Geologia : A Origem da Vida e Vida Extraterreste

Somos nós as únicas criaturas no Universo que pensam sobre sua origem e evolução, ou existiriam outras formas de vida inteligente entre as estrelas?
A origem da vida e a existência de vida extraterrestre vêm sendo focalizadas nos noticiários com grande intensidade desde os anos 1950, mas de forma crescente nos últimos anos, com a possível detecção de vida microscópica em Marte, através dos possiveis restos de nanobactérias no meteorito ALH84001, e da existência de água em forma de oceanos, sob uma manta congelada, na lua Europa de Júpiter e em Marte.

Qual é a origem da vida? O que diferencia seres vivos de simples matéria orgânica? No contexto de evolução cósmica, a vida resulta de uma sequência natural de evolução química e biológica da matéria pré-existente, regida pelas leis físicas. A regra fundamental é que os seres vivos são organismos que têm metabolismo, se reproduzem, sofrem mutações, e reproduzem as mutações, isto é, passam por seleção cumulativa. Já a vida inteligente requer mais de uma centena de bilhões de células, diferenciadas em um organismo altamento complexo e, portanto, a seleção natural cumulativa requer um longo tempo.
O que é o "sopro da vida"? O que diferencia seres vivos de não vivos?
6 características biológicas dos seres vivos:

organização em células

Amoeba proteus [crédito: Think quest]
Metabolismo: transformações químicas à custa de energia
Crescimento: transformação de materiais do meio para componentes do corpo
Reprodução: cópias do organismo mediante transferência genética
Mutação: mudanças das características individuais

Evolução: Reprodução da mutação, capacidade de adaptação A análise de meteoritos do tipo condrito carbonáceo, e a observação de moléculas orgânicas no meio interestelar, corroboram a idéia de que os compostos orgânicos podem ser sintetizados naturalmente, sem a atuação de seres vivos. Os compostos orgânicos são simplesmente moléculas com o átomo de carbono, que tem propriedade elétrica de se combinar em longas cadeias. Vários meteoritos apresentam aminoácidos de origem extraterrestre, que se formaram possivelmente por adesão molecular catalisada por grãos de silicato, da poeira interestelar. Mais de 140 moléculas já foram observadas no meio interestelar pelas suas linhas espectrais, como hidrocarbonatos aromáticos e alifáticos, alcools, ácidos, aldeidos, cetonas, aminos e éteres. Na atmosfera do satélite Titan, de Saturno, também foram encontrados vários compostos orgânicos.
A Terra não se formou com a mesma composição do Sol, pois nela faltam os elementos leves e voláteis, incapazes de se condensar na região demasiadamente quente da nebulosa solar onde a Terra se formou, e depois os elementos leves secundários foram perdidos pelo proto-planeta porque sua massa pequena e temperatura elevada não permitiram a retenção da atmosfera. A atmosfera primitiva resultou do degasamento do interior quente e era alimentada através da intensa atividade vulcânica que perdurou por cerca de 100 milhões de anos após sua formação. Apesar da ejecção de H₂O, CO₂, HS₂, CH₄ e NH₃ na atmosfera, esta não possuia oxigênio livre como hoje, que poderia destruir moléculas orgânicas. A formação de moléculas complexas requeria energia de radiação com comprimentos de onda menores que 2200Å, providos por relâmpagos e pelo próprio Sol, já que não havia ainda na Terra a camada de ozônio que bloqueia a radiação ultravioleta.
Stanley

O experimento bioquímico em laboratório de Miller-Urey, realizado em 1953 por Stanley Lloyd Miller (1930-2007) no laboratório de Harold C. Urey (1893-1981), demonstrou que, nessa atmosfera redutora, sob a ação de descargas elétricas, é possível transformar 2% do carbono em aminoácidos, a base das proteínas. No experimento de Miller-Urey, o frasco de baixo contém o "oceano" de água, que ao ser aquecido força vapor de água a circular pelo aparato. O frasco de cima contém a "atmosfera", com metano (CH₄), amônia (NH₃), hidrogênio (H₂) e o vapor de água. Quando uma descarca elétrica (raio) passa pelos gases, eles interagem, gerando amino ácidos (glicina, alanina, ácidos aspático e glutâmico, entre outros). 15% do carbono do metano original combinaram-se em compostos orgânicos.
Em 1959, Juan Oró, na Universidade de Houston, conseguiu produzir adenina, uma das quatro bases do ARN (RNA) e ADN (DNA), a partir de HCN e amônia em uma solução aquosa. Embora a atmosfera da Terra possa não ter sido redutora no início, vários aminoácidos já foram detectados em meteoritos, mostrando que eles podem se formar no espaço.

Vida na Terra

Segundo a paleontologia, fósseis microscópicos de bactéria e algas datando de 3,8 bilhões de anos são as evidências de vida mais remota na Terra. Portanto cerca de 1 bilhão de anos após a formação da Terra, a evolução molecular já havido dado origem à vida. Desde então as formas de vida sofreram muitas mutações e a evolução darwiniana selecionou as formas de vida mais adaptadas às condições climáticas da Terra, que mudaram com o tempo. A evolução do Homo Sapiens, entretanto, por sua alta complexidade, levou 3,8 bilhões de anos, pois sua existência data de 300 000 anos atrás. O Homo Sapiens Sapiens só tem 125 000 anos, e a civilização somente 10 000 anos, com o fim da última idade do gelo.
Embora nenhuma evidência concreta de vida tenha até agora sido encontrada fora da Terra, os elementos básicos para seu desenvolvimento foram detectados no meio extra-terrestre. Por exemplo, a lua Europa pode conter vida pois reúne os elementos fundamentais: calor, água e material orgânico procedente de cometas e meteoritos.
Na Terra foram necessários 4,5 bilhões de anos para a vida inteligente evoluir, mas somente 1 bilhão para a vida microscópica iniciar. Entretanto, a vida pode tomar formas inesperadas, evoluir em lugares imprevisíveis, e de formas improváveis, os chamados extremófilos, descobertos em 1965.
Methanopyrus

Por exemplo, aqui na Terra, se encontrou a bactéria Polaromonas vacuolata, que vive quilômetros abaixo da superfície, nos pólos, sob temperaturas dezenas de graus abaixo de zero, bactérias em uma mina de ouro da África do Sul a 3,5 km de profundidade, microorganismos que vivem dentro de rochas de granito, que se acreditava completamente estéreis pela completa falta de nutrientes, até micróbios super-resistentes, como o Methanopyrus kandleri, que vivem no interior de vulcões submarinos, em temperaturas de até 113 C. Essas bactérias se alimentam de gases, como o metano, e outros elementos químicos, como ferro, enxofre e manganês. O micróbio Pyrolobus fumarii era a forma de vida mais resistente às altas temperaturas até 2003. Os cientistas haviam registrado exemplares desses organismos vivendo a 113 graus Celsius. Derek Lovley e Kazem Kashefi, ambos da Universidade de Massachusetts, Estados Unidos, identificaram uma arqueobactéria (a forma mais primitiva de vida que se conhece) que se reproduziu em um forno a até 121 graus Celsius. O nome científico do micróbio, um hipertermófilo unicelular, ainda não foi definido, e é conhecido como Strain 121 (linhagem 121). Ele foi encontrado em um vulcão submarino no Havaí. Segundo Lovley, esses microrganismos usam ferro para produzir energia. Note que os fornos esterilizadores em geral trabalham a no máximo 121 C. E outras como as Sulfolobus acidocaldarius, acidófilos, que vivem em fontes de ácido sulfúrico. Deinococcus radiodurans é um extremófilo radio-resistente, que consegue sobriver a doses de radiação de 5 000 Grays. Uma dose de 1 Grays equivale à absorção de 1 joule por kilograma. 10 Gy são suficientes para matar um ser humano. A bactéria Herminiimonas glaciei descoberta pela equipe coordenada pela bioquímica Jennifer Loveland-Curtze (2009, International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiololgy 59, 1272), permaneceu sob uma camada de gelo de 3 km de espessura, a 56 graus negativos por 120 mil anos e depois de onze meses a temperaturas de 2 a 5 graus positivos voltou a vida, se reproduziu e formou uma colônia.
Em 2010, Felisa Wolfe-Simon e colaboradores do NASA Exobiology and Evolutionary Biology (Exo/Evo) Program e no NASA Astrobiology Institute divulgaram que a bactéria Gammaproteobacteria GFAJ-1, encontrada em um lago na Califórnia, da família das Halomonadaceas, e é uma extremófila halofílica capaz de substituir o fósforo (P) por arsênico (As) no seu DNA.
Portanto, aqui na Terra, formas de vida primitiva muito diferentes existem.

A bactéria de menor tamanho reconhecida na Terra é a Mycoplasma genitalium, com 300 nm. As possíveis nanobactérias, encontradas também dentro de seres humanos, têm diâmetro entre 30 e 150 nm, cerca de um milésimo da largura de um fio de cabelo, e menor que muitos vírus, que não se reproduzem sozinhos, mas somente através de um ser vivo. O tamanho extremamente pequeno das nanobactérias limita muito a investigação cientifica, e ainda não se conseguiu identificar DNA nelas. O microbiólogo Jack Maniloff, da Universidade de Rochester, determinou como 140 nm o tamanho mínimo para seres vivos, para ter DNA e proteínas em funcionamento.

Vida no Sistema Solar

A existência de vida inteligente pode ser descartada em todos os demais planetas do Sistema Solar. Em Marte, onde há água em certa abundância, atualmente em forma de vapor ou sólido, e a pressão atmosférica na superfície é 150 vezes menor do que na Terra, a morfologia da superfície indica que houve água líquida no passado. O meteorio ALH84001, proveniente de Marte, mostra depósitos minerais que ainda estão em disputa científica se são restos de nanobactérias, compostos orgânicos simples, ou contaminação ocorrida na própria Terra.
Contaminação: a dificuldade de procurar vida extra-terrestre através de experimentos é a possibilidade de contaminação do experimento por vida aqui da Terra. Quando a missão Apolo 12 trouxe de volta uma câmara Surveyor 3 enviada anteriormente, encontrou-se uma colônia da bactéria Streptococcus mitis, que tinha contaminado a espuma de isolamento da câmara antes de ser enviada à Lua, e sobrevieu não só a viagem de ida e volta, mas os três anos que esteve lá no solo na Lua. Esta bactéria é comum e inofensiva e vive no nariz, boca e garganta dos humanos.

Vida na Galáxia

A inteligência, interesse sobre o que está acontecendo no Universo, é um desdobramento da vida na Terra, resultado da evolução e seleção natural. Os seres inteligentes produzem manifestações artificiais, como as ondas eletromagnéticas moduladas em amplitude (AM) ou frequência (FM) produzidas pelos terráqueos para transmitir informação (sinais com estrutura lógica). Acreditando que possíveis seres extra-terrestres inteligentes se manifestam de maneira similar, desde 1960 se usam radiotelescópios para tentar captar sinais deles. Esta busca leva a sigla SETI, do inglês Search for Extra-Terrestrial Intelligence, ou Busca de Inteligência Extra-Terrestre. Até hoje não houve nenhuma detecção, mas esta busca se baseia em emissões moduladas de rádio, que produzimos aqui na Terra somente nos ultimos 60 anos. Hoje em dias, as tramissões de dados por ondas eletromagnéticas estão sendo superadas por transporte de informação por fibras óticas, que não são perceptíveis a distâncias interestelares.
Radio

O SETI utiliza ondas de rádio para procurar sinais extraterrestres porque as ondas de rádio viajam à velocidade da luz mas não são absorvidas pelas nuvens de poeira e gás do meio interestelar. Dentro de um raio de 80 anos-luz da Terra existem cerca de 800 estrelas similares ao Sol. Podemos ver algumas destas estrelas a olho nu: α Centauri, τ Ceti, ε Eridani, 61 Cygni e ε Indi. O projeto Phoenix procura por sinais em cerca de 1000 estrelas na vizinhança solar.

OVNIs

Devido às grandes distâncias interestelares, e à limitação da velocidade a velocidades menores que a velocidade da luz pela relatividade de Einstein, não é possível viajar até outras estrelas e seus possíveis planetas. O ônibus espacial da NASA viaja a aproximadamente 28 000 km/h e, portanto, levaria 168 000 anos para chegar à estrela mais próxima, que está a 4,4 anos-luz da Terra. A espaçonave mais veloz que a espécie humana já construiu até agora (Voyager da NASA) levaria 80 mil anos para chegar à estrela mais próxima.
Mesmo com um reator de fusão nuclear, o combustível necessário para a viagem à estrela mais próxima ocupa mil navios supertanques, e levaria 900 anos. O Dr. Bernard M. Oliver (1916-1995), diretor de pesquisa e vice-presidente da Hewlett-Packard Corporation e co-diretor do projeto de procura de vida extra-terrestre Cyclops da NASA, calculou que para uma espaçonave viajar até esta estrela mais próxima a 70% da velocidade da luz, mesmo com um motor perfeito, que converte 100% do combustível em energia (nenhuma tecnologia futura pode ser melhor que isto), seriam necessários 2,6 × 10¹⁶ Joules, equivalente a toda a energia elétrica produzida em todo o mundo, a partir de todas as fontes, inclusive nuclear, durante 100 mil anos, e ainda assim, levaria 6 anos só para chegar lá. O importante sobre este cálculo é que ele não depende da tecnologia atual (eficiência de conversão de energia entre 10 e 40%), pois assume um motor perfeito, nem de quem está fazendo a viagem, mas somente das leis de conservação de energia. Esta é a principal razão que os astrônomos são tão céticos sobre as notícias que os OVNIs (Objetos Voadores Não Identificados), ou UFOs (Unidentified Flying Objects) são espaçonaves de civilizações extra-terrestres. Devido às distâncias enormes e gastos energéticos envolvidos, é muito improvável que as dezenas de OVNIs noticiados a cada ano pudessem ser visitantes de outras estrelas tão fascinados com a Terra que estão dispostos a gastar quantidades fantásticas de tempo e energia para chegar aqui. A maioria dos OVNIs, quando estudados, resultam ser fenômenos naturais, como balões, meteoros, planetas brilhantes, ou aviões militares classificados. De fato, nenhum OVNI jamais deixou evidência física que pudesse ser estudada em laboratórios para demonstrar sua origem de fora da Terra.
Quatro espaçonaves da Terra, duas Pioneers e duas Voyagers, depois de completarem sua exploração do sistema planetário, estão deixando este sistema planetário. Entretanto, elas levarão milhões de anos para atingir os confins do Sistema Solar, onde situa-se a Nuvem de Oort. Estas quatro naves levam placas pictoriais e mensagens de audio e vídeo sobre a Terra, mas em sua velocidade atual levarão milhões de anos para chegarem perto de qualquer estrela.

Planetas fora do Sistema Solar

Embora desde 1992 existam evidências gravitacionais (efeito Doppler nas linhas espectrais demonstrando movimento em torno do centro de massa) da existência de mais de quatrocentos planetas fora do Sistema Solar, em várias estrelas na nossa Galáxia, é muito difícil detectar os planetas diretamente porque a estrela em volta da qual o planeta orbita é muito mais brilhante que o planeta, ofuscando-o. Estes métodos indiretos, gravitacionais, só conseguem até agora detectar grandes planetas, tipo Júpiter ou Netuno, que não podem conter vida como a conhecemos, porque têm atmosferas imensas e de altíssima pressão sobre pequenos núcleos rochosos. Planetas pequenos, como a Terra, requerem precisão muito maior do que a atingível pelas observações atuais. Como os efeitos gravitacionais só indicam a massa e a distância do planeta à estrela, não podem detectar nenhum sinal de vida.

A equação de Drake

A estimativa do número N de civilizações na nossa Galáxia pode ser discutida com o auxílio da equação de Drake, proposta em 1961 pelo astrônomo Frank Donald Drake, diretor do projeto SETI: Idéias básicas:
Número de civilizações existentes na nossa Galáxia (N) = número de civilizações que podem ter surgido no tempo de vida da galáxia (vários fatores) × fraçao desse tempo que dura uma civilização (t/T)

1959: Giuseppe Cocconi (1914-) & Philip Morrison (1915-2005) publicaram "Searching for extraterrestrial Communication (Nature, 184, 844)".

1960: Frank Drake (1930-) começou uma busca de sinais em Ceti e Eridani com o radiotelescopio de 25 m de Green Bank.

1961: 10 especialistas de diversas áreas (Frank Drake, Carl Sagan (1934-1996), Melvin Calvin (1911-) (Premio Nobel de Química de 1961), entre outros) se reúnem. Drake formula sua equação.

onde

f_p é a fração provável de estrelas que tem planetas (menor que 0,4),
f_v é a fração provável de planetas que abrigam vida,
f_i é a fração provável de planetas que abrigam vida e desenvolveram formas de vida inteligente,
f_c é a fração provável de planetas que abrigam vida inteligente e que desenvolveram civilizações tecnológicas com comunicação eletromagnética,
$\dot{N}$ é a taxa de formação de estrelas na Galáxia, e
T_t é o tempo provável de duração de uma civilização tecnológica.

A única variável razoavelmente bem conhecida é $\dot{N}$ . Podemos fazer um cálculo otimista, supondo que a vida como a nossa pulula na Galáxia, assumindo

N = f_p $\dot{N}$ T_t,

isto é, que o número de planetas com vida inteligente seria dado pelo número de novas estrelas vezes a duração de uma civilização tecnológica. Usando $\dot{N}$ =3/ano, f_p = 0,4, e T_t de um século, chega-se a N=120. Podemos estimar a distância média entre estas "civilizações", assumindo que estão distribuídas pela nossa Galáxia. Como nossa galáxia tem aproximadamente 100 000 anos-luz de diâmetro por 1000 anos-luz de espessura, o volume total da galáxia é da ordem de

$V_G = \pi \times 50\,000^2 \times 1000 {anos-luz}^3$

e a distância média entre estas "civilizações" (

)

$d_C = [\frac{V_C}{4\pi}]^{1/3}$

onde

$V_C = \frac{V_G}{N}$

Se N=120, obtemos d_c=1700 anos-luz. Num cálculo pessimista, o valor de N pode cair por uma fator de um milhão. Nesse caso, para haver uma única civilização tecnológica na galáxia além da nossa, ela precisaria durar no mínimo 300 mil anos. Não há no momento nenhum critério seguro que permita decidir por uma posição otimista ou pessimista. Conclui-se que, para se estabelecer uma comunicação por rádio de ida e volta, mesmo na hipótese otimista, a duração da civilização tecnológica não poderá ser menor que 12 mil anos. Caso contrário, a civilização interlocutora terá desaparecido antes de receber a resposta. Naturalmente existem mais de 100 bilhões de outras galáxias além da nossa, mais para estas o problema de distância é muito maior. Um cálculo ainda mais otimista utilizaria um tempo de vida das civilizações tecnológicas muito maior do que um século. Seja n_T = número de planetas ou luas com condições parecidas com as da Terra,

	R_*	f_p	f_v	n_T	f_i	f_c	T_t	N
hipótese muito otimista	20	0,6	2	1	1	1	10⁹	~10⁹
hipótese pessimista	2	0,1	0,1	10^-3	10^-6	10^-3	10²	~10^-12
Valores de Drake	10	0,5	2	1	0,01	0,01	10000	100

Hipótese muito otimista: N = 10⁹:

1 bilhão de civilizações na nossa Galáxia podem e querem se comunicar!

Hipótese pessimista: N = 10^-12:

criaturas como os terráqueos são muito raras, apenas 1 caso em 1 trilhão de galáxias.
no nosso universo observável tem 10¹¹ galáxias
estamos sozinhos!

Já que não podemos viajar até as estrelas, qual seria a maneira de detectar sinal de vida em um planeta? Considerando que a água é um solvente ideal para as reações químicas complexas que levam á vida, e que seus dois constituintes, hidrogênio e oxigênio são abundantes em toda a Galáxia, consideramos que água líquida na superfície e, portanto, calor adequado, é um bom indicador da possibilidade de vida. Outros dois indicadores são a detecção de oxigênio e de dióxido de carbono. Oxigênio é um elemento que rapidamente se combina com outros elementos, de modo que é difícil acumular oxigênio na atmosfera de um planeta, sem um mecanismo de constante geração. Um mecanismo de geração de oxigênio é através de plantas, que consomem água, nitrogênio e dióxido de carbono como nutrientes, e eliminam oxigênio. O dióxido de carbono (CO₂) é um produto de vida animal na Terra. Mas estas evidências não serão indicações de vida inteligente, já que na Terra foram necessários 4,5 bilhões de anos para a vida inteligente evoluir, mas somente 1 bilhão para a vida microscópica iniciar.
O escritor Amir D. Aczel propôs a unidade de distância ano-jato, a distância que um avião a jato comercial, viajando a 1000 km/h, percorre em um ano, voando sem parar, e que corresponde a 8,766 milhões de quilômetros. Portanto a distância mínima entre a Terra e Marte, de 56 milhões de km, corresponde a 6,388 anos-jatos, isto é, levaria 6,388 anos para viajar em um avião comercial a Marte. Para chegar a estrela mais próxima, levar-se-ia 4,64 milhões de anos, viajando a 1000 km/h. Até o centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, 30 bilhões de anos, mais do dobro da idade do Universo.

O projeto Phoenix de procurar por emissão de rádio vindo de cerca de 800 estrelas parecidas com o Sol e a no máximo 200 anos-luz de distância, usando os maiores rádio telescópios do mundo durante os últimos 10 anos (1994 a 2004) chegou ao fim sem encontrar qualquer emissão equivalente ao transmissores de nossos radares militares.

O campo magnético dos planetas é importante para manter a atmosfera, pois a colisão das partículas ionizadas do vento estelar com a atmosfera do planeta erode a atmosfera rapidamente. Portanto a existência de campo magnético dos planetas é uma das condições para manter vida.

Um vírus (do latin virus=toxina, veneno) é um agente infeccioso submicroscópico incapaz de crescer ou se reproduzir fora de uma célula hospedeira e, portanto, não é um ser vivo.

Os seres vivos são atualmente divididos em cinco reinos: animais, plantas, fungos, protistas (protozoários monocelulares e alga) e moneras (eubactéria e cianobactéria) ou seis reinos: animais, plantas, fungos, protistas, eubactérias e archaebactérias.

Os OVNI não necessitam luzes para viagens espaciais, já que não há o que iluminar no espaço, e também não há notícias de "booms" devido às quebras da barreira de som quando altas velocidades são reportadas.

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terça-feira, 16 de julho de 2013

A Origem da Vida e Vida Extraterreste