Post on 12-Dec-2018
Vida no contexto cósmico: astrobiologia
Gastão B. Lima Neto Vera Jatenco-Pereira
IAG/USP
AGA 210 – 1° semestre/2016
www.astro.iag.usp.br/~aga210/
O que é vida? Vida na Terra Habitabilidade Procura de vida Vida inteligente? Viagem interestelar Comunicação
Agradecimentos aos Profs. Eduardo Janot-Pacheco, Amâncio Friaça e Augusto Damineli
Vida no contexto cósmico • Também chamada de:
– astrobiologia (Otto Struve 1955); – exobiologia (Joshua Lederberg 1960); – cosmobiologia (J.D. Bernal, 1952; Dick 1996); – bioastronomia (IAU 2004).
• “A consideração da vida no Universo em outras partes além da Terra” (Laurence Lafleur 1941).
• “O estudo do Universo vivo” (NASA Astrobiology Institute [NAI] 1995).
• Hoje: estudo da vida no Universo, incluindo a Terra (provavelmente porque só conhecemos vida na Terra): – Exemplo: Extremófilos, seres vivos em condições extremas (para
o nosso padrão).
Metas da astrobiologia • O que é a vida? • Como a vida começou e evoluiu durante bilhões de anos? • Existe vida em outros planetas? • Quais são as condições para haver vida no Universo? • Como podemos procurar por vida extraterrestre? • Existe vida extraterrestre inteligente? • Qual é o futuro da vida na Terra e além?
Astrobiologia é multidisciplinar: biologia, astronomia, geologia, bioquímica, ciências atmosféricas, oceanografia, filosofia, etc.
A astrobiologia talvez seja o único campo da ciência que ainda precisa provar que seu assunto de pesquisa realmente exista.
O que é vida?
• Se vamos procurar por vida, precisamos defini-la.
• Uma definição “universal” pode ser difícil, pois só conhecemos vida na Terra.
• Algumas características que podem definir vida:
� Habilidade de se adaptar e evoluir com o meio ambiente. � Capacidade de se alimentar para produzir energia e crescer. � Habilidade de se reproduzir e produzir descendência com algumas
características dos pais.
� Sistemas complexos fora de equilíbrio termodinâmico. � Conteúdo de informação alto (intelectualmente e/ou geneticamente). � Memória e mecanismo de leitura/recuperação de dados
(intelectualmente e/ou geneticamente).
O que é vida?
Fogo • Se alimenta e cresce • Se multiplica. – Conteúdo de informação baixo.
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Vírus • Conteúdo de informação alto. • Evolui. – Se multiplica apenas no interior de uma célula.
Estrela • “Nasce” e “morre” • Se alimenta. – Não se adapta.
Água-viva e fungo (cogumelo). • Conteúdo de informação alto. • Evolui. • Se adapta e se multiplica. � Eles são vivos!
Condições para haver vida • Em quais tipos de sistemas complexos?
– Sistemas químicos, plasmas, cristais líquidos...? � A vida que conhecemos na Terra é um sistema químico baseado
em Carbono (a química orgânica).
• Presença de um meio líquido? – Água é um excelente solvente e abundante no Universo.
• Observamos a presença de água na Via Láctea e em outras galáxias.
Questões:
1) A vida precisa necessariamente de átomos e um ambiente físico-químico?
2) A vida pode se desenvolver em outro planeta ou no espaço em condições completamente diferentes da Terra?
Por razões práticas, restringimos a definição de vida como a conhecemos na Terra.
Árvore filogenética da vida na Terra
• Bacteria: procariontes unicelulares (célula sem núcleo). • Archaea: procariontes com conteúdo genético significativamente diferente das bactérias. • Eukarya: células com estruturas complexas (núcleo + membrana).
– Pode ser uni- ou multi-celular. – Animalia (animais): são multicelulares, se movem e tem boca.
Ancestral comum de toda a vida na Terra
Baseada na configuração do rRNA, tem 3 domínios:
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Último ancestral comum universal (LUCA: Last Universal Common Ancestor)
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����Um indivíduo ou um conjunto?
Entre 3,8 e 3,5 bilhões de anos atrás, ( ~1 bilhão de anos depois da formação da Terra).
Sulfolobus: extremófilo que vive em fontes quentes e resiste a meios ácidos.
Composição química do ser humano Elemento químico
sím-bolo
% massa
% N° átomos
Oxigênio O 61 23,9 Carbono C 23 12,0 Hidrogênio H 10 62,3 Nitrogênio N 2,6 1,17 Cálcio Ca 1,4 0,219
Fósforo P 1,1 0,222
Potássio K 0,2 0,0321
Enxofre S 0,2 0,0392
Sódio Na 0,14 0,0382
Cloro Cl 0,12 0,0213
Magnésio Mg 0,027 0,00697
Silício Si 0,026 0,00509
Ferro Fe 0,006 0,00067
C H O N
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Fonte: http://www.hbcpnetbase.com/ (seção 7)
� contém entre 50 a 60% de água.
Elementos químicos para vida
• C H O N (99,37% em número): átomos mais abundantes em seres vivos, estão entre os mais abundantes na Terra e no Universo. – Ca + P (0,44% em número), K + S + Na + Cl (0,13% em número). – Resto ~ 0,06%
• Hélio (He) é o 2° átomo mais abundante no Universo, contudo: – É raro na Terra e nos planetas telúricos; – É muito inerte (gás nobre), praticamente não está presente em
moléculas.
• Para vida é necessário moléculas complexas: cadeias de átomos que possam se unir a 3 ou 4 outros átomos. – Átomos que podem se unir apenas com um ou dois átomos não
produzem moléculas suficientemente complexas.
Moléculas complexas para vida • 5 elementos poderiam servir para o “esqueleto” de moléculas
complexas: – Boro, Carbono, Nitrogênio, Silício e Fósforo.
• Silício–Silício: ligações muito frágeis para manter grandes moléculas.
• Silício–Oxigênio: ligações fortes demais (forma gel e líquido). • Silício–Oxigênio–Oxigênio: ligações ainda mais fortes (por
exemplo, cristais de quartzo, SiO2). • Boro, Nitrogênio e Fósforo têm os mesmos problemas.
• Carbono tem ligações fortes, mas na medida certa para possibilitar transformações � possibilidade de moléculas gigantes e estáveis o suficiente.
polipropileno glicol
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Moléculas orgânicas no meio interestelar �� � #����� ��� ��� �� ����� ���� ���� �#�����
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Cometas e meteoritos também possuem moléculas orgânicas.
Até outubro/2015, mais de 194 moléculas foram detectadas no meio interestelar (das quais 61 em fontes extragalácticas).
http://www.astro.uni-koeln.de/cdms/molecules
Origem da vida • A vida na Terra se baseia na macromolécula ácido
desoxirribonucleico, ADN.
• Hélice dupla com as bases: adenina (A), citosina (C), guanina (G) e timina (T).
• Aminoácidos também são essenciais à vida. amino (NH2) + ácido carboxílico (COOH) + uma cadeia molecular.
• O aminoácido Glicina foi observado no cometa Wild-2 e no meio interestelar.
(C),
io
Cenário de Alexander Oparin (1924)
• Experiência de Urey–Miller (Stanley Miller era aluno de Harold Urey).
Elementos biogenéticos (CHONPS)
Energia Aminoácidos Vida
Pearson Education, Inc, 2010
• Teste do cenário de Oparin em 1930, demonstram a formação de aminoácidos a partir de gases presente na atmosfera da Terra primitiva. A energia vinha de relâmpagos.
• Foram criados mais de 20 aminoácidos diferentes, mas nenhuma forma de vida.
A evolução da vida é um longo processo. Big Bang: início da expansão
Elementos leves são formados.
Primeiras estrelas se formam e começam a enriquecer o Universo com metais.
A Gálaxia se forma.
O Sistema Solar se forma.
A Terra se forma.
Início da vida no pré-cambriano.
Multiplicação da vida multicelular na “Explosão Cambriana”.
1°s
Eucariontes
“Explosão Cambriana”
Onde a vida se desenvolve?
• Aminoácidos são encontrados em planetas/satélites e no meio interestelar.
• Desenvolvimento e evolução da vida deve necessitar certas condições.
• Não pode ser quente demais (destrói moléculas complexas), frio demais (reações químicas são inibidas), não pode ter muita radiação UV, raios-X e gama (destrói moléculas, ioniza átomos).
• Reações químicas se beneficiam de um meio líquido neutro: água líquida.
Zona de habitabilidade • Região onde é possível encontrar água líquida na superfície de planetas ou
seus satélites. • Depende da luminosidade e da distância da estrela do sistema planetário.
• Mesmo durante o período da Sequência Principal, a luminosidade das estrelas varia lentamente, alterando a zona de habitabilidade.
• Podem haver outras regiões habitáveis, por exemplo, em órbita de planetas gigantes:
– forças de maré do planeta fornecem energia para manter o satélite aquecido internamente � água líquida sob uma grossa camada de gelo (p.ex., Europa).
Terra
Marte
Zona de habitabilidade Galáctica
• Área cinza claro: tempo suficiente para desenvolvimento de vida. • Área azul: excesso ou falta de metais. • Área vermelha: excesso de explosões de supernovas. • Contorno verde escuro: região de maior probabilidade de se formarem estrelas que possam abrigar
planetas com vida complexa (multicelular, por exemplo). • Linha verde clara: distribuição de idade de vida complexa.
Não é surpreendente que o Sol esteja próximo do centro da zona de habitabilidade, já que usamos a vida na Terra como padrão.
A Via Láctea se torna habitável há ~8 bilhões de anos atrás, em uma região entre 8 e 9 kpc do centro.
Com o tempo, a região de habitabilidade se expande.
Supõe-se aqui que a vida complexa leva ~4 bilhões de anos para se desenvolver.
Lineweaver et al., Science, 2004
Exoplanetas
• 3434 exoplanetas descobertos entre 1992 e 13/06/2016. – cerca de 2286 em 1626 sistemas descobertos pelo satélite Kepler.
• 19 exoplanetas têm massa entre 0,5 e 2,0 massas terrestres. • Alguns na zona de habitabilidade.
http://exoplanet.eu/ http://exoplanets.org/
Talvez, 6±2% das estrelas de tipo solar tenham um planeta do tamanho da Terra com período de translação entre 200 e 400 dias. E. A. Petigura, A. W. Howard & G. W. Marcy (2012)
O que é a inteligência?
• Forma de vida com habilidade de interagir com outros animais. • Com capacidade de se comunicar e aprender com outros animais. • Com capacidade de ensinar e passar experiências aos colegas e
filhos. • ...
• Alfred Binet (psicólogo): “Inteligência é julgar bem, compreender bem, raciocinar bem”.
• Lewis Terman (psicólogo): “A capacidade de conceituar e de compreender o seu significado”.
• Judy Harris Helm (pedagoga): “A atividade inteligente consiste na compreensão do essencial de uma situação e numa resposta reflexa apropriada”.
• Jean Piaget (psicólogo): “Adaptação ao ambiente físico e social”. • Marvin Minsky (professot do MIT): “Inteligência é a habilidade de
resolver problemas difíceis”
A classificação de civilizações de Nicolai Kardashev
• Nikolai Kardashev propõe em 1964 que as civilizações evoluem por 4 estágios e que as civilizações alienígenas podem ser classificadas em um deles.
• Base da classificação: a energia disponível
A classificação de civilizações de Nicolai Kardashev
• Tipo 0: a civilização apenas começa a explorar recursos planetários, como a energia solar, geotérmica ou eólica. A maior parte da energia produzida vem de combustíveis fósseis não-renováveis, como petróleo, carvão, gás natural. Nossa civilização é deste tipo. Até ~ 1014 W.
• Tipo 1: a civilização controla os recursos do planeta; prediz o
tempo e terremotos com precisão; pode controlar o clima induzindo artificialmente o efeito estufa ou usando lasers em órbita. Pode interromper uma era glacial. Tem a capacidade de aproveitar uma fração significativa da potência do Sol. Nós precisamos de mais um ou dois séculos pelo menos para chegar aqui. Até ~ 1016 W.
A classificação de civilizações de Nicolai Kardashev
• Tipo 2: a civilização estendeu seu poder sobre todo seu sistema estelar, colonizando ou explorando os planetas. Dominam os vôos espaciais e enviam expedições para outras estrelas. Até ~ 1026W.
• Tipo 3: a civilização colonizou
milhares ou milhões de sistemas planetários, se não toda uma galáxia. Ela tem poder para controlar a Galáxia. Até ~ 1036W. Portanto, pelo visto, não existem civilizações Tipo 3 na Via Láctea.
• Esta escala foi estendida posteriormente para Tipo 4 (até ~ 1046W) e Tipo 5 (toda a energia disponível do Universo).
adamburn.deviantart.com/art/SHield-World-Construction-118068881
A equação de Drake
• N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
• Proposta em 1961 por Frank D. Drake para estimar o número N de civilizações na Galáxia com as quais nós poderíamos nos comunicar.
• A equação de Drake é o produto de uma série de estimativas feitas para avaliar a probabilidade das condições necessárias para que haja tais civilizações com capacidade de se comunicar conosco.
• A equação de Drake não tenta responder se estas civilizações querem ou não se comunicar conosco.
• Dada a incerteza nos fatores envolvidos, muitos acham esta equação completamente inútil.
• A equação de Drake é no mínimo útil para examinar o nosso nível de ignorância...
N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
• R*: taxa de formação estelar em uma galáxia, em unidades de estrelas por ano
• Na Galáxia: – hoje, ~ 1/ano mas no
passado a taxa foi maior. – Número médio:
N_estrelas / idade = ~ 200 bilhões / 10 bilhões ~ 20 estrelas/ano.
Este número é menor se considerarmos apenas estrelas com menos ~1,5 massas solares (mais de ~2 bilhão de anos na Sequência Principal) e estrelas com mais de 0,5 massas solares (suficientemente quentes para a zona de habitabilidade não estar demasiadamente próxima da estrela).
N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L • fp: fração das estrelas que contêm
planetas. Número ainda mal conhecido; Drake sugere 0,5. Muitos exoplanetas estão sendo descobertos e este número pode ser maior.
• ne: número de planetas/satélites por
estrela que podem abrigar a vida (habitabilidade). Número altamente incerto! Drake: 2 planetas/estrela No Sistema Solar, temos pelo menos 6 astros potencialmente habitáveis: Vênus, Marte, Ganimedes, Europa, Titã e, é claro, a Terra.
N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
• fl: fração das estrelas que podem desenvolver vida. fl > 0 com certeza...
• fi: fração da vida que se torna inteligente. Drake: 0,01
• fc: fração da vida inteligente que pode se comunicar. Drake: 0,01
• L: duração de uma civilização inteligente que pode se comunicar. Nós mesmos: ~100 anos (desde que começamos a emitir ondas de rádio).
Resultados de Drake (1961): N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
• R*: taxa de formação estelar na Via Láctea: 10 estrelas/ano • fp: fração das estrelas que contêm planetas: 0,5 • ne: número de planetas por estrela que podem abrigar a
vida: 2 • fl: fração das estrelas que podem desenvolver vida: 1 • fi: fração da vida que se torna inteligente: 0,01 • fc: fração da vida inteligente que pode e deseja se
comunicar: 0,01 • L: duração de uma civilização inteligente que deseja se
comunicar: 10.000 anos
N=10*0,5*2*1*0,01*0,01*10.000= 10 civilizações
Estimativa menos otimista: N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
• R*: taxa de formação estelar na Via Láctea: 10 estrelas/ano • fp: fração das estrelas que contêm planetas: 0,5 • ne: número de planetas por estrela que podem abrigar a
vida: 0,5 • fl: fração das estrelas que podem desenvolver vida: 0,1 • fi: fração da vida que se torna inteligente: 0,0000001 • fc: fração da vida inteligente que pode e deseja se
comunicar: 0,01 • L: duração de uma civilização inteligente que deseja se
comunicar: 500 anos
N=10*0,5*0,5*0,1*10-7*0,01*500~ 10-7 civilizações
Princípio da Mediocridade
• A Terra é um planeta rochoso típico, em torno de uma estrela comum, numa região intermediária de uma galáxia espiral, como inúmeras outras.
• A Terra experimenta as mesmas leis, efeitos e evolução que outros planetas.
• A vida deve ser bastante comum no universo.
Paradoxo de Fermi: se os aliens existem, onde estão eles?
• De acordo com o princípio da mediocridade, como a Galáxia é antiga, grande, e com 200 bilhões de estrelas, a vida deve ser comum.
• Por que ainda não nos encontramos com os aliens?
Soluções para o Paradoxo de Fermi
• Estamos sós: civilizações são tão raras que somos a primeira a surgir na Via Láctea.
• Civilizações são comuns, mas nenhuma colonizou a Via Láctea: a) dificuldades tecnológicas: viagens interestelares são difíceis e caras. b) sociologia: não têm interesse em sair de casa. c) autodestruição.
Soluções para o Paradoxo de Fermi
• Existe uma civilização galáctica mas ela deliberadamente evita contato.
Teoria das Ilhas de Vida
• A vida está espalhada no universo tanto no espaço quanto no tempo.
• A cada milhão de anos, em um planeta muito distante, uma civilização evolui a ponto de mandar sinais de rádio para outros planetas.
• Mas poucos milhares de anos depois disso, a vida desaparece abruptamente e a emissão de sinais é interrompida.
• Isso pode ter ocorrido inúmeras vezes no universo, mas nenhum par de civilizações avançadas estava perto o suficiente ou viva na mesma época.
Por que a vida poderia desaparecer subitamente?
Teoria das Ilhas de Vida
Por que a vida poderia desaparecer subitamente?
• Autodestruição (tipo uma guerra nuclear). • Desastre ecológico (aquecimento global, destruição
da camada de ozônio). • Eras glaciais: ocorrem na Terra a cada ~10.000
anos. • Impacto: colisão com um asteroide gigante (do tipo
que levou à extinção dos dinossauros).
A hipótese da “Terra Rara” • Proposta por Peter Ward e Donald Brownlee no livro
Rare Earth.
• A emergência na Terra de vida multicelular complexa requer uma combinação extremamente improvável de eventos e circunstâncias astrofísicas e geológicas.
A atmosfera da Terra evoluiu com o tempo, refletindo tanto a atividade vulcânica e bombardeio de cometas, como a atividade biológica. O2 foi produzido por fotossíntese, CH4 é produzido em vulcões e organismos vivos.
• Fica dentro da zona habitável da Galáxia – Se a Terra estivesse mais próxima do centro galáctico
• Radiação X e gama de buracos negros e estrelas de neutrons • Perturbação gravitacional por estrelas próximas • Chance maior de ser atingida por asteróides
– Se a Terra estivesse muito longe do centro galáctico • Elementos pesados necessários para formar planetas rochosos são
raros.
• Nossa estrela central tem as características certas – O Sol é uma estrela tipo G (~ 5% das estrelas da Via Láctea) – A zona habitável em torno do Sol é estimada entre 0,95 – 1,15 UA – Anãs vermelhas (as estrelas mais comuns) têm zonas habitáveis
menores: • Efeito de marés: um lado do planeta fica sempre voltado para a estrela • Aumenta o risco das explosões solares, que ionizam a atmosfera
A hipótese da “Terra Rara”
• Lua grande – Única porque
• Os outros planetas rochosos não têm luas ou elas parecem ser asteróides capturados (Marte)
• A fração do tamanho da Lua em relação à Terra é a maior do sistema solar (exceto Plutão e Caronte)
– Supõe-se que a Lua estabilize o eixo de rotação da Terra • Muita oscilação do eixo: mudanças climáticas extremas (prejudicial para
a vida) • Pouca oscilação: falta de mudanças climáticas (elas estimulam a
evolução)
• Tectônica de placas, glaciações, impacto de asteróides, �
A hipótese da “Terra Rara”
Viagens interestelares • Velocidade máxima de um foguete hoje: v ~ 43000km/h ~ 12km/s
• Estrela mais próxima do Sol: d = 4,24 anos-luz (1,3 pc).
• Tempo de viagem: t = d/v = 106 mil anos.
• Novas tecnologias, por exemplo, propulsão por íons acelerados em um campo magnético: v ~ 500 mil km/h ~ 140 km/s, t ~ 9 mil anos.
Comprem só a passagem de ida!
• Para a viagem ser suportável, é necessário viajar com velocidade próxima a da luz.
• Mas a energia necessária aumenta rapidamente com a velocidade.
• Além disto, em uma viagem de ida e volta, o tempo na espaçonave será muito menor do que o tempo passado na Terra.
As máquinas de Von Neumann
• Imagine uma nave com capacidade de se auto-reproduzir e que:
– viaja até a estrela mais próxima em 100.000 anos;
– constrói 2 cópias em 100 anos e as envia para duas outras estrela próximas;
– cada uma constrói 2 cópias e as manda para 2 outras estrelas próximas, etc...
• Todas as estrelas da Galáxia serão visitadas em uns 4 milhões de anos.
• Sugerido por John von Neumann na década de 1940.
Como procurar inteligências extraterrestres?
• Há pouca chance de se descobrir vida extraterrestre por contacto direto
• Uma maneira é tentar se comunicar via ondas de rádio (radiação eletromagnética = fótons)
• Fótons: - viajam à velocidade da luz - podem transportar informação - são produzidos e detectados facilmente - não são defletidos pelo campo magnético galáctico - em algumas frequências têm baixa probabilidade de serem
espalhados ou absorvidos • Sinais - artefatos: sinais de rádio, TV, radar, � - deliberados: sinais codificados, mas fáceis de decodificar
Comunicação com extraterrestres: projeto SETI
• SETI: search for extraterrestrial intelligence • Objetivo: detectar evidências de civilizações tecnológicas • Radio-telescópio de Arecibo • SETI@Home
Janela no espectro E-M de menor ruído na Galáxia: “buraco da água”: canal de comunicação.
O Futuro...
• Eventualmente deixar a Terra e migrar pela Galáxia? – O Sol não vai durar para sempre. – Mineração do Sistema Solar.
• Civilizações pós-biológicas? – Consciência e inteligência em sistemas informáticos
(computadores)? – Maior tolerância a extremos (calor, frio, radiação).
• Vida (e vida inteligente) pela Galáxia?
Vida no contexto cósmico AGA 0316
• Disciplina optativa oferecida para toda a USP.
• O estudo multidisciplinar da origem, evolução, distribuição e destino da vida no Universo.