ASTROBIOLOGIA A vida no contexto cósmico

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1 ASTROBIOLOGIA A vida no contexto cósmico CIAA

2 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 2 2

3 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? 3 3

4 Por onde começar? A vida foi criada por acaso ou, uma vez que o Universo existe, ela teria mesmo que aparecer? Questões fundamentais para a astrobiologia: A vida é formada e se desenvolve a partir de 1) Como a vida foi formada e evoluiu? processos locais? 2) Existe vida em outros lugares do Universo? Existem condições realistas, no Sistema 3) Qual deve ser o futuro da vida na Terra e além dela? Solar e fora dele, para a origem e evolução da vida da forma como a conhecemos? 3 3

5 Como definir vida? J. Schneider, astro-ph/ ; Szostak et al., Nature, 2001; Bains, Astrobiology 2004; Lunine 2005 Sistema com interação complexa e diversifica com o ambiente Sistema em desequilíbrio termodinâmico Existência de um mecanismo de memória e leitura Grande 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? 4 4

6 Como definir vida? J. Schneider, astro-ph/ ; Szostak et al., Nature, 2001; Bains, Astrobiology 2004; Lunine 2005 Sistema com interação complexa e diversifica com o ambiente Sistema em desequilíbrio termodinâmico Existência de um mecanismo de memória e leitura Grande 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? 4 4

7 Como definir vida? J. Schneider, astro-ph/ ; Szostak et al., Nature, 2001; Bains, Astrobiology 2004; Lunine 2005 Sistema com interação complexa e diversifica com o ambiente Sistema em desequilíbrio termodinâmico Existência de um mecanismo de memória e leitura Grande 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? 4 4

8 COSMOLOGIA E ASTROFÍSICA 5 5

9 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/ (2003), C. Lineweaver, astro-ph/

10 Existe uma Zona Habitável Galáctica? 7 7

11 Existe uma Zona Habitável Galáctica? 7 7

12 8 8

13 A Tabela Periódica dos Astrônomos 8 8

14 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 9 9

15 Lista de moléculas conhecidas no meio interestelar Benzeno Etanol Glicina Ácido acético 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:

16 HABITABILIDADE PLANETÁRIA 11 11

17 Zona habitável estelar? Principal requisito: água no estado líquido!!! Massa da estrela relativa ao Sol Zona habitável Marte Terra Vênus R Raio relativo ao raio da Terra 12 12

18 Zona habitável estelar? Principal requisito: água no estado líquido!!! Massa da estrela relativa ao Sol Zona extremófila? Zona habitável Zona R extremófila? Marte Terra Vênus Raio relativo ao raio da Terra 12 12

19 13 13

20 Cometas e asteróides 14 14

21 Cometas e asteróides Verdes: asteróides Vermelhos: asteróides a < 1,3 U.A. Azuis: Cometas Linhas: órbitas de Júpiter a Mercúrio 14 14

22 Cometas e asteróides Verdes: asteróides Vermelhos: asteróides a < 1,3 U.A. Azuis: Cometas Linhas: órbitas de Júpiter a Mercúrio Importantes para a formação (deposição de material orgânico) e aniquilação (extinção em massa) da vida na Terra 14 14

23 Evolução da atmosfera terrestre no tempo Escape para o espaço Água, H 2, CO Abundância Vapor atmosférico Temperatura Glaciações Impactos CH 4 + outros gases reduzidos Tempo até hoje, em bilhões de anos Hoje 15 15

24 A Terra vista de longe... Arnold, L. Astro-ph/ v

25 Condições de habitabilidade (a NOSSA receita) 1. H 2 O superficial por, pelo menos, um bilhão de anos 2. Intenso bombardeamento por cometas e meteoritos há ~ 7x10 8 anos 3. Intensa atividade geológica 4. Existência de campo magnético 5. Atmosfera contendo CO 2 -H 2 O-N 2 6. Estabilidade climática 7. Resistência a catástrofes por ~ 1 bilhão de anos 17 17

26 Extremófilos e o aparecimento da vida 18 18

27 Hipertermófilos Bactérias e Archaea são forma de vida unicelulares! Ancestral Universal Adaptada de Siefert (2006) 19 19

28 Hipertermófilos Bactérias e Archaea são forma de vida unicelulares! Ancestral Universal Adaptada de Siefert (2006) 99% de toda a biomassa da Terra! 19 19

29 NÓS somos uma ínfima parte do ramo dos eucariontes!!! Hipertermófilos Bactérias e Archaea são forma de vida unicelulares! Ancestral Universal Adaptada de Siefert (2006) 99% de toda a biomassa da Terra! 19 19

30 Temperatura: -15 C < T < 121 C 0,06 < ph < 12,8 0 < Pressão < 1200 atm Metabolismo não necessariamente baseado em Oxigênio milhões de anos de dormência 2 ½ anos no espaço, a -250 C, sem nutrientes, água e expostos à radiação (Strep. Mitis) 20 20

31 Deinococcus Radiodurans Temperatura: -15 C < T < 121 C 0,06 < ph < 12,8 0 < Pressão < 1200 atm Metabolismo não necessariamente baseado em Oxigênio milhões de anos de dormência 2 ½ anos no espaço, a -250 C, sem nutrientes, água e expostos à radiação (Strep. Mitis) 20 20

32 Mecanismos Transporte de massa Excursões de temperatura Interface de substrato Meteoritos orgânicos Lagos vulcânicos El. orgânicos terrestres Mar primitivo Fontes orgânicas abiogênicas e iônicas pré-bióticos Excursões de densidade de carga (ph) Emissões de chaminés Casca mineral Aumento de complexidade Auto-montagem molecular Adaptada de F. Souza-Barros,

33 Mecanismos Transporte de massa Excursões de temperatura Interface de substrato Meteoritos orgânicos Lagos vulcânicos El. orgânicos terrestres Mar primitivo Fontes orgânicas abiogênicas e iônicas pré-bióticos Excursões de densidade de carga (ph) Emissões de chaminés Casca mineral Aumento de complexidade Auto-montagem molecular A chave do mistério... Adaptada de F. Souza-Barros,

34 CO H 2 A Reações de fotossíntese Luz (CH 2 O) n + O 2 + 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: (AsO 3 3- ) + CO 2 CO + (AsO 4 3- ) A reação conhecida de fotossíntese, transformando gás carbônico em oxigênio é: 12 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O O H 2 O Luz E os processos a seguir são todos de respiração anaeróbica, isto é, sem envolver oxigênio: 12 H 2 S + 6 CO 2 C 6 H 12 O S + 6 H 2 O Luz Luz CO H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Luz Luz 22 22

35 CO H 2 A (CH 2 O) n + O 2 + 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: (AsO 3 3- ) + CO 2 CO + (AsO 4 3- ) A reação conhecida de fotossíntese, transformando gás carbônico em oxigênio é: 12 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O O H 2 O E os processos a seguir são todos de respiração anaeróbica, isto é, sem envolver oxigênio: 12 H 2 S + 6 CO 2 C 6 H 12 O S + 6 H 2 O METANOGÊNESE Reações de fotossíntese Luz Luz Luz Luz CO H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Luz Luz 22 22

36 CO H 2 A Reações de fotossíntese Luz (CH 2 O) n + O 2 + 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: (AsO 3 3- ) + CO 2 CO + (AsO 4 3- ) A reação conhecida de fotossíntese, transformando gás carbônico em oxigênio é: 12 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O O H 2 O Luz Luz E os processos a seguir são todos de respiração anaeróbica, isto é, sem envolver oxigênio: MUITO MAIS EFICIENTE QUE TODAS AS OUTRAS! 12 H 2 S + 6 CO 2 C 6 H 12 O S + 6 H 2 O METANOGÊNESE Luz CO H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Luz Luz 22 22

37 A BUSCA DE VIDA FORA DA TERRA 23 23

38 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)

39 Não inteligente... Procurando vida... Busca de bio-traçadores no Sistema Solar. Busca de planetas extra-solares. Busca de bio-traçadores em planetas extrasolares. Inteligente... Busca de sinais não-naturais vindos de outro local do Universo (SETI). J. Tarter, Annual Review of Astronomy and Astrophysics (2001) 25 25

40 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) ESA Zond, Sputnik, Mars, Cosmos, Phobos - anos 60 a 80 Mars Express, Beagle, Rosetta - anos

41 Água em Marte? 27 27

42 Água em Marte? 27 27

43 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

44 Núcleo metálico Superfície de gelo quebradiço EUROPA Interior rochoso Camada de H 2 O Gelo convectivo morno Capa de gelo? Núcleo metálico Cobertura de gelo Ou um oceano? Oceano líquido sob o gelo Interior rochoso Camada de H 2 O Cortesia Tomas Hode Swedish Museum Carlos of Natural Alexandre Science Wuensche29 29

45 Titã A Lua de Saturno 30 30

46 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) 30 30

47 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 30 30

48 31 31

49 PLANETAS EXTRA-SOLARES 32 32

50 Métodos de detecção de planetas Capacidade existente Projetada (10 20 a) Detecções primárias Acompanhamentos N-sistemas? - Incertezas Último acesso: 27/05/2009 Fonte: Métodos de detecção de planetas 33 33

51 Métodos de detecção de planetas Capacidade existente Projetada (10 20 a) Detecções primárias Acompanhamentos N-sistemas? - Incertezas Último acesso: 27/05/2009 Fonte: Métodos de detecção de planetas 33 33

52 Métodos de detecção de planetas Capacidade existente Projetada (10 20 a) Detecções primárias Acompanhamentos N-sistemas? - Incertezas Último acesso: 27/05/2009 Fonte: Métodos de detecção de planetas 33 33

53 Métodos de detecção de planetas Capacidade existente Projetada (10 20 a) Detecções primárias Acompanhamentos N-sistemas? - Incertezas Último acesso: 27/05/2009 Fonte: Métodos de detecção de planetas 33 33

54 353 planetas 274 sistemas planetários 33 sistemas com múltiplos planetas 25/06/

55 353 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 Detecções não confirmadas, controversas ou negativadas (13/03/2009) 58 planetas 57 sistemas planetários 1 sistema com múltiplos planetas 34 34

56 Possibilidade de detecção remota de vida 35 35

57 Possibilidade de detecção remota de vida 35 35

58 Detecção de um PANH na faixa IV H N C Hudgins 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

59 Detecção de um PANH na faixa IV H N C Hudgins et al. ApJ, 2005 Cafeína 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

60 IRS-46 spectrum

61 IRS-46 spectrum

62 IRS-46 spectrum

63 A BUSCA DE VIDA INTELIGENTE E O PROJETO SETI 38 38

64 SETI (Search for Extraterrestrial Inteligence) 39 39

65 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 39 39

66 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! 39 39

67 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

68 A janela da água... Absorção pela água na atmosfera terrestre Nível de ruído de fundo Ruído de fundo da Galáxia em rádio Absorção pelo oxigênio na atmosfera terrestre Nível total de ruído em rádiofrequência Radiação cósmica de fundo Radiofrequência (MHz) 40 40

69 41 41

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

71 43 43

72 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L 44 44

73 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L ~ 1 por ano 44 44

74 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L ~ 1 por ano ~

75 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L ~ 1 por ano ~ 1 ~0.1? 44 44

76 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L ~ 1 por ano ~ 1 ~0.1? ~1?? 44 44

77 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L ~ 1 por ano ~ 1 ~0.1? ~1?? ~1??? 44 44

78 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L ~ 1 por ano ~ 1 ~0.1? ~1?? ~1??? ~1??! 44 44

79 Equação de Drake Frank Drake ~ 1 por ano ~ 1 ~0.1? ~1?? N = R * f p n e f l f i f c L ~1??? ~1??! 100 anos? 44 44

80 Equação de Drake Frank Drake N = R * f p n e f l f i f c L 10 ~ 1 por ano ~ 1 ~0.1? ~1?? ~1??? ~1??! 100 anos? N = 1000 ou 0,

81 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 > 10 5 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 45 45

82 A sonda Pioneer

83 Codificacão das informações na Pioneer

84 CONCLUSÕES 48 48

85 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 extrasolares 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

86 Ainda não sabemos se... a origem da vida é um acidente ou um mecanismo comum há 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 comuns Mesmo 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!) 50 50

87 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? 51 51

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