Astrobiologia.Zonas Habitáveis do Sistema Solar

Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.

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Tarefas (resolução)

1) Calcule a energia livre para as moléculas da tabela abaixo. Considere T = 298,15 K.

Ligantes Kd (nM) Gbinding (J/mol)

Molécula 1 1,00 -51369,2

Molécula 2 10,00

Molécula 3 100,00

Molécula 4 1000,00

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 𝐾𝑑 = 8,314.298,15. 𝑙𝑛 10,00. 10−9

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = −45661,5𝐽/𝑚𝑜𝑙

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 2478,8191. 𝑙𝑛 10,00. 10−9

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 2478,8191. −18,42068

Ligantes Kd (nM) Gbinding (J/mol)

Molécula 1 1,00 -51369,2

Molécula 2 10,00 -45661,5

Molécula 3 100,00

Molécula 4 1000,00

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Tarefas (resolução)

1) Calcule a energia livre para as moléculas da tabela abaixo. Considere T = 298,15 K.

Ligantes Kd (nM) Gbinding (J/mol)

Molécula 1 1,00 -51369,2

Molécula 2 10,00 -45661,5

Molécula 3 100,00

Molécula 4 1000,00

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 𝐾𝑑 = 8,314.298,15. 𝑙𝑛 100,00. 10−9

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = −39953,8𝐽/𝑚𝑜𝑙

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 2478,8191. 𝑙𝑛 100,00. 10−9

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 2478,8191. −16,118

Ligantes Kd (nM) Gbinding (J/mol)

Molécula 1 1,00 -51369,2

Molécula 2 10,00 -45661,5

Molécula 3 100,00 -39953,8

Molécula 4 1000,00

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Tarefas (resolução)

1) Calcule a energia livre para as moléculas da tabela abaixo. Considere T = 298,15 K.

Ligantes Kd (nM) Gbinding (J/mol)

Molécula 1 1,00 -51369,2

Molécula 2 10,00 -45661,5

Molécula 3 100,00 -39953,8

Molécula 4 1000,00

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 𝑅𝑇𝑙𝑛 𝐾𝑑 = 8,314.298,15. 𝑙𝑛 1000,00. 10−9

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = −34246,2𝐽/𝑚𝑜𝑙

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 2478,8191. 𝑙𝑛 1000,00. 10−9

Δ𝐺𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 = 2478,8191. −13,81551

Ligantes Kd (nM) Gbinding (J/mol)

Molécula 1 1,00 -51369,2

Molécula 2 10,00 -45661,5

Molécula 3 100,00 -39953,8

Molécula 4 1000,00 -34246,2

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Tarefas (resolução)

2) Recupere os dados do PDB de constante de dissociação (Kd) de quatro estruturas

distintas de RNA e calcule a energia livre de Gibbs para estas estruturas. Considere T =

298,15 K.

Código PDB Kd (nM) Gbinding (J/mol)

4KQY 19,0

4JF2 17,9

4ERJ 3100000

4ERL 570000

Código PDB Kd (nM) Gbinding (J/mol)

4KQY 19,0 -44070,5

4JF2 17,9 -44218,3

4ERJ 3100000 -14318,5

4ERL 570000 -18516,5

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Tarefa (continuação)

3) Para os dados de constante de dissociação (Kd) do exercício anterior, calcule a energia

livre de Gibbs para estas estruturas. Considere T = 373,15 K, a temperatura encontrada

em fontes hidrotermais.

Código PDB Kd (nM) Gbinding (J/mol)

(T = 298,15 K)

Gbinding (J/mol)

(T=373,15K)

4KQY 19,0 -44070,5 -55156,5

4JF2 17,9 -44218,3 -55341,5

4ERJ 3100000 -14318,5 -17920,4

4ERL 570000 -18516,5 -23174,3

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4) Compare as energias calculadas nos exercícios 2 e 3 e determine em qual temperatura

a interação com ligantes é mais favorável. Considerando-se um cenário da Terra pré-

biótica, discuta as consequências das comparações de energia de ligação para o

surgimento da vida. Qual temperatura é mais favorável para o surgimento da vida?

Resposta: Sem considerar a estabilidade das macromoléculas em alta temperatura, a

temperatura de 100oC é mais favorável ao surgimento de vida, pois envolve energias

menores para a interação com ligantes, o que favorece a formação de complexos do RNA

com metabólitos. A diminuição da energia livre de Gibbs, deve-se ao aumento da entropia

com a elevação da temperatura.

Código PDB Kd (nM) Gbinding (J/mol)

(T = 298,15 K)

Gbinding (J/mol)

(T=373,15K)

4KQY 19,0 -44070,5 -55156,5

4JF2 17,9 -44218,3 -55341,5

4ERJ 3100000 -14318,5 -17920,4

4ERL 570000 -18516,5 -23174,3

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Fonte: <https://apod.nasa.gov/apod/image/0007/uvEarth_ap16_big.jpg>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

Imagem com pseudocor da Terra brilhando em ultravioleta. A partir da absorção da luz UV do Sol, átomos de oxigênio da atmosfera

Terrestre fluorescem, aparecendo na imagem com a cor dourada. Quanto mais alto na atmosfera, mas rarefeito é o oxigênio, o que

aparece na imagem como verde.

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Fonte: <https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/coastal-zone-color-scanner>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

These images show season-long composites of ocean chlorophyll concentrations derived from visible radiometric measurements made by

the VIIRS instrument on Suomi NPP. This false-colored images make the data stand out. The purple and blue colors represent lower

chlorophyll concentrations. The oranges and reds represent higher chlorophyll concentrations. These differences in color indicate areas

with lesser or greater phytoplankton biomass.

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Fonte: <https://www.helioseducore.com/wp-content/uploads/2019/04/main-qimg-14c6a797dc0f0a95f6c3b03422d1c801.png>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://www.space.fm/astronomy/images/animations/anim_kepler1.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://www.space.fm/astronomy/images/animations/anim_kepler2.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i.gifer.com/3QfT.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kepler.html>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

𝑇2 =4𝜋2

𝐺𝑀𝑎3

Período orbital

Constante da gravitação

Massa do planeta

Semieixo da elipse

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Fonte: <https://i.gifer.com/3QfT.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i.pinimg.com/originals/5f/d3/22/5fd322583bf4bdca8feef5dabcce402a.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i.imgur.com/JoWKqnO.gif?noredirect>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

azevedolab.net Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

𝐹𝐸𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑝𝑡𝑎𝑑𝑎 = 𝜋𝐾𝑠𝑅2

Fluxo energético incidindo sobre o planeta (W)

Constante solar (para Terra Ks = 1361 W/m2)

Raio do planeta (m)

azevedolab.net Cálculo do Balanço Energético de um Planeta (Albedo)

Fonte: <http://www.temis.nl/surface/gome2_ler/movies/surface_LER_GOME-2_movie_of_PMD-LER.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

azevedolab.net Cálculo do Balanço Energético de um Planeta (Albedo)

Fonte: <https://www.isro.gov.in/sites/default/files/article-files/node/4051/mom_1.jpg>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

azevedolab.net Cálculo do Balanço Energético de um Planeta (Albedo)

Fonte: <https://www.isro.gov.in/sites/default/files/article-files/node/4051/slide0004_image010.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

azevedolab.netRepresenta a luz refletida pelo planeta

(0<albedo<1)

𝐹𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 = 𝜋𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 𝑅2

Fluxo energético absorvido pelo planeta (W)

Constante solar (para Terra Ks = 1361 W/m2)

Raio do planeta (m)

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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Fonte: <https://steemitimages.com/DQmSXqSXPGdcPQiP3EfaZZQhipbZJg2RsAZmVTpUJvcGetZ/output_final_radiation.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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𝐹𝐸𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 = 4𝜋𝑅2𝜎𝑇4

Fluxo energético emitido pelo planeta (W)

Constante de Stefan-Boltzmann

= 5,670373 x 10-8 watts / m2 K4

Raio do planeta (m) Temperatura do planeta (K)

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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Fonte: <https://www.researchgate.net/figure/

Blackbody-radiation-curves-based-on-Stefan-Boltzmanns-law-with-temperatures-T-in_fig11_233793398>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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Fonte:<http://www.astro.umass.edu/~myun/teaching/a100_old/images/planck.jpg>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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Fonte:<http://migall.fastmail.fm.user.fm/astronomy/stars_and_nebulae/stars_detail/Main_sequence_anim.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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𝐹𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 = 𝜋𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 𝑅2

𝐹𝐸𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 = 4𝜋𝑅2𝜎𝑇4

𝐹𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 = 𝐹𝐸𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

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𝐹𝐸𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑎 = 𝜋𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 𝑅2

𝐹𝐸𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜 = 4𝜋𝑅2𝜎𝑇4

𝜋𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 𝑅2 = 4𝜋𝑅2𝜎𝑇4

𝑇4 =𝜋𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜 𝑅2

4𝜋𝑅2𝜎

𝑇 =4 𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜

4𝜎

Cálculo do Balanço Energético de um Planeta

azevedolab.netExemplo: Terra

Dados:

Albedo = 0,31

KS = 1361 W/m2

= 5,670373 x 10-8 watts / m2 K4

𝑇 =4 𝐾𝑠 1 − 𝑎𝑙𝑏𝑒𝑑𝑜

4𝜎=

4 1361 1 − 0,31

4.5,670373 . 10−8

𝑇 =44140336094,29220 = 253,66 𝐾

𝑇𝑐 =253,66 -273,15 = -19,49o C A temperatura prevista está

abaixo do ponto de

congelamento.

A temperatura média da Terra é

~14o C.

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Fonte: <https://media0.giphy.com/media/1lwtquKquRLGwFAQVU/giphy.gif >.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://climate.nasa.gov/internal_resources/1818>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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34

Sol

1. Moléculas de oxigênio

(O2) são convertidas em

2 átomos de oxigênio (O),

num processo chamado

fotólise.

2. Ozônio e átomos de

oxigênio são convertidos

continuamente conforme a

radiação UV quebra o

ozônio e o oxigênio reage

com outra molécula de O2.

3. Ozônio é perdido por meio de

uma reação com o átomo de

oxigênio (O3 + O· → 2 O2 ) ou com

outra molécula de ozônio, ou ainda

com algum gás como o cloro.

A interconversão

transforma a radiação UV

em energia térmica,

aquecendo a estratosfera.

O2

O3

O

O

Radiação UV

1

2

3

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35

Absorção de < 242 nm

O2 O + O (1)

O2 + O + M O3 + M (2)

O3 O2 + O (3)Absorção de 190 < < 310 nm

Fonte: <http://www.sciencephoto.com/media/133659/enlarge >

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <http://www.theozonehole.com/images/form_ozone.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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DU é a unidade Dobson (Dobson unit), que mede a densidade de um gás residual na atmosfera.

1 DU equivale a 2,69.1016 moléculas de ozônio por centímetro quadrado.

Ozônio (DU/km)

Fonte: <http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ozone_altitude_UV_graph.svg>

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://manyworlds.space/tag/habitable-zone/>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://cdn.britannica.com/51/139551-050-F6477A81/stars-zones-areas-Sun-surface-water-result.jpg>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <http://planetary-science.org/wp-content/uploads/2014/09/habitable.gif>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i1.wp.com/manyworlds.space/wp-content/uploads/2019/03/ooSUN_Habitable_Zones460.jpg?resize=625%2C440&ssl=1>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i1.wp.com/manyworlds.space/wp-content/uploads/2019/03/I09-06-coldearth-e1465499379895.jpg?resize=660%2C469&ssl=1>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i1.wp.com/manyworlds.space/wp-content/uploads/

2019/03/639303main_20120416-m1flare-orig_full-e1465510020232.jpg?resize=660%2C450&ssl=1>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://www.nasa.gov/content/goddard/what-is-a-coronal-mass-ejection>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Fonte: <https://i0.wp.com/manyworlds.space/wp-content/uploads/2019/03/exoplanet-e1465491440374.png?resize=660%2C370&ssl=1>.

Acesso em 12 de setembro de 2019.

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Tarefas

1) Calcule temperatura efetiva (Te) para os outros planetas do sistema solar, considerando

os dados abaixo.

Planeta Albedo Irradiação solar (W/m2) Te(oC )

Mercúrio 0,06 6272

Vênus 0,71 2576

Marte 0,17 492

Júpiter 0,73 45,9

Saturno 0,76 13,4

Urano 0,93 3,39

Netuno 0,84 1,47

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Tarefas

2) Comparando-se as temperaturas efetivas com as temperaturas

médias de cada planeta, qual planeta apresenta maior diferença

percentual? Considere no denominador a temperatura média.

Explique a principal razão para a diferença.

Planeta Albedo Irradiação solar (W/m2) Te ( o C) Tmédia ( o C)

Mercúrio 0,06 6272 427

Vênus 0,71 2576 480

Terra 0,31 1361 -19,49 14

Marte 0,17 492 -63

Júpiter 0,73 45,9 -130

Saturno 0,76 13,4 -130

Urano 0,93 3,39 -200

Netuno 0,84 1,47 -200

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Tarefas

3) Selecione um dos artigos para o seminário.

Artigo 01: Chatterjee S. A symbiotic view of the origin of life at hydrothermal impact

crater-lakes. Phys Chem Chem Phys. 2016;18(30):20033-20046. PubMed

Artigo 02: Chatterjee S, Yadav S. The Origin of Prebiotic Information System in the

Peptide/RNA World: A Simulation Model of the Evolution of Translation and the Genetic

Code. Life (Basel). 2019; 9(1). pii: E25. PubMed

Artigo 03: Koonin EV, Novozhilov AS. Origin and Evolution of the Universal Genetic

Code. Annu Rev Genet. 2017; 51:45-62. PubMed

Artigo 04: Koonin EV. Frozen Accident Pushing 50: Stereochemistry, Expansion, and

Chance in the Evolution of the Genetic Code. Life (Basel). 2017;7(2). pii: E22. PubMed

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Material Relacionado à Aula

https://astrobiology.nasa.gov/news/exploring-early-earth-by-using-dna-as-a-fossil/

https://manyworlds.space/tag/habitable-zone/

https://manyworlds.space/2016/06/13/forget-the-habitable-zone-think-the-biogenic-zone/

https://exoplanets.nasa.gov/

https://astrobiology.nasa.gov/

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/coastal-zone-color-scanner

https://scied.ucar.edu/planetary-energy-balance-temperature-calculate

https://www.teachastronomy.com/textbook/Properties-of-Stars/Stefan-Boltzmann-Law/