Vida no contexto cósmico: astrobiologia

Gastão B. Lima Neto Vera Jatenco-Pereira

IAG/USP

AGA 210 – 1° semestre/2018

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

Do que se trata a “vida no contexto cósmico”? •  Também chamada de:

–  astrobiologia (Otto Struve 1955); –  exobiologia (Joshua Lederberg 1960); –  cosmobiologia (J.D. Bernal, 1952; Dick 1996); –  bioastronomia (IAU 2006, www.iau-c51.org).

•  “A consideração da vida no Universo em outras partes além da Terra” (Laurence J. 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: Estudo de Extremófilos, seres vivos em condições

extremas (para o nosso padrão), que pode dar pistas de como a vida se desenvolve fora da Terra.

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: envolve 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? •  Bioastronomia: bio = vida em grego.

•  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.

•  Outras características que podem definir vida:

  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.

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 pode haver vida?

–  Sistemas químicos ou plasmas ou cristais líquidos ou ...?  A vida que conhecemos na Terra é um sistema químico baseado em carbono (a química orgânica).

•  Presença de um meio líquido é necessária? –  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.

Como é a vida na Terra? Árvore filogenética da vida

•  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 (pelo menos a maioria).

Ancestral comum de toda a vida na Terra

Baseada na configuração do rRNA, tem 3 domínios:

Distribuição de biomassa na Terra

•  Biomassa (“massa de carbono”) em organismos vivos.

Bar-On, Phillips & Milo (2018) PNAS Gt = 109 toneladas C = Carbono

Último ancestral comum universal (LUCA: Last Universal Common Ancestor)

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 de seres vivos 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 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

Dextrose

Moléculas orgânicas no meio interestelar

Cometas e meteoritos também possuem moléculas orgânicas.

Até maio/2018, por volta de 200 moléculas foram detectadas no meio interestelar (das quais 62 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 •  3793 exoplanetas descobertos entre 1992 e 12/06/2018.

–  2837 sistemas planetários –  a maioria dos exoplanetas descobertos pelo satélite Kepler.

•  40 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 (professor do MIT): “Inteligência é a habilidade de

resolver problemas difíceis”.

Quantas civilizações avançadas existem na Galáxia?

N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L Equação de Drake

•  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 ~4,5 bilhões 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... Drake: 1

•  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 otimista??

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 pessimista??

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.

•  Como a vida surgiu aqui, então 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

•  Não conseguimos ver, detectar ou reconhecer a vida extra-terrestre.

•  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.

•  A vida está espalhada no universo tanto no espaço quanto no tempo, dificultando (impossibilitando) o contato entre elas. As civilizações surgem, mas podem desaparecer rapidamente.

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.

•  Para a viagem ser suportável, é necessário viajar com velocidade próxima a da luz.

•  Mas a energia necessária aumenta rapidamente com a velocidade. Quantidade de combustível proibitiva.

•  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 contato 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 recebidos (ou enviados): -  artificial: sinais de rádio, TV, radar, ; -  deliberados: sinais codificados, mas fáceis de

decodificar. Nós mandamos uma mensagem para qualquer extraterrestre no espaço profundo. Foi detectado por um observatório na Europa. Eles não conseguiram entender...

senão isto pode acontecer

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?

•  O que fazer se detectarmos um sinal extraterrestre? –  Será que é realmente uma boa ideia anunciar a nossa

existência 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.

•  Livro sobre astrobiologia: http://www.tikinet.com.br/iag/ ou http://www.iag.usp.br/astronomia/livros-e-apostilas