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.