Vida - Astronomia

O que é vida?
Vida na Terra
Habitabilidade
Procura de vida
Vida inteligente?
Viagem interestelar
Comunicação
Vida no contexto cósmico:
astrobiologia
Gastão B. Lima Neto
Vera Jatenco-Pereira
IAG/USP
www.astro.iag.usp.br/~aga210/
Agradecimentos aos Profs. Eduardo Janot-Pacheco, Amâncio Friaça e Augusto Damineli
AGA 210 – 1° semestre/2016
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
• 
• 
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• 
• 
• 
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?
!
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Fogo
Vírus
Estrela
• Se alimenta e cresce
• Se multiplica.
– Conteúdo de informação
baixo.
• Conteúdo de informação alto.
• Evolui.
– Se multiplica apenas no
interior de uma célula.
• “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
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#
!
Baseada na
configuração do rRNA,
tem 3 domínios:
• 
• 
• 
Ancestral comum de
toda a 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.
Último ancestral comum universal
(LUCA: Last Universal Common Ancestor)
Sulfolobus: extremófilo
que vive em fontes
quentes e resiste a
meios ácidos.
Entre 3,8 e 3,5
bilhões de anos atrás,
( ~1 bilhão de anos depois
da formação da Terra).
Um indivíduo
ou um conjunto?
Composição química do ser humano
!
$
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
% N°
átomos
61
%
massa
O
símbolo
Oxigênio
Elemento
químico
contém entre 50 a 60% de água.
CHON
Fonte: http://www.hbcpnetbase.com/ (seção 7)
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
Moléculas orgânicas no meio interestelar
#
#
Até outubro/2015, mais de
194 moléculas foram
detectadas no meio
interestelar (das quais 61
em fontes extragalácticas).
Cometas e meteoritos também possuem
moléculas orgânicas.
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
io
Wild-2 e no meio
interestelar.
Cenário de Alexander Oparin (1924)
Elementos
biogenéticos
(CHONPS)
Energia
Aminoácidos
Vida
•  Experiência de Urey–Miller (Stanley Miller era aluno de Harold Urey).
•  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.
Pearson Education, Inc, 2010
A evolução da vida é
um longo processo.
1°s
Big Bang: início da
expansão
Eucariontes
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.
“Explosão
Cambriana”
A Terra se forma.
Início da vida no précambriano.
Multiplicação da vida
multicelular na “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.
Marte
Terra
•  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).
Zona de habitabilidade Galáctica
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
• 
• 
• 
• 
• 
Não é surpreendente que
o Sol esteja próximo do
centro da zona de
habitabilidade, já que
usamos a vida na Terra
como padrão.
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.
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.
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)
http://exoplanet.eu/
http://exoplanets.org/
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.
•  Esta escala foi estendida
posteriormente para Tipo 4
(até ~ 1046W) e Tipo 5 (toda a
energia disponível do
Universo).
•  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.
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.
A hipótese da Terra Rara
•  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, 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.
•  Além disto, em uma viagem de ida e volta,
o tempo na espaçonave será muito menor
do que o tempo passado na Terra.
Comprem só a passagem de ida!
As máquinas de Von Neumann
•  Imagine uma nave com capacidade de se autoreproduzir 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.