulso éDetectado. Este era o mecanismo queque produzia os sinais da nebulosado Caranguejo.

O argumento dos grandes números

● Diâmetro: ~ 100 000 anos luz;● Espessura: ~ 1 000 anos luz;

● Número de estrelas na Via Láctea: 100 - 400 bilhões..

● 80-120 bilhões de galáxias observáveis no Universo ...

● 1020 sistemas planetários no Universo ...

Via Láctea:

É possível que a existência de vida primitiva, na forma de micro-organismos, seja frequente no Universo.

Formas mais complexas de vida (como vegetais eanimais) devem ser muito raras, pois são resultantes deum complexo processo de diversificação, adaptaçãoe evolução da vida, o que depende de uma série decondições.

A possibilidade de existência de vida inteligente forada Terra é baseada no argumento dos grandes números.

Equação de Drake: ← Frank Drake

A equação de Drake propõe uma estimativa do número de civilizações existentes na Galáxia,com tecnologia de comunicação por ondas eletromagnéticas (ondas de rádio). A equação deDrake é apresentada em diferentes formas; uma delas é a forma acima.

Primeira estimativa (1961):

● f pla

= 0,5

● n hab

= 2

● f vida

= 1

● f int

= 0,01

● f com

= 0,01

● T dur

= 10 000 anos

Estimativa extremamente otimista:

→ N c i v

= 10

● f pla

= 0,5

● n hab

= 2

● f vida

= 0,33

● f int

= 0,01

● f com

= 0,01

● T dur

= 10 000 anos

→ N c i v

= 2,3

Estimativa atual:

● f pla

= 0,5

● n hab

= 2

● f vida

= 1

● f int

= 0,1

● f com

= 0,1

● T dur

= 10 000 anos

→ N c i v

= 20 000

Os valores de alguns termos da equação de Drakesão conhecidos; outros ainda não; e outros, nãotemos como conhecer. Mas, podemos assumirvalores “otimistas” e “pessimistas” para encontrarum limite superior e um limite inferior.

Zona Habitável na Galáxia

A região verde indica a zona habitável da Via Láctea. A atividade estelar na região central da Galáxia produz muita radiação e fluxo intenso de partículas ionizantes, o que podetornar esta região estéril.

A imagem mostra como a zona habitável muda com a evolução da galáxia.

Tempo Atual

No início da Formação daVia Láctea.

Linh

a do

Tem

po

SETI = Search for Extra Terrestrial Inteligence

Projeto Phoenix – Arecibo / Porto Rico / EUADiâmetro: 305 m (maior radiotelescópio domundo)

← (SETI @ home) 50 anos...sem sinal...

“Buraco d'Água”

O “buraco d'água” é uma faixa de comprimentos de onda de rádio (3-30 cm)onde o ruido cósmico é relativamente pequeno.

Seria a melhor faixa de frequências para comunicação interestelar.

Alvos do SETI

Dentro de um raido de 80 anos-luzexistem cerca de 800 estrelas similaresao Sol.

O projeto Phoenix monitora cerca de 1000 estrelas similares ao Sol.

VIAGEM

ATÉ

OUTRAS ESTRELAS:

É POSSÍVEL ?

Viagem usando a tecnologia atual

● Velocidade da luz é um limite físico : c = 300 000 km/s

● Distância de Alpha-Centauri = 4.4 anos luz

Ônibus espacial (v = 28 000 km/h)

Tempo de viagem = 168 000 anos

Voyagers

Tempo de viagem = 80 000 anos

Alguns problemas:

* Tecnológico: eficiência de propulsão (motor);

* Tecnológico: resistência de materiais sob altas acelerações;

* Econômico: grande quantidade de energia consumida;

* Econômico/Prático: duração das viagens ;

* Biomédico: efeitos de altas acelerações sobre os tripulantes;

Viagem com uma tecnologia mais avançada ...

● Viagem até Alpha-Centauri (~ 4.4 anos luz)

● Velocidade: ~70% da velocidade da luz

● Motor perfeito.... (eficiência = 100%) …

● Energia necessária = 2.6 x 1016

J / kg

(= energia produzida em toda a Terra, por todas as fontes, inclusive fontes nuclear, durante 100 000 anos!)

● Tempo de viagem = 6 anos

(seriam necessários: 1000 navios super-tanques cheios de combustível nuclear)

● IMPORTANTE: não depende da tecnologia atual !e=10- 40%

Worm holes?

Deformação do espaço-tempo

Teoricamente, possibilitaria viagens com velocidades maiores do que a velocidade da luz.

Energia necessária: energia equivalente a massa de Júpiter (E = m.c2)

FIM