Astrobiologia e a busca científica de vida fora da Terra

Transcrição

1 Astronomia ao Meio Dia IAG-USP 05/10/2017 Astrobiologia e a busca científica de vida fora da Terra Fabio Rodrigues Instituto de Química - USP Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia - USP farod@iq.usp.br

2 Vida Extraterrestre Prêmio Guzman (1900): francos oferecido pela Académie des sciences (França) para quem conseguisse estabelecer comunicação extraterrestre. Curiosidade: Em seu texto, o prêmio excluia explícitamente a comunicação com Marte, pois neste planeta era óbvio que havia vida!!

3 Evolução das observações de Marte! Christiaan Huygens, 1659 Telescopic view, 1960s Giovanni Schiaparelli, 1888 Hubble Space Telescope, 1997 Mars Global Surveyor, 2002

4 Furo com 1,6 cm de diâmetro! Especulativa Experimental / observacional Foto obtida pelo Mars Science Laboratoy (Curiosity) em 12 de Maio de 2014!

5 O que é astrobiologia? Não é uma nova disciplina, mas um novo enfoque a antigos temas Origem e evolução da vida Distribição da vida, na Terra e fora dela Futuro da vida

6 O que é astrobiologia? Não é uma nova disciplina, mas um novo enfoque a antigos temas Astrobiólogo?? - Físicos, químicos, biólogos, astrônomos, geólogos, cientistas planetários, filósofos, etc. - Interessados nos problemas e com o enfoque proposto pela astrobiologia!

7 Big Bang Estrelas e supernovas Formação dos elementos

8 Big Bang Estrelas e supernovas Formação dos elementos Moléculas (Astroquímica) 2 átomos: AlO, C 2, CH, CH +, CN, CN +, CN -, CO, CO +, CS, FeO, H 2, HCl, HCl +, HO, OH +, KCl, NH, N 2, NO, NO +, NaCl, MgH +, O 2, PO, SH, SO, SiC, SiN, SiO, TiO etc. 3 átomos: AlOH, C 3, C 2 H, C 2 O, C 2 P, CO 2, H 3+, H 2 C, H 2 O, H 2 O +, HO 2, H 2 S, HCN, HNC, HCO, HCO+, HCP, HNC, HN 2+, MgCN, NH 2, N 2 H +, N 2 O, NaOH, O 3, SO 2, SiC 2, SiCN, TiO2 etc. 4 átomos: CH 3, C 3 H, C 3 N, C 2 H 2, H 2 CN, H 2 CO, HCCN, HCNH +, HOCO +, HOCN, HOOH, NH 3 etc. 5 átomos: C 5, CH 4, CH 3 O, C 3 H 2, H 2 CCN, H 2 C 2 O, H 2 CNH, C 4 H, HCOOH, NH 2 CN, SIH 4 etc. 6 átomos: c-h 2 C 3 O, C 2 H 4, CH 3 CN, CH 3 OH, CH 3 SH, H 2 C 4, HCONH 2, C 5 H, HC 2 CHO, HC 4 N etc. 7 átomos: c-c 2 H 4 O, CH 3 C 2 H, H 3 CNH 2, CH 2 CHCN, H 2 CHCOH, C 6 H, HC 4 CN, CH 3 CHO etc. 8 átomos: H 3 CC 2 CN, H 2 COHCHO, HCOOCH 3, H 2 C 6, CH 2 CCHCN, C 7 H, NH 2 CH 2 CN etc. Presença de espécies neutras, íons e radicais; 9 ou mais átomos: H 3 COCH 3, CH 3 CONH 2, CH 3 CH 2 OH, C 8 H, HC 7 N, H 3 CCOCH 3, HOCH 2 CH 2 OH, Grande número de compostos contendo C, H e O; HC 8 CN, C 6 H 6, CC11N, C 14 H 10, C 60, C 70 etc Formação de cadeias carbônicas longas!

9 Big Bang Estrelas e supernovas Formação dos elementos Moléculas (Astroquímica)

10 Big Bang Estrelas e supernovas Formação dos elementos Moléculas (Astroquímica) Outros planetas e luas Formação planetária Terra

11 Terra Resfriamento, formação de minerais Química prebiótica aumento da complexidade Formação da atmosfera e oceanos Interação com radiação Fotoquímica atmosférica Origem da vida Catálise por minerais Auto-organização Processo emergente Formação de continentes, tectonismo e deriva, ciclos geoquímicos Vida Ambiente? Futuro da vida Evolução e diversificação 11

12 Terra Resfriamento, formação de minerais Química prebiótica aumento da complexidade Formação da atmosfera e oceanos Interação com radiação Fotoquímica atmosférica Origem da vida Catálise por minerais Auto-organização Processo emergente Formação de continentes, tectonismo e deriva, ciclos geoquímicos Vida Ambiente? Futuro da vida Evolução e diversificação 12

13 Outros sistemas planetários Terra Aumento da complexidade? Vida extraterrestre Resfriamento, formação de minerais Conectando o Formação da atmosfera e oceanos Conhecimento Interação com radiação Fotoquímica atmosférica Química prebiótica aumento da complexidade Origem da vida Catálise por minerais Auto-organização Processo emergente É necessário um profundo conhecimento da vida e dos processos na Terra! Formação de continentes, tectonismo e deriva, ciclos geoquímicos Vida Ambiente... 13

14 O que é astrobiologia? Não é uma nova disciplina, mas um novo enfoque a antigos temas Origem e evolução da vida Distribição da vida, na Terra e fora dela Futuro da vida

15 Busca de vida fora da Terra Onde? Por que? Como? O que?

16 Busca de vida extraterrestre O enraizamento desse tema na cultura popular e o extremo interesse no tema motivam as buscas. Estamos sozinhos? Teriam uma origem e um funcionamento diferente da vida que conhecemos? Achar formas diferentes de vida poderiam ajudar a uma definição mais completa sobre vida.

17 Busca de vida fora da Terra Onde? Onde? Por que? Como? O que?

18 Via Láctea - Raio: anos-luz (15 kiloparsecs) bilhões de estrelas Você está aqui!

19 É possível estudar hoje planetas em cerca de 0,01% da área da Via Láctea! Milhões de possíveis alvos para estudo!

20 Onde procurar? Habitabilidade: possibilidade do planeta de abrigar vida. Zona de habitabilidade ou zona habitável: região ao redor de uma estrela com condições para a vida se desenvolver! Não é um conceito absoluto, mas serve para nortear as buscas por vida!

21 Massa da estrela (normalizada pelo Sol) Zona de Habitabilidade Zona habitável Definida com base na temperatura necessária para se ter água líquida! Marte Terra Venus Raio da órbita (normalizado pela Terra)

22 Onde procurar? Habitabilidade: possibilidade do planeta de abrigar vida. Zona de habitabilidade ou zona habitável: região ao redor de uma estrela com condições para a vida se desenvolver! Água líquida: tida como fundamental para sustentar a vida como a conhecemos! Lema da NASA: Siga a água!

23 Massa da estrela (normalizada pelo Sol) Zona de Habitabilidade Zona habitável Marte Terra Venus Raio da órbita (normalizado pela Terra)

24 Marte Planeta próximo à Terra, facilitando seu estudo missões. Presença de água no subsolo. Possivelmente água ativa. Superfície muito oxidante improvável de ter vida. Subsolo protegido e com água, onde poderia haver vida!

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26 Luas geladas de Júpiter e Saturno. Ex: 1) Europa 2) Encélado 3) Titã Júpiter Saturno 1 2 3

27 Luas geladas de Júpiter e Saturno. Ex: 1) Europa 2) Encélado 3) Titã - Europa Um dos ambientes mais propícios para a vida, no sistema solar. Presença de água, calor e matéria orgânica. - Encélado Fontes de vapor de água no polo Sul, zona geologicamente ativa. Oceano salgado sob a superfície. Superfície Atividade Geotermal (força de maré) Lammer, H. et al, What makes a planet habitable?, Astron. Astrophys. Rev. (2009), 17,

28 Luas geladas de Júpiter e Saturno. Ex: 1) Europa 2) Encélado 3) Titã - Europa Um dos ambientes mais propícios para a vida, no sistema solar. Presença de água, calor e matéria orgânica. - Encélado Fontes de vapor de água no polo Sul, zona geologicamente ativa. Oceano salgado sob a superfície.

29 Luas geladas de Júpiter e Saturno. Ex: 1) Europa 2) Encélado 3) Titã - Titã Lagos de hidrocarbonetos (metano, etano etc); Marcas semelhantes a rios na superfície.

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31 Exoplanetas Planetas fora do sistema solar; Na zona de Habitabilidade; Especialmente aqueles com características semelhantes à Terra. Ex: Rochoso, com massa similar etc.

32 Exoplanetas Sistema planetário Gliese 581 Gliese 581g Planeta tipo terrestre Terra

33 Busca de vida fora da Terra Onde? O Onde? que? Por que? O que?

34 O que procurar?

35 Vida na Terra Temos uma definição geral de vida capaz de englobar formas de vida diferentes da terrestre? Não Vida é um sistema químico autossustentado capaz de sofrer evolução darwiniana

36 Vida na Terra Temos uma definição geral de vida capaz de englobar formas de vida diferentes da terrestre? Não Sabemos responder à pergunta: O que é vida? Não Motivo: toda a vida na Terra é muito semelhante!?

37 Vida na Terra Temos uma definição geral de vida capaz de englobar formas de vida diferentes da terrestre? Não Sabemos responder à pergunta: O que é vida? Não Sabemos do que a vida Sim precisa? 1. Água; 2. Carbono em moléculas orgânicas (C, H, O, N, P, S); 3. Outros elementos em menores quantidades (Na, K, Ca, Fe, Mg, Mn etc). Lemas da Busca de vida fora da Terra 1. Siga a água 2. Siga o carbono

38 Vida na Terra Temos uma definição geral de vida capaz de englobar formas de vida diferentes da terrestre? Não Sabemos responder à pergunta: O que é vida? Não Sabemos do que a vida Sim precisa? 1. Água; 2. Carbono em moléculas orgânicas (C, H, O, N, P, S); 3. Outros elementos em menores quantidades (Na, K, Ca, Fe, Mg, Mn etc). Sabemos as características básicas à vida? Sim 1. Compartimentalização (membrana); 2. Informação (material genético); 3. Energia, metabolismo; 4. Outras estruturas...

39 Vida na Terra Lemas da Busca de vida fora da Temos uma definição geral de vida capaz de englobar formas de vida diferentes da terrestre? Não Sabemos do que a vida precisa? Sim 1. Água; 2. Carbono em moléculas orgânicas (C, H, O, N, P, S); 3. Outros elementos em menores quantidades (Na, K, Ca, Fe, Mg, Mn etc). Terra 1. Siga a água; 2. Siga o carbono; 3. Siga a energia; Sabemos responder à pergunta: O que é vida? Baseado na vida como conhecemos na Terra! Não Sabemos as características básicas à vida? Sim 1. Compartimentalização (membrana); 2. Informação (material genético); 3. Energia, metabolismo; 4. Outras estruturas...

40 O que procurar? Pragmaticamente, procuramos: Vida semelhante à da Terra! Sabemos como procurar; Sabemos identificar se é vida!

41 O que procurar? X X X X X X

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43 O que procurar? Esquema da evolução da vida na Terra Organismos Unicelulares (~3 Gy) Organismos unicelulares: Foram os primeiros a surgirem no planeta, permanecendo sozinhos até o surgimento dos multicelulares; Até hoje constituem a maior parte da massa viva do planeta; Habitam todos os ambientes, inclusive os mais extremos. 43

44 O que procurar? Pragmaticamente, procuramos: Vida semelhante à da Terra! Sabemos como procurála; Sabemos identificar se é vida! Vida microbiana! É a mais abundante e difundida no planeta; Metabolismos mais diversos.

45 SECO

46 O que procurar? Pragmaticamente, procuramos: Vida semelhante à da Terra! Sabemos como procurála; Sabemos identificar se é vida! Vida microbiana! É a mais abundante e difundida no planeta; Metabolismos mais diversos. Micro-organismos extremófilos Nos ajudam a expandir os limites físicos e químicos no qual a vida pode funcionar; Ambientes fora da Terra não serão tão amenos quanto aqui.

47 Ambientes análogos Podem ser usados como análogos a ambientes extraterrestres. Ex: Atacama / Marte. - Baixa umidade do ar. - Alta incidência de radiação. - Presença de depósitos salinos. - Baixo aporte de nutrientes. - Grande amplitude térmica. 47

48 Ambientes análogos Antártica Luas Geladas

49 Vida microbiana fora da Terra? Com exceção da Lua e alguns asteroides, cometas e partículas menores, não se retornou amostras de planetas e luas para a Terra; Impossível utilizar os métodos tradicionais de microbiologia para estudo; Alternativa: procura de moléculas de origem biológica, o que indicaria a presença de vida = bioassinaturas (ou biomarcadores).

50 Bioassinaturas Baseada no metabolismo! Moléculas que indicam inequivocamente a presença de vida; Como provar a origem biótica de uma molécula? Exemplos: Gases de baixa massa molecular, como CO 2, O 2, O 3, CH 4 etc.

51 Bioassinaturas Também chamadas de biomarcadores ou geomarcadores; Sinais que indicam indiretamente a presença de vida; Bioassinaturas Vida atual Vida extinta (fósseis) Metabólicas Moléculas produzidas pela células (direta ou indiretamente). Morfológicas Formato de uma célula ou organismo impresso no substrato. Isotópicas Diferença na composição isotópica causado por atividade biológica. - Gases na atmosfera (O 2, CO 2, CH 4 etc); - Moléculas orgânicas complexas (clorofila, carotenóides, lipídios etc); - Espécies inorgânicas, minerais precipitados (carbonatos, sulfetos etc); 51

52 Ambiente astrofísico Atmosfera Biologia Geologia Hidrologia

53 Bioassinaturas Podem ser moléculas orgânicas, algumas vezes características: Carotenóides DNA, ATP, membrana etc. Clorofila

54 Busca de vida fora da Terra Onde? Como? O que? Onde? Por que?

55 Como procurar vida fora da Terra? Conseguimos chegar ao alvo? Não Sim Estudo remoto Conseguimos retornar com amostras? Não Sim Estudo in situ (no local) Estudo em laboratório (na Terra)

56 Como procurar vida fora da Terra? Conseguimos chegar ao alvo? Exemplos: 1) Exoplanetas Não Sim Estudo remoto Conseguimos retornar com amostras? Não Sim Estudo in situ (no local) Estudo em laboratório (na Terra) Sistema planetário Gliese 581

57 Como procurar vida fora da Terra? Conseguimos chegar ao alvo? Exemplos: 1) Exoplanetas Não Sim Estudo remoto Conseguimos retornar com amostras? Não Sim Estudo in situ (no local) Estudo em laboratório (na Terra) - Atualmente conseguimos estudar a estrela e obter algumas características do planeta; - Num futuro próximo, conseguiremos estudar a atmosfera do planeta (por espectroscopia), entendendo melhor a dinâmica do planeta e procurando bioassinaturas.

58 TMT

59 E-ELT

60 Como procurar vida fora da Terra? Conseguimos chegar ao alvo? Exemplos: 2) Marte Não Sim Estudo remoto Conseguimos retornar com amostras? Não Sim Estudo in situ (no local) Estudo em laboratório (na Terra) - Possível de se estudar não apenas o planeta como um todo, mas regiões bastante específicas dele, inclusive no subsolo, tentando detectar matéria orgânica em geral e bioassinaturas. - Depende das técnicas disponíveis para serem enviadas.

61 Foto obtida pelo Mars Science Laboratoy (Curiosity) em 12 de Maio de 2014!

62 Como procurar vida fora da Terra? Conseguimos chegar ao alvo? Exemplos: 3) Lua Não Sim Estudo remoto Conseguimos retornar com amostras? Não Sim Estudo in situ (no local) Estudo em laboratório (na Terra) - Já houve missões com retorno de amostras, que puderam ser estudadas em laboratórios, aqui na Terra, pelas técnicas mais modernas existentes.

63 Como procurar vida fora da Terra? Conseguimos chegar ao alvo? Não Sim Estudo remoto Conseguimos retornar com amostras? Não Sim Estudo in situ (no local) Estudo em laboratório (na Terra) Atualmente, os casos mais desafiadores são as missões de busca in situ!

64 Busca in situ Diversas missões foram lançadas a corpos interessantes do sistema solar; Espectroscopia e outras técnicas; Aumento da tecnologia = miniaturização e portabilidade de equipamentos de pesquisa de ponta; Conhecimento das condições do planeta (geologia, hidrologia, habitabilidade); Busca de matéria orgânica e bioassinaturas.

65 Sondas para análise in situ Representação dos Rovers Marcianos Spirit e Opportunity (NASA). Fonte: em 14/05/2011

66 Pathfinder, Spirit e MSL Fonte: em 14/05/2011

67 ExoMars Fonte: em 14/05/2011

68 Dificuldades nas Missões in situ Custo de milhões de dólares por quilo de equipamento; Limitação da eletricidade disponível; Resistência do equipamento e de reagentes ao tempo e às condições espaciais/planetárias; Impossibilidade de preparo prévio das amostras; Necessidade de transmissão remota dos dados obtidos.