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A origem do universo e da vida

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Sandro Tuerlinckx

on 24 February 2014

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Transcript of A origem do universo e da vida

A ORIGEM DO UNIVERSO E DA VIDA
Uma abordagem bioquímica

Vídeo Big Bang
Stephen Hawking
Origem da vida
O que é vida?
Qual a defininição de ser vivo?

Como a Vida Surgiu?
PANSPERMIA CÓSMICA
Estudos recentes sugerem que a existência de vida no universo pode ser mais comum do que se imaginava.
Topic 7
Big Bang
1.
O cosmos passa por uma inflação super rápida, expandindo-se a partir do tamanho de um átomo para o tamanho de uma toranja, em uma pequena fração de segundo.
2. Pós-inflação, o universo é fervente, uma sopa quente de elétrons, quarks e outras partículas.
3. O cosmos rapidamente sofre um resfriamento permitindo que quarks aglutinem-se em prótons.
4. Ainda muito quente para formar átomos; elétrons e prótons carregados evitam que a luz brilhe, neste momento, o universo é um super nevoeiro quente.
5. Elétrons se combinam com prótons e nêutrons para formar átomos, principalmente hidrogênio e hélio.
6. A gravidade faz com que o hidrogênio e o gás hélio se fundem para formar as nuvens gigantes que se tornarão galáxias, aglomerados menores de gás colapsam para formar as primeiras estrelas.
7. Como as galáxias se agrupam sob gravidade, as primeiras estrelas morrem e ejetam elementos pesados no espaço, estes acabarão por formar novas estrelas e planetas.
“Vácuo quântico seria o espaço no qual aparentemente não existe nada para um observador qualquer, mas que contém uma quantidade mínima de energia, campos eletromagnéticos e gravitacionais principalmente e partículas virtuais (partículas de força) interagindo entre si.”
Vácuo Quântico
Hádrons, leptons,
quarks, bosons
Bóson de Higgs
Uma fração de segundo após a grande explosão, parte dessa radiação interagiu com um campo chamado de campo de Higgs. Com mais alguns segundos o universo começou a esfriar e as partículas começaram a adquirir massa a partir de sua interação com o campo de Higgs.
O bóson de Higgs é uma partícula subatômica considerada uma das matérias-primas básicas da formação do Universo.

LHC - Grande Colisor de Hádrons
Estamos falando de apenas 3 átomos: Hidrogênio, Hélio e Lítio! E de onde veem todos os demais da Tabela Periódica?
Supernova
Quando uma estrela atinge uma densidade grande, devido a contração gravitacional, ocorre uma explosão chamada de supernova .
Durante a supernova ocorre uma nova nucleossíntese, em que os elementos entre o silício e o níquel são sintetizados em elementos mais pesados, por um número de diferentes processos.
Supernova
1.

4,5bilhões de anos atrás surgimento do planeta Terra
2.

síntese de biomoléculas (aminoácidos, açúcares, lipídios, etc) a partir de moléculas simples (CH4, CO, C02, H2, H2S, HCN, NHS, H20 ...

3.

síntese de biopolímeros (peptídeos, polissacarídeos) a partir de biomoléculas (aminoácidos, açúcares, lipídios ...)
4.

síntese de estruturas coacervadas “células” (que podem ser constituídas de biopolímeros) a partir de biomoléculas (aminoácidos, açúcares, lipídios ...)
5.
E
volução das reações químicas dentro das estruturas coacervadas
6.
3,5 a 3,8 bilhões de anos atrás = surgimento do primeiro ser vivo do planeta Terra

7.

Inicio da evolução dos seres vivos como proposto por Darwin


“Vida é um sistema químico autosustentado capaz de sofrer evolução Darwiniana.”
Definição de vida dada pela NASA é a seguinte:

Remanescente do BIG BANG, a radiação
cósmica de fundo medida pelo WMPA, revela flutuações de temperatura do início do universo.
Experimento de Miller-Urey


Inicialmente, nos coacervados, as reações químicas eram promovidas com energia de ativação fornecida pela radiação solar e pelas descargas elétricas
.
Fontes Hidrotermais Submarinas
Exalam compostos de interesse para a química pré-biótica (H2S, CO e CO2) e são fonte de energia térmica (temperaturas de até 350º C).
Membranas foram importantes para criação de microambientes dentro dos quais a evolução molecular ocorreu.
DNA, RNA e proteínas
O Mundo do RNA
O RNA pode armazenar informações e catalisar reações
A vida primitiva utilizou-se de RNA para processos celulares básicos (ao invés da mistura de proteínas, RNA e DNA utilizada pelos organismos modernos.
Cientistas proporcionam primeira evidência de microorganismos que se mantinham com enxofre, ao invés de oxigênio, quase 3,5 bilhões de anos atrás. A descoberta revela que havia vida na Terra mesmo antes de haver muito oxigênio em
nosso planeta.
David Wacey et al. (2011) Nature Geoscience
Resumo do Evento
TIJOLOS ORGÂNICOS
Antes do primeiro ser vivo aparecer, era necessário que estivessem à sua disposição as moléculas orgânicas relativamente simples, como aminoácidos, açúcares e bases nitrogenadas, que juntas formam as moléculas mais complexas dos seres vivos.
MOLÉCULAS AUTO-REPLICADORAS

A condição básica para a origem da vida é o surgimento de um polímero capaz de se auto-copiar sem a ajuda de outras moléculas. Já se mostrou que o RNA seria capaz de fazer isso, mas provavelmente ele foi precedido por uma molécula (ou moléculas) mais simples, um proto-RNA

PAREDE CELULAR

Outro elemento fundamental da vida terrestre é a membrana celular, que nos organismos de hoje protege o material genético de degradação e cria um limite físico para o ser vivo.
Alguns pesquisadores sugerem que ela pode ter surgido antes da primeira molécula replicadora.

PROTEÍNAS

Uma grande conquista das moléculas replicadoras foi a habilidade de fazer proteínas colando aminoácidos. Proteínas são catalisadoras muito melhores e mais especializadas do que moléculas de RNA. Alguns estudiosos acreditam
que mesmo antes do RNA catalítico, o código genético já era capaz de produzir algumas proteínas simples.

DNA
Quando a vida ainda era unicelular, mas já tinha se tornado um tanto complexa, o DNA tomou o lugar do RNA como guardião da informação genética.
O RNA passou então a exercer um papel de intermediário entre o DNA e os aminoácidos, na produção das proteínas. Hoje o material genético é incapaz de se replicar sem a ajuda de proteínas.

Árvore filogenética universal da vida mostrando a existência de um ancestral comum a todas as formas de vida

Fósseis Moleculares
Evidência bioquímica:
moléculas e reações químicas surpreendentemente comuns ocorrendo nas células de um fungo, em uma bactéria e em nossas próprias células.

Reações como aquelas que liberam energia para ativar o trabalho celular são exatamente as mesmas e dependem das mesmas moléculas.
Os subcomponentes dos prótons e nêutrons (
quarks
), os elétrons e seus primos (
léptons
), as partículas que mantêm os núcleos atômicos coesos (
glúons
), os componentes da luz (
fótons
).

Algumas dessas partículas não têm massa (
caso dos fótons e gluons
) outras, têm massa (os
quarks
, que formam você e tudo de concreto que existe à sua volta).

Aí que entra o bóson de Higgs: ele é uma partícula que não interage com fótons, mas interage com quarks. E o resultado dessa interação é o quark ganhar massa (ou seja: graças ao Higgs você não é um raio de luz).
Os Componentes da Matéria e da Energia
Subpartículas atômicas:
ATP - Adenosina trifosfato
Transferência de seres vivos viáveis entre planetas ou até entre sistemas estelares?
O impacto de cometas que colidiram com a superfície da Terra podem ter fornecido a energia para criar moléculas simples que formaram os precursores para a vida
Nir Goldman, físico-químico do Laboratório Lawrence Livermore
Astrônomos encontraram blocos de glicoaldeído (tipo de açúcar ) ao redor de estrela jovem pela primeira vez
Moléculas de um tipo simples de glicídio estão a 400 anos-luz da Terra.
Glicídios são usados para formar o RNA, composto essencial à vida.

Jes Jørgensen et al. (2012) Astrophysical Journal Letters
Base da vida na Terra pode ter vindo do espaço

Ao analisar 12 meteoritos, a equipe da Nasa encontrou
nucleotídeos
, partes constituintes da espiral do DNA

NASA (2011) Proceedings of the National Academy of Sciences
O meteorito de Murchison que caiu na Austrália em 28 de setembro de 1969
Análises feitas no meteorito indicavam a presença de xantina e uracila, duas substâncias necessárias para a formação de DNA e RNA
Earth and Planetary Science Letters (2008)
Moléculas orgânicas super complexas são encontradas no espaço
Moléculas como o antraceno são prebióticas, o que significa que, quando elas são submetidas à radiação ultravioleta e combinadas com água e amônia, podem produzir aminoácidos e outros componentes essenciais para o desenvolvimento da vida
S. Iglesias-Groth et al. (2010) Notices of the Royal Astronomical Society

O Telescópio Espacial Spitzer do Laboratório de Propulsão à Jato da NASA criou mapas da assinatura de Hidrocarbonetos Aromáticos Policíclicos (PAH) em grandes regiões do espaço
Boersma et al. (2013) The Astrophysical Journal

Água e PAHs são encontrados frequentemente em asteróides
Asteroides como o 65 Cybele e o 24 Themis circundam o sol no cinturão de asteróides entre as órbitas de Marte e Júpiter
Os resultados sugerem que a água
congelada é comum nas rochas espaciais do nosso sistema solar, e segundo os cientistas, é possível que os asteróides tenham até sido responsáveis por fornecer materiais essenciais ao desenvolvimento da vida na Terra primitiva.
Licandro et al. 2011
(65) Cybele: detection of small silicate grains, water-ice, and organics.
Astronomy & Astrophysics
Imagem da Cassiopeia A obtida pelo Chandra. O ferro está em azul, e os outros elementos são enxofre (em verde) e magnésio (em vermelho)
NASA/CXC/M.Weiss; X-ray: NASA/CXC/GSFC/U.Hwang & J.Laming
Supernova deixou sua marca em bactérias antigas
Ferro radioativo pode ser a primeira marca fóssil de uma explosão cósmica nas proximidades.
Cientistas relataram a descoberta do isótopo de ferro-60 no sedimento do fundo do mar do Oceano Pacífico. Esse isótopo de ferro ficou acumulado em bactérias antigas 2,2 milhões anos atrás, quando detritos choveram na Terra após a explosão de supernova.
NATURE (2013)
“Somos todos feitos do mesmo pó de estrelas”
Postulado por Stephen Hawking
Vácuo Quântico
Em astronomia, uma zona habitável é uma região do espaço ao redor de uma estrela onde o nível de radiação emitida pela mesma permitiria a existência de água líquida na superfície de um planeta/satélite natural que ali se encontre.
ZONA HABITÁVEL
O conceito hoje é muito popular e aceito pela comunidade cientifica como um dos fatores que podem indicar se um corpo celeste pode ou não abrigar vida tal como a que evoluiu na Terra.

A zona habitável está situada entre 0 °C (273 K) e 100 °C (373 K), as temperaturas de congelamento e evaporação da água, assim podemos determinar a zona habitável de uma determinada estrela com a seguinte fórmula:
R= (0.5*L/(4*π * σ *T 4 )) 1/2
Onde:
R = A distância da estrela
L = A luminosidade da estrela em watts
T = A temperatura em Kelvin
σ = A constante de Stefan-Boltzmann, 5.67E-8
π = 3.14159

A Terra está a uma distância de 150 000 000 de kilômetros do sol.
Williams, D., Pollard, D.. (2002). "Earth-like worlds on eccentric orbits: excursions beyond the habitable zone". International Journal of Astrobiology
Um recém-concluído estudo, publicado na revista científica “
Astrophysical Journal Letters
”, aponta que talvez existam nada mais nada menos do que 60 bilhões de planetas habitáveis orbitando estrelas anãs vermelhas em toda a Via Láctea.
As moléculas orgânicas formadas, necessariamente, não são polares ou apolares. Podem ser perfeitamente surfactantes/tensoativas/”cabeça e cauda”. Se são “cabeça e cauda”, formarão micelas, agrupamentos orientados com membranas, com “interior” e “exterior”. Se estão (e as evidências astronômicas apontam a água como imensamente abundante e fruto dos evidentes e abundantes oxigênio e óbvio hidrogênio) formarão micela de exterior polar e interior apolar.
Havendo a micela, um polímero de bases nitrogenadas (ou estrutura similar) em seu interior se polimerizará crescente e protegidamente. Sendo crescente, poderá perfeitamente se romper em determinado intervalo no tempo. Sendo a combinação adequada, tal ocorrerá como multiplicação, e nem precisa, necessariamente, e nunca precisou, ser de cópia exata.
Esta primeira estrutura diferenciada do meio, com química auto-replicante interna, de uns 30 componentes monoméricos, é chamada de protobactéria, um protobionta (por Oparin), ou um progenota (por Woese), ou ainda uma ‘célula Ur’. A partir destes simples mecanismos químicos, desenvolver-se-ão proto-organismos de gerações posteriores, mas complexos e estáveis, agregando sistemas colaborativos.
Woese C, The universal ancestor. Proc Natl Acad Sci USA, 95: 6854-6859.
Ruse M, The origin of life, philosophical perspectives. J Theor Biol, 187: 473-482, 1997.
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