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Aula 8 Sigam a Água -1. FOLLOW THE LIFE Solvent Biogenic elements Source of Free Energy searches for life within our solar system commonly retreat from.

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1 Aula 8 Sigam a Água -1

2 FOLLOW THE LIFE Solvent Biogenic elements Source of Free Energy searches for life within our solar system commonly retreat from a search for life to a search for life as we know it, meaning life based on liquid water, a suite of so-called biogenic elements (most famously carbon), and a usable source of free energy. (Chyba & Hand, 2005, p. 34)

3 Six Major Biogenic Elements: Carbon, Hydrogen, Oxygen, Nytrogen, Sulfur, Phosphorous (CHON + S + P) Five Minor Biogenic Elements: Sodium, Potassium, Magnesium, Calcium, Chlorine

4 FOLLOW THE LIFE Follow the water Follow the carbon Follow the nitrogen Follow the energy Follow the entropy Follow the information

5 Astrônomos descobrem planeta que pode ser habitável Folha Online 24/04/ h44 Astrônomos encontraram um planeta fora do nosso Sistema Solar que é po- tencialmente habitável, com temperaturas parecidas com as da Terra. A des-coberta foi considerada um grande passo na procura por vida extraterrestre. O planeta tem o tamanho certo, pode ter água em forma líquida e, em termos de Universo, está relativamente perto, a cerca de 20,5 anos-luz da Terra. Ele gira em torno de uma anã vermelha -- uma estrela muito menor, menos luminosa e mais fria que o nosso Sol-- chamada de Gliese 581. O novo planeta é cinco vezes mais pesado que a Terra. Não se sabe ainda se ele é rochoso como a Terra ou se é uma esfera de gelo, com água líquida na superfície. Se for rochoso, que é o que a teoria prevalecente propõe, tem um diâmetro cerca de 1,5 vez maior que o do nosso planeta. Se for uma esfera de gelo, seria maior ainda. O planeta, batizado de Gliese 581c, foi descoberto pelo telescópio do Observatório Europeu do Sul (ESO) em La Silla, no Chile. Sistema planetário de Gliese 581

6 Instrumentos utilizados da descoberta de Gliese 581c Telescópio de 3,6m do ESO, em La Silla, Chile, a 2400m de altitude

7 Equipe descobridora de Gliese 581c Uma equipe de onze astrônomos da Suíça, França, e Portugal. Esta equipe faz parte do grupo liderado por Michel Mayor, do Observatório de Genebra, na Suíça, responsável pela descoberta de 89 exoplanetas (até 4/6/2007) Há mais de 680 exoplanetas descobertos até hoje Michel Mayor

8 Detection of Planets- Radial Velocity Method

9 Detection of Planets- Transit Method

10 130,000 observed stars, ~150 new telluric planets

11 Blue Moon em torno de um Jupiter Quente

12 O Estranho Sistema Solar de Gliese 581 PlanetaMassaAnoDistância Gliese 581b15 M Terra 5,4 dias6 milhões km Gliese 581c5 M Terra 13 dias11 milhões km Gliese 581d15 M Terra 84 dias38 milhões km Distância certa para água líquida (temperatura= 0-40 C)

13 Gliese 581c – um mundo aquático? Um planeta de classe Aurélia? Um lado, dia para sempre Outro lado, noite eterna

14 Por que Gliese 581c seria habitável? R Água Líquida ! Zona Habitável

15 A habitalidade no Sistema Solar Nem quente demais, senão ferve Nem frio demais, senão congela No Sistema Solar: Vênus sempre foi quente demais Marte, no passado, já teve condições para a vida. A Terra em geral, esteve no ponto, exceto em duas ocasiões de quase total congelamento

16 A própria Terra é um Planeta Água

17 Europa – Um Oceano Subterrâneo

18 18

19 19 NUPESC Ago

20 A água é essencial para a vida como conhecemos H2OH2O

21 A água também pode ser essencial para a vida em outros pontos do Universo Afinal, há água por toda parte no Universo H 2 O = Hidrogênio + Oxigênio Hidrogênio é o elemento mais abundante do Universo e o mais simples (só um próton) Oxigênio (seis prótons e seis nêutrons) é o segundo elemento quimicamente ativo mais abundante Hélio (dois prótons e dois nêutrons) é o segundo elemento mais abundante mas não é quimicamente ativo

22 Água Principal componente dos cometas e dos seres vivos Assim, o Oxigênio e o Hidrogênio são os elementos principais do Universo e dos seres vivos terrestres Logo atrás vem o Carbono e o Nitrogênio.

23 DNA H O C N + P

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25 Relative abundances of chemical elements Relative abundances of chemical elements (O=100) The abundances are in number (decreasing order) Sources: Lehninger 2000 (human body and Earth crust abundances); Asplind, Grevesse & Sauval 2004 (C, N, and O are solar photospheric values; the other elements are solar system meteoritic values) Human BodyEarth CrustCosmic H 247O 100H O 100Si 59.6O 100 C 37.3Al 16.8C 53.7 N 5.49Fe 9.6N 13.2 Ca 1.22Ca 7.5Mg 7.41 P 0.86Na 5.3Si 7.10 Cl 0.31K 5.3Fe 6.17 K 0.24Mg 4.7S 3.16 S 0.20Ti 1.1Al 0.58 Na 0.12H 0.4Ca 0.43 Mg 0.04C 0.4Na 0.41

26 Liquid Water H 2 0 is the combination of the two most abundant chemical elements in the Universe H 2 0 is the most abundant tri-atomic molecule in the Universe (but, requires stars to form O) liquid H 2 0 is much less common (needs a narrow range of pressure and temperatures) liquid H 2 0 requires planetary environments highest boiling temp= 650 K (high pressures)

27 History of the Complexity in the Universe s1. The space is born (4 extended dimensions) s2. The matter is born (quarks & leptons) s3. Baryons are born (quark confinements) 1 minute4. Nuclei are born (4He 2H 3He 7Li) yr 5. Atoms are born (H recombination) 300 Myr6. Heavy elements are born (C, O…) 7. Heteromolecules are born (OH, CO, H 2 O…) ~10 Gyr8. Life is born ? ( : at least 3.5 Gyr ago)

28 Thermal History of the Universe

29 Transitions in the universe as the temperature decreases. Structures which freeze out as the universe cools include, matter, protons and neutrons, nuclei, atoms and molecules.

30 COSMIC BLACK BODY RADIATION (3 degree K Radiation)

31 Hot Ancestors and their Cool Descendants: Maximum Growth Temperatures

32 Phylogenetic tree of life based on 16S rRNA sequences (Pace 1997). Maximal growth temperatures have been used to color-code the branches

33 Re-setting the Phylogenetic Thermometer

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35 Detecting Water in the Universe through the 6.2 line HAC = Hydrogenated Amorphous Carbons

36 Water: Pros & Cons It is easily done: it is a tri-atomic molecule and H and O are the first and third most abundant elements in the universe. It remains in liquid form for a relatively large temperature range (0 – 100ºC); these limits could be extended under pressure and by the presence of dissolved salts. This temperature range include temperatures high enough for chemical reactions to proceed at a relatively rapid pace, but not so high that collisions destroy important, large and fragile molecules.

37 Water: Pros & Cons Water is a polar solvent so that it can discriminate between polar and non-polar molecules. Chemical discrimination results on the formation of mixed phases such as membranes, microenvironments and compartmentalization. Water has a very large heat of vaporization and a large heat of vaporization. This means that the temperatures of in solution is stabilized by the thermal properties of water as a solvent. Its relatively high viscosity protects living organisms from strong dynamical instabilities.

38 Water: Pros & Cons The surface tension of water, twice that of ammonia and three times that of alcohol, exceeds the surface tension of any other liquid known. Its ice is less dense than that of water so that ice floats. Having a frozen ice cap protects life below the ice and prevents freezing throughout all the bulk of the liquid. (eg. EUROPA) It is rather corrosive and reactive. It can hamper protein and nucleic acid concentrations. Its ice is less dense than that of water so that ice floats. The high reflectivity of water ice could lead to thermal negative runaway conductive to global glaciations, that could turn into killing events.

39 Water: Pros & Cons The surface tension of water, twice that of ammonia and three times that of alcohol, exceeds the surface tension of any other liquid known. Its ice is less dense than that of water so that ice floats. Having a frozen ice cap protects life below the ice and prevents freezing throughout all the bulk of the liquid. (eg. EUROPA) It is rather corrosive and reactive. It can hamper protein and nucleic acid concentrations. Its ice is less dense than that of water so that ice floats. The high reflectivity of water ice could lead to thermal negative runaway conductive to global glaciations, that could turn into killing events.

40 Phase Diagram for Water Triple Point K, Pa Critical Point 647 K, MPa

41 ALTERNATIVE CHEMISTRIES FOR LIFE?

42 Melting and boiling point of possible solvents for life SolventMelting Point ( o C)Boiling point ( o C)Temperature range for liquid* H2OH2O0100 NH CH C2H2C2H CH 3 OH

43 Water-based oceans Other liquid possibilities OUR SOLAR SYSTEM´S LIQUID POSSIBILITIES water/ammonia (surface lakes) water/ammonia (subsurface) methane/ethane (surface lakes) nitrogen (surface) nitrogen (subsurface)

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46 O SISTEMA SOLAR É ÚMIDO

47 SOL

48 MARTE

49 Água em Marte hoje A baixa pressão atmosférica impede água liquída na superfície

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51 Water on Mars

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53 Water droplets collected on NASAs Phoenix lander

54 Água líquida em Marte hoje? Ponto Triplo da água: (T,p)=( K, Pa) Pressão média em Marte: T= 600 Pa~6 mili atm Pressão míxima: 30 Pa (Olympus Mons) Pressão máxima: 1150 Pa (Hellas Planitia) Mars

55 Europa (lua de Jupiter)

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57 Criptoendoliths Thermophile bacteria Hidrotermal vents Hot geisers and volcans Extremófilos Antarctica Temperatura: -15° C < T < 230° C 0.06 < pH < < Pressão < 1200 atm Seu metabolismo pode dispensar o oxigênio milhões de anos de dormência 2 ½ anos no espaço, a –250 C, sem nutrientes, água and expostos a radiação (Strep. Mitis)

58 Kuhn

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63 Origem Cometária da Água na Terra

64 Comets, Astronomy & Astrobiology Comets are the key to understanding the Solar Nebula & its evolution. Comets could serve as probes of chemical processes occurring in the midplanes of astronomical disks Comets may have provided key organic nutrients required to jump start life on Earth.

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66 When comets are near the Sun and active, comets have several distinct parts: nucleus: relatively solid and stable, mostly ice and gas with a small amount of dust and other solids coma: dense cloud of water, carbon dioxide and other neutral gases sublimed from the nucleus hydrogen cloud: huge (millions of km in diameter) but very sparse envelope of neutral hydrogen dust tail: up to 10 million km long composed of smoke- sized dust particles driven off the nucleus by escaping gases; this is the most prominent part of a comet to the unaided eye ion tail: as much as several hundred million km long composed of plasma interactions with the solar wind

67 Major Comet Structures COMA ION TAIL HI CLOUD NUCLEUS

68 THE COMA Molecules are liberated from the nucleus by solar heating and sublimation Molecules are destroyed by photodissociation & photoionization H 2 O + h H + OH OH + h H + O H 2 O + h H 2 O + + e - Nucleus molecules are referred to as the parent molecules The fragments produced by the absorption of a photon are called daughters

69 Chemical Composition of Comets Bockelee-Morvan, Crovisier, Mumma, and Weaver (Comets II, 2003) Abundances (%, relative to water) (The grey bar indicates the range measured to date)


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