Procura por Vida. Fora da Terra. Dept. Astronomia Instituto de Física UFRGS

Transcrição

1 Procura por Vida Fora da Terra Dept. Astronomia Instituto de Física UFRGS

2 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 ciências multidisciplinares. 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.

3 O que caracteriza um ser vivo? Não há uma resposta inequívoca para esta pergunta, mas algumas características parecem ser comuns a todos os seres vivos na Terra: Estrutura Celular Adaptação ao Meio Reprodução Metabolismo Resposta à Estímulos Evolução Crescimento Mutação

4 Como a vida surgiu na Terra? Duas hipóteses: 1 Os primeiros organismos vivos vieram de fora da Terra (panspermia). Neste caso, as primeiras formas de vida teriam sido trazidas por meteoros. O origem da vida estaria fora da Terra. 2 Os primeiros organismos surgiram no ambiente primitivo da Terra. (Essas duas possibilidades não são mutuamente excludentes.)

5 O ambiente primitivo da Terra Com o esfriamento, a água formou oceanos e lagos. A Terra se formou a partir de 4,6 bilhões de anos. Gases voláteis como o hidrogênio (H 2 ) e o hélio (He) estavam presentes na atmosfera primitiva da Terra, mas foram progressivamente escapando da mesma. Não havia oxigênio (O 2 ) 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 2 O), monóxido de carbono (CO), metano (CH 4 ), amônia (amoníaco, NH 3 ), e outros gases. Neste ambiente inóspito, em algum momento, a vida surgiu.

6 Hipótese de Oparin e Haldane Oparin (bioquímico russo) e Haldane (biólogo inglês) publicaram em 1924 e 1929, respectivamente, dois trabalhos independentes que, curiosamente, tinham o mesmo título: A Origem da Vida. Oparin Haldane Oparin e Haldane, partiram do pressuposto de que a atmosfera primitiva da Terra era composta predominantemente por metano (CH 4 ), amônia (NH 3 ), hidrogênio (H 2 ), monóxido de carbono (CO) e vapor d'água (H 2 O), 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 reações químicas, moléculas orgânicas. A atividade elétrica durante tempestades (relâmpagos) junto com a emissão solar teriam gerado radiação ultravioleta suficiente para fornecer a energia necessária para que tais reações ocorressem. (aminoácido) (proteína formada por cadeias peptídicas de aminoácidos)

7 Testando a hipótese de Oparin-Haldane 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. Stanley Miller ( ) Químico e biólogo americano. Harold Urey ( ) Físico-químico americano. Prêmio Nobel de Química 1934 (pelo estudo dos isótopos)

8 Experimento de Miller-Urey ( ) Objetivo o experimento de Miller-Urey foi idealizado para testar as hipóteses de Oparin-Haldane através de uma simulação do ambiente primitivo da Terra. Equipamento: um balão de vidro contendo água aquecido por uma fonte de calor simulava os oceanos primitivos, aquecidos pelo interior quente da Terra. O vapor gerado se juntava a uma mistura de gases metano (CH4), amônia (NH3), monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H2) simulando a atmosfera primitiva. Dois eletrodos ligados a uma fonte de alta 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 de chuvas. Resultados: após uma semana de operação contínua, foi constatado que de 10 a 15% do carbono dos compostos inorgânicos iniciais estava agora formando moléculas orgânicas, sendo que 2% haviam formado aminoácidos.

9 Moléculas orgânicas são sintetizadas fora da Terra?

10 Compostos orgânicos em nuvens moleculares Já foram detectadas centenas compostos orgânicos em nuvens moleculares dentro de nossa galáxia e até em outras galáxias! No meio interestelar há nuvens rarefeitas de gás e poeira. Acima, se vê a nuvem local dentro da qual o Sol e as estrelas mais próximas estão. hidrocarbonatos aromáticos hidrocarbonatos alifáticos alcools ácidos aldeídos cetonas aminas éteres etc... A análise espectral da luz que passa através deste meio permite estudar sua composição química.

11 Podemos também procurar por moléculas orgânicas em amostras vindas de fora da Terra: meteoritos Berringer (1.2 km x 175 m) Peru (30m x 6m) Meteorito Willamette Vários meteoritos apresentam aminoácidos de origem extraterrestre.

12 Condições de Habitabilidade

13 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 ingredientes estejam presentes e com outros parâmetros ambientais (como temperatura, pressão, ph do meio, intensidade de radiação, etc) dentro de certos limites e que potencialmente poderiam 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.

14 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 água líquida 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 ou luas.

15 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. Homem: 30 trilhões de células 1ng cada Homo sapiens = ~ anos Homo sapiens sapiens = ~ anos Civilização = ~ anos (com o fim da última era glacial) (fósseis de microrganismos) Na Terra, foram necessários ~ 800 milhões de anos para a vida surgir e 3,8 bilhões de anos para aparecer vida inteligente.

16 Organismos Extremófilos A vida pode tomar formas inesperadas, evoluir em lugares improváveis e de formas imprevisíveis.

17 Dentro de que condições ambientais a vida pode existir? quais são os limites de temperatura? quais são os limites 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 das formas de vida existentes na Terra, estudando organismos que vivem em condições extremas: os extremófilos.

18 EXTREMÓFILOS Os extremófilos são classificados em diferentes grupos: Hipertermófilos: crescem em elevadas temperaturas (T > 80 o C); 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);

19 Extremófilos que vivem em condições extremas de temperatura (hipertermófilos e criófilos) (vulcões submarinos) Campeão: Pyrodictium occultum (120 o C)

20 Acidófilos & Alcalófilos: extremófilos que vivem em ambientes extremamente ácidos ou muito alcalinos Ácido Neutro Básico / Alcalino (acidófilos) (alcalófilos)

21 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.

22 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!

23 Bactéria que substitui o Fósforo por Arsênico Nome: GFAJ-1 Encontrado no Lago Mono (Califórnia) O Lago Mono é extremamente salgado (3 x mais salgado que os oceanos) e conta com níveis elevados de arsênico. Cultivaram bactérias da lama do fundo do Lago Mono em laboratório e foram reduzindo as quantidades de fósforo e aumentando as de arsênico. Fósforo está presente na estrutura do DNA, do ATP e de outras moléculas. Descobriram evidências (ainda não conclusivas) de que o GFAJ-1 estava substituindo o fósforo por arsênico.

24 O Caso da Surveyor 3 Em 1967 a NASA enviou para a Lua a sonda não-tripulada Surveyor 3. A sonda permaneceu em solo lunar durante 3 anos. A câmera da Sureyour 3 foi trazida de volta para a Terra pelos astronautas da missão Apolo 12. Foi encontrada uma colônia de bactérias Streptococcus mitis que havia contaminado a borracha de isolamento da câmera antes de ser enviada à Lua. As bactérias sobreviveram à viagem de ida e volta e 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 contaminação no ambiente terrestre.

25 Locais Habitáveis no Sistema Solar

26 Locais onde foram encontrados indícios de água líquida no sistema solar 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 Locais habitáveis mais promissores 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

27 Marte (Mars Pathfinder) 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..

28 O caso do meteorito ALH84001 Meteorito No 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

29 Júpiter e suas luas Júpiter parece não oferecer condições para abrigar vida, mas algumas de suas luas podem ser habitáveis: Europa Ganimedes Calisto

30 Europa: um possível oceano interno

31 Exploração futura de Europa e outras luas criobot A exploração futura será feita por sondas robotizadas controladas por inteligência artificial.

32 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.

33 Geysers em Encélados descobertos pela sonda Cassini em 2005

34 Encélados: estrutura interna O calor proveniente do núcleo quente e do trabalho mecânico realizado pelas forças de maré decorrentes da atração gravitacional de Saturno pode estar derretendo o gelo da crosta externa. A água sobre pressão chega à superfície e é ejetada para o espaço na forma de vapor.

35 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 Radar

36 Procura por Vida fora do Sistema Solar

37 Outros Sistemas Planetários Cerca de 40% das estrelas da Via Láctea (*) possuem planetas. (*) estrelas que não estão em sistemas binários ou múltiplos.

38 Procura por bio-assinaturas Durante um trânsito planetário, a luz da estrela passa através da atmosfera do planeta. A análise espectroscópica desta luz pode revelar a composição química, pressão e temperatura média da atmosfera do planeta A presença de certas moléculas (como H 2 O, CO 2, O 2 e O 3 ) podem ser produtos de atividade biológica no planeta.

39 Vida Inteligente fora da Terra?

40 Estranhos sinais de rádio estavam vindo da Nebulosa do Caranguejo! Não se conhecia nenhuma fonte natural que pudesse produzir esse tipo de sinal. Estariam sendo produzidos por alguma forma de civilização extraterrestre?

41 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 ondas eletromagnéticas são emitidos em certas direções que precessionam com a rotação da estrela. Quando um desses feixes passa pela Terra, um pulso é Detectado. Este era o mecanismo que que produzia os sinais da nebulosa do Caranguejo.

42 O argumento dos grandes números Via Láctea: Diâmetro: ~ anos luz; Espessura: ~ anos luz; Número de estrelas na Via Láctea: 200 bilhões bilhões de galáxias observáveis no Universo sistemas planetários no Universo... É possível que a existência de vida primitiva, na forma de micro-organismos, seja frequente no Universo. Formas mais complexas de vida (como vegetais e animais) devem ser muito raras, pois são resultantes de um complexo processo de diversificação, adaptação e evolução da vida, o que depende de uma série de condições. A possibilidade de existência de vida inteligente fora da Terra é baseada no argumento dos grandes números.

43 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 de Drake é apresentada em diferentes formas; uma delas é a forma acima.

44 Primeira estimativa (1961): f pla = 0,5 n hab = 2 f vida = 1 f int = 0,01 f com = 0,01 T dur = anos N c i v = 10 Os valores de alguns termos da equação de Drake são conhecidos; outros ainda não; e outros, não temos como conhecer. Mas, podemos assumir valores otimistas e pessimistas para encontrar um limite superior e um limite inferior. D=[Volume/N] 1/3 =10000 anos-luz Estimativa extremamente otimista: f pla = 0,5 n hab = 2 f vida = 1 f int = 0,1 f com = 0,1 T dur = anos N c i v =

45 SETI = Search for Extra Terrestrial Inteligence Projeto Phoenix Arecibo / Porto Rico / EUA Diâmetro: 305 m (maior radiotelescópio do mundo) home) 50 anos...sem sinal...

46 Alvos do SETI Buraco d'água Dentro de um raido de 80 anos-luz existem cerca de 800 estrelas similares ao Sol. O projeto Phoenix monitora cerca de 1000 estrelas similares ao Sol. 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.

47 VIAGEM ATÉ OUTRAS ESTRELAS: É POSSÍVEL?

48 Viagem usando a tecnologia atual Velocidade da luz é um limite físico : c = km/s Distância de Alpha-Centauri = 4.4 anos luz Ônibus espacial (v = km/h) Tempo de viagem = anos Voyagers Tempo de viagem = anos

49 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 J / kg (= energia produzida em toda a Terra, por todas as fontes, inclusive fontes nuclear, durante 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%

50 Worm holes?

51 FIM