Astrobiologia, uma ciência emergente, Manuais, Projetos, Pesquisas de Astrobiologia

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Produção editorial: Tikinet Edição Ltda Edição de texto: Hamilton Fernandes Preparação de texto: Amanda Coca Revisão: Glaiane Quinteiro e Marilia Koeppl Projeto gráfico: Maurício Marcelo Diagramação: Maurício Marcelo e Rodrigo Martins Capa: Vitor Teixeira

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Astrobiologia [livro eletrônico] : uma ciência emergente / Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia. -- São Paulo : Tikinet Edição : IAG/USP,

2016. 10 Mb ; ePUB e PDF

Vários autores. Bibliografia. ISBN 978-85-66241-03-

1. Astroquímica 2. Exobiologia 3. Vida - Origem 4. Vida em outros planetas I. Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia Universidade de São Paulo.

16-00269 CDD-576.

Índices para catálogo sistemático:

1. Universo : Existência de vida : Astrobiologia 576.

5 PREFÁCIO

9 APRESENTAÇÃO

Alvorecer no terceiro planeta

15 INTRODUÇÃO

21 AGRADECIMENTOS

23 CAPÍTULO 1

ASTROBIOLOGIA

Estudando a vida no Universo

43 CAPÍTULO 2

A ORIGEM DOS ELEMENTOS

61 CAPÍTULO 3

ASTROQUÍMICA

A formação, a destruição e a busca de moléculas prebióticas no espaço

75 CAPÍTULO 4

PLANETAS HABITÁVEIS

Onde estão os lugares no Universo adequados ao nosso ou outros tipos de vida?

95 CAPÍTULO 5

QUÍMICA PREBIÓTICA

A química da origem da vida

115 CAPÍTULO 6

ORIGEM DA VIDA

Estudando a vida no Universo

SUMÁRIO

PREFÁCIO

Desde o alvorecer da civilização, temos contemplado a beleza e as maravilhas do mundo natural que nos rodeia e nos pergunta- do sobre sua origem. Vasculhamos o passado e ficamos intrigados pelo futuro, e, por isso, somos únicos. Nossos ancestrais admi- raram a vastidão do espaço e certamente pensaram que deveria haver outros além de nós. Estamos agora em um momento único da história humana, quando podemos fazer essas mesmas antigas perguntas usando uma abordagem científica, e estudar rigorosamente as três gran- des questões da astrobiologia: “De onde viemos?”, “Para onde vamos?” e “Estamos sozinhos?”. Essas questões fundamentais cor- respondem às que a humanidade vem se fazendo há milênios, e, provavelmente, fazem parte do que nos torna humanos. Assim, não há como evitar sermos atraídos por esse campo de pesqui- sa. A astrobiologia é, na realidade, uma “metadisciplina” usando toda ciência útil, onde ela puder ser encontrada. De um ponto de

ASTROBIOLOGIA – Uma Ciência Emergente

vista prático, essa empreitada requer a interação de cientistas que, de outra forma, provavelmente não se encontrariam, necessitando de muito menos trabalho para o desenvolvimento de trabalhos de pesquisa colaborativos e altamente complexos. Ao contrario de muitas outras disciplinas científicas, a astro- biologia tem implicações em como enxergamos a nós mesmos, como interagimos com a Terra e com o Universo. “De onde vie- mos” toca a questão do “porquê” que tanto tem intrigado não apenas cientistas, mas também filósofos e teólogos. “Para onde vamos” contribui para esse entendimento, mas também requer o envolvimento econômico e político, que estão atualmente no auge das discussões sobre mudanças climáticas. E “Estamos sozinhos” algum dia irá nos forçar a encarar o fato de que nós, como cria- turas vivas, não somos únicos, ou, ao contrário, que estamos na verdade sozinhos no Universo, como resultado de uma história química tão improvável que resultou em um número amostral de apenas um, a vida na Terra. Qualquer desses resultados irá forçar novas considerações ética, como nossa relação com os “outros”, ou sobre nossa solidão e a responsabilidade de sermos a única forma de vida no Cosmos. Então, o que é astrobiologia? Vamos começar com o “De onde viemos”. Um biólogo vai abordar essa questão olhando para a evolução da vida na Terra, usando ferramentas tradicionais como anatomia comparativa e paleontologia, assim como ferramentas mais novas, como as técnicas da biologia molecular. Mas isso não irá responder o porquê dessa história ter acontecido dessa forma, sem um conhecimento mais completo do ambiente interagindo com a vida. Qual era a temperatura nos diferentes momentos? Será que a Terra estava passando por um evento de glaciação global ou sendo bombardeada por meteoritos – ou mesmo um único, enor- me e bem localizado asteroide, como o que atingiu a península de Yucatán 65 milhões de anos atrás. Esse evento jamais seria predito somente pela genética de populações, mas acabou tendo uma das mais profundas influências em nossa evolução, já que, sem ele,

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nada de “simples” na vida, seja ela qual for. O que nos trás de vol- ta à pergunta: o que é vida? Nesse contexto, onde entra o Brasil? Por quase uma década, tenho conhecimento do interesse em criar um programa de pes- quisa em astrobiologia no país, após uma reunião para a qual fui convidada, organizada pelo Grupo de Pesquisa em Astrobiologia do CNPq, durante a Assembleia Geral da IAU (União Astronômica Internacional) no Rio de Janeiro, em 2009. Após esse evento, to- mei conhecimento e participei de vários workshops sobre o tema no Brasil, culminando com a filiação do país como parceiro inter- nacional do NASA Astrobiology Institute (NAI), em 2011. Cada vez que vou ao Brasil, fico impressionada com o entusiasmo da comu- nidade, tanto de cientistas como estudantes, sendo os últimos uma grande promessa para o futuro da astrobiologia no país. Novas instalações de pesquisa estão sendo construídas, para complemen- tar os laboratórios que o Brasil já possuía. No meu próprio labora- tório, nos Estados Unidos, fui privilegiada por ter um maravilhoso pós-doutorando brasileiro, Dr. Ivan Paulino-Lima, que é meu lem- brete diário do programa bem-sucedido em desenvolvimento no país. Eu me sinto honrada de ser parte desse processo, e espero que essa colaboração e relacionamento duradouros continuem a florescer. Novos conhecimentos, a reorganização dos conhecimentos atuais e novas missões espaciais são claramente necessários para o avanço da astrobiologia. Para ajudar o leitor a colaborar nessa busca, o que se segue é uma coletânea de tópicos que o permiti- rão degustar da riqueza dessa área de pesquisa. E, como em uma refeição fabulosa, deve deixá-lo com vontade de mais. Bem-vindo à astrobiologia!

Tradução de Douglas Galante

Lynn J. Rothschild, Ph.D.

Cientista Sênior, Nasa Ames Research Center

APRESENTAÇÃO

Alvorecer no terceiro planeta

Já houve um tempo em que o Universo foi pequeno. De bolso, quase. Menos de 2 mil anos atrás, o célebre astrônomo Ptolomeu de Alexandria teve a ousadia de estimar o tamanho do Cosmo e calculou que os objetos mais distantes – as estrelas de fundo que vemos no céu todas as noites – estavam a cerca de 130 milhões de quilômetros de nós. Pode parecer grande pelas nossas medidas cotidianas, mas na verdade era uma visão extremamente modesta do Universo. Hoje, sabemos que, numa esfera desse tamanho, não conseguiríamos acomodar nem mesmo a órbita da Terra em torno do Sol, com raio de aproximadamente 150 milhões de quilômetros (medida que os astrônomos definiram como a unidade astronômi- ca, UA). Conforme abandonamos o que diziam nossas intuições e nos- sos preconceitos acerca de como achamos que o Universo deveria

APRESENTAÇÃO

complexidade tão alto que, até hoje, não sabemos como ele apa- receu pela primeira vez. De algum modo, aproximadamente 4 bilhões de anos atrás, aqui na Terra, apareceu um grupo de moléculas complexas com a capacidade emergente de se replicar – fabricar cópias de si mesma

• segundo instruções codificadas em sua própria estrutura mole- cular. Não sabemos que molécula foi essa, nem como ela se for- mou, mas os pesquisadores têm trabalhado duro para compreen- der como isso pode ter acontecido: possivelmente o maior desafio intelectual já empreendido pela ciência. A despeito das incertezas sobre sua origem, o que sabemos com certeza é que, por alguma rota química ainda não exatamen- te determinada, isso realmente aconteceu. E resultou no início do processo de evolução darwiniana por meio da seleção natural. A replicação imperfeita dessas moléculas primordiais produziu variedades de si mesmas, com pequenas diferenças nas instru- ções codificadas em sua estrutura. Algumas delas, mais eficientes no processo de replicação, logo dominaram o ambiente; outras, menos competentes, ficaram para trás e não deixaram descen- dentes. E assim a evolução teve início, num processo que levou, até agora, cerca de 4 bilhões de anos (uma escala de tempo tão inimaginável quanto a de espaço a que nos referimos há pouco), produzindo formas de vida as mais variadas e complexas. Até que, nos últimos milhões de anos, uma coisa ainda mais estranha aconteceu. Uma espécie ligeiramente diferente de primata come- çou a desenvolver um apreço cada vez maior pela atividade inte- lectual – possivelmente pelo incremento das relações sociais e a necessidade de fabricar ferramentas para sobreviver. Seu cérebro foi aumentando com o passar das gerações, moldado pela sele- ção natural, e esses primeiros humanos começaram a se intrigar com as misteriosas luzes que viam no céu à noite, assim como o brilho radioso do Sol durante o dia. O que significava tudo aquilo? A Terra, que já era um lugar especial por ter sido abrigo das intrincadas reações químicas que originaram a vida, agora chegava a uma fase ainda mais intrigante de sua existência: pela

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primeira vez surgia um tipo particular de vida capaz de refletir sobre a natureza do Universo e buscar compreender o contexto de sua própria existência. Ao longo dos últimos séculos (uma ninharia, se levarmos em conta os 4 bilhões de anos de evolução que nos precede- ram), essa espécie fez grandes avanços nesse esforço. Somos nós. Começamos a ter uma apreciação da escala e da organização do Universo, descobrimos que as mesmas leis da física regem fenô- menos em toda parte e que a química básica que permeia o Sol e sua família de planetas, incluindo aí o nosso, não é diferente da que encontramos em outras partes do Cosmo. Sabemos que há outros sóis extremamente similares ao nosso por aí, e Terras igual- mente parecidas. Não sabemos ainda com que frequência exa- ta esses astros surgem e evoluem como os membros do Sistema Solar, em meio a todas as permutações possíveis na formação e evolução de sistemas planetários, mas é inevitável a convicção estatística de que o Sol e a Terra não são, ao menos por força da física e da química envolvidas em seu surgimento, singulares. Resta então a derradeira pergunta: sendo a física e a química comuns em todo o Universo, será também a biologia? Pode o sur- gimento da vida na Terra ter sido fruto de um improvável acidente ou a atividade biológica, com toda sua rica complexidade, se ma- nifestar sempre que as condições são favoráveis? Quais exatamen- te são essas condições? Com que frequência elas são atendidas? Que diferentes mundos podem abrigá-las e qual é a extensão de seu alcance pelo Universo afora? Essas são algumas das perguntas a que se propõe a responder a novíssima ciência da astrobiologia, que nas últimas décadas deixou de ser mero exercício de espe- culação para se firmar como uma das áreas mais promissoras da investigação científica no século XXI. Podemos argumentar que, quando o filósofo italiano Giordano Bruno propôs, em 1584, que as estrelas do firmamento eram ou- tros sóis, apenas distantes demais para que os percebamos pelo que eram, e que em torno desses sóis também havia planetas como o nosso, e que em alguns desses mundos havia seres vivos

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Os capítulos desta obra foram escritos por alguns dos maiores especialistas brasileiros em astrobiologia e refletem o trabalho do Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia (nap/Astrobio), o que confe- re exatidão e confiabilidade a seu conteúdo. Prepare-se portanto para um mergulho na fascinante ciência que reflete essa busca an- cestral da humanidade pela compreensão de qual de fato é o seu lugar no Cosmo. Tenho certeza de que, ao terminar a leitura, você sairá com a convicção de que somos todos privilegiados por es- tarmos vivos justamente nessa época de nossa história. A contínua aventura do conhecimento, carregada de geração a geração desde que os primeiros humanos passaram a caminhar sobre a Terra, está chegando à sua fase mais entusiasmante – e apenas começando.

Salvador Nogueira

Jornalista de ciência, escreve atualmente para a coluna Mensageiro Sideral da Folha de S.Paulo e é autor de nove livros, entre os quais, “Extraterrestres”, “Rumo ao Infinito” e “Conexão Wright-Santos-Dumont”.

INTRODUÇÃO

Este livro é resultado do trabalho colaborativo de vários auto- res, especialistas em suas áreas, mas que aceitaram o desafio de escrever dentro de um contexto mais amplo. Foi organizado de maneira temporalmente linear, começando com uma apresenta- ção sobre o tema e logo entrando na história do Universo. Nesse caminho, passamos pela formação dos átomos, o início das intera- ções moleculares e complexificação química, ainda no ambiente espacial. Com a evolução do Universo, a gravidade continuou seu caminho, moldando a matéria em nuvens que se condensaram, formando estrelas e, hoje sabemos, quase sempre acompanhadas de planetas. Partimos então para explorar a diversidade desses mundos e o que os torna habitáveis. A química da origem da vida é revisada em dois capítulos, junto com os esforços mais recentes de tentar recriar as condições das primeiras centenas de milhões de anos do planeta em labo- ratório. Uma vez que a vida surgiu, ela evolui e se espalhou por

INTRODUÇÃO

da Universidade de São Paulo, percebemos desde a criação do núcleo, em 2011. Esperamos que ele, apesar de não ser completo, dada a vastidão do tema, contribua para catalisar mais iniciativas de produção sobre o assunto em português, e que possa ser usado para nortear e incentivar novos alunos brasileiros a se aventurarem na área, de forma crítica e rigorosa. A astrobiologia não é, em sua formulação atual, uma nova disciplina científica, nem mesmo é detentora de respostas que ne- nhuma outra ciência pôde obter até agora. Não há magia ou mila- gre, apenas trabalho duro e criatividade. A astrobiologia pode ser vista como uma área de pesquisa multi, inter e até transdisciplinar, que procura maneiras novas para entender o fenômeno da vida no Universo, sua origem, evolução, distribuição e futuro. Funciona, acima de tudo, como uma perspectiva para melhorar a comuni- cação e o intercâmbio de ideias entre pesquisadores de diferentes áreas com um interesse comum, a origem e evolução da vida no universo. Vários de nós, jovens pesquisadores na área, tivemos a opor- tunidade de ser expostos a essa visão durante a pós-graduação, participando de escolas internacionais de astrobiologia (seja aqui feito um agradecimento especial aos organizadores da Escola de Inverno de Astrobiologia do Havaí, Escola de Verão de Astrobiologia dos Países Nórdicos e da Escola de Verão de Astrobiologia de Santander, na Espanha), nas quais ficou claro que, uma vez ven- cidas as barreiras de comunicação, ter contato com colegas de diferentes áreas permite novas perspectivas e soluções para anti- gos problemas cristalizados – coloque um físico teórico para fazer experimentos de microbiologia em uma geleira na Islândia e tudo pode acontecer! Esse intercâmbio de ideias é o que a astrobiologia tem de me- lhor e o que, em nossa visão, realmente vale a pena ser mantido e melhorado. No Brasil, em 2011, organizamos com grande su- cesso a São Paulo Advanced School in Astrobiology (Spasa, 2011), financiada pela Fapesp, para atrair novos talentos para a área.

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Esperamos fazer mais eventos como esse e ficamos felizes de ver outras iniciativas já surgindo pelo país. Mas não podemos esquecer – a astrobiologia ainda é uma área em consolidação e, por isso mesmo, muito dinâmica. Sua conti- nuidade depende do interesse crescente da comunidade no tema, para garantir seu financiamento, criação de cursos, formação de pessoas e mesmo, quem sabe, abertura de vagas para pesquisado- res/professores específicas para o assunto. Pode ser que ela venha a ser substituída por outro termo no futuro, como “habitabilidade”, ou caia em desuso, sendo mantido o termo mais comum – “ciên- cias planetárias”. Isso é algo para o futuro, mas de menor impor- tância, pois o que realmente vale a pena é desbravar as fronteiras do conhecimento e compreendermos nosso lugar no Universo. Até o momento, não há um projeto de pesquisa em astrobio- logia, mas projetos em áreas específicas e mais clássicas (física, química, biologia, astronomia e geologia), com uma visão inter- disciplinar e conectada a um problema mais geral sobre a vida no Universo. Além do projeto em si, é importante que se invista na formação sólida em uma área de maior interesse (que possivel- mente será aquela em que a carreira dos pesquisadores terá conti- nuidade), também procurando expô-los a outras áreas de pesquisa, de maneira que tenham facilidade de diálogo em qualquer tema e uma boa rede de contatos, para sempre saber onde ou quem procurar, para achar a informação que precisam. Na ciência, é importante fazer escolhas por paixão, mas também levando em conta as aptidões pessoais necessárias nas diferentes áreas e, de forma muito pragmática, o mercado futuro de profissões. Levando em conta esses fatores, as chances de desenvolver uma carreira bem-sucedida e que satisfaça seus anseios serão muito maiores! Astrobiologia: uma ciência emergente faz parte da missão de disseminação do conhecimento proposta pelo nap/Astrobio, apoiada e financiada pelas Pró-reitorias de Cultura e Extensão Universitária da usp, além de parte do compromisso com ensino e educação como parceiro internacional do Nasa Astrobiology Institute (nai) e a European Astrobiology Network Association