ASTROBIOLOGIA COMO MEIO PARA O ENSINO DE FÍSICA: EXPLORANDO A FÍSICA RELACIONADA A ORGANISMOS EXTREMÓFILOS

## ASTROBIOLOGIA COMO MEIO PARA O ENSINO DE FÍSICA: EXPLORANDO A FÍSICA RELACIONADA A ORGANISMOS EXTREMÓFILOS

## Mônica Bandecchi da Fonseca Vieira 1 , Victor Arroyo do Espírito Santo , 2 Fabio Rodrigues 3 , Douglas Galante 4

1 Universidade de São Paulo/Escola de Artes Ciências e Humanidades, monica.vieira@usp.br 2 Universidade de São Paulo/Instituto de Física, victor.santo@usp.br 3 Universidade de São Paulo/Instituto de Química, farod@iq.usp.br 4 Universidade de São Paulo/Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, douglas@astro.iag.usp.br

## Resumo

Considerada uma das primeiras ciências dominadas pelo homem, a astronomia é muitas vezes a responsável pelo encantamento do ser humano com o mundo que o rodeia. Dentre os questionamentos possíveis gerados pelo tema, um deles é: Existe algum outro lugar no universo no qual a vida seja possível? Para investigar a questão, a Astrobiologia (também conhecida como exobiologia ou bioastronomia) se vale de sua interdisciplinaridade para estudar todos os aspectos presentes nas condições de surgimento e distribuição da vida no universo, processos evolutivos, ambientes planetários e ecossistemas e mecanismos de sobrevivência de organismos extremófilos (organismos que conseguem sobreviver a condições geoquímicas extremas). O presente trabalho visa apresentar uma breve análise das potencialidades pedagógicas do tema da astrobiologia no ensino de física contextualizando conceitos físicos como termodinâmica e radiação. Na análise serão utilizados dois exemplos de organismos extremófilos, Pyrolobus fumarii (hipertermófilo) e Tardígrados (tolerante ao vácuo e à radiação), e uma hipótese do ser humano na lua sem o traje espacial. A proposta de divulgação das informações ocorrerá por meio do site de Astrobiologia do Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia, o qual está em fase de criação.

Palavras-chave: Astrobiologia; Extremófilos; Ensino de Física.

## Abstract

Considered one of the first sciences dominated by mankind, astronomy is often responsible for human enchantment with the world around him. Among the possible questions raised by the theme, one is: Is there any other place in the universe where life is possible? To investigate this possibility, Astrobiology (also known as Exobiology or Bioastronomy) relies on its interdisciplinarity to study all aspects present in the conditions of appearance and distribution of life in the universe, evolutionary processes, planetary environments and ecosystems and survival mechanisms of extremophile organisms (organisms that can survive in extreme geochemical conditions). The present paper presents a brief analysis of the pedagogical potential of the subject of astrobiology in teaching physics concepts contextualizing physical and thermodynamics and electromagnetic radiation. In the analysis we will use two examples of extremophile organisms, such as Pyrolobus fumarii (hyper-thermophilic) and tardigrades (tolerate a vacuum and radiation) and one hypothesis of human beings on the moon without a spacesuit. The proposal for information spreading will occur through the Astrobiology website of the Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia, that is currently under construction.

Keywords: Astrobiology; Extremophiles; Physics Teaching.

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20 a 25 de janeiro de 2013

## 1. INTRODUÇÃO

Desde a época da Grécia Antiga, as populações têm se perguntado se existem outros mundos habitáveis. As questões acerca da origem, evolução e destino dos seres vivos envolvem assuntos de grande interesse, e com o auxílio e evolução da ciência e da tecnologia, estão sendo cada vez mais estudadas.

Nesse contexto, surge a astrobiologia, um novo campo do conhecimento que engloba diferentes áreas disciplinares e suas ramificações, tais como a astronomia, a física, a química, a biologia e a geologia, visando o estudo da vida e suas interações com o planeta e com o ambiente astrofísico em busca de responder as questões colocadas anteriormente (Neitzel, 2006).

A astrobiologia, em sua formulação moderna, surgiu na NASA em 1998, com a criação do NAI (Instituto de astrobiologia da NASA) como uma evolução do programa de exobiologia, iniciado com a corrida espacial durante a Guerra Fria, e que visava, principalmente, a busca de vida fora da Terra. A astrobiologia surge quando a própria NASA vê a importância de se entender melhor o caso da vida na Terra antes de procurá-la em outros corpos (planetas, luas, exoplanetas, etc). Essa abordagem se espalhou para diversos países que criaram seus programas de astrobiologia (Blumberg, 2003).

No Brasil, existe o Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia (NAP-Astrobio), criado em 2011 na Universidade de São Paulo, o qual engloba o primeiro laboratório de astrobiologia do Brasil, chamado AstroLab. O laboratório contará com uma câmara de simulação de ambientes onde poderá ser analisado o comportamento de microrganismos ou moléculas quando expostos a condições extremas, como as encontradas na Terra primitiva ou fora da Terra (Rodrigues; Galante et al. 2012).

A microbiologia é uma área bastante estudada pela astrobiologia quando relaciona-se aos organismos extremófilos, seres vivos capazes de viver em ambientes com condições extremas. A descoberta desses organismos proporcionou um grande avanço para a ciência, pois ampliou o nosso conceito de região habitável (Blumberg, 2003).

Por ser uma área que atrai muito o interesse do público em geral, trata-se de uma excelente oportunidade no ensino de ciências e para divulgação científica.

- O presente trabalho tem como objetivo apresentar os aspectos físicos presentes na astrobiologia, tendo como foco a análise de dois microrganismos extremófilos, de maneira a sugerir uma alternativa para o ensino de física.

## 2. METODOLOGIA

A proposta para divulgação das informações descritas no trabalho ocorrerá através do site de divulgação de astrobiologia do Brasil. Atualmente, o site encontrase em fase de criação.

O presente trabalho foi desenvolvido através de pesquisa bibliográfica e por contato direto com pesquisadores do grupo NAP-Astrobio. Foram estudados e analisados diversos organismos extremófilos, alguns dos quais encontram-se no quadro 01.

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Quadro 01: Classificação de organismos extremófilos (Paulino-Lima; Lage, 2009).

Para a realização do presente trabalho, foram selecionados os microrganismos extremófilos, Pyrolobus fumarii (um hipertermófilo hiper = alta, termo = temperatura ) e Tardígrados, para uma breve análise de seus comportamentos. Em seguida, foram relacionados os aspectos principais do estudo com as diversas ramificações da física para serem aplicadas ao ensino. A escolha

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dos organismos, Tardígrados e Pyrolobus fumarii, se deu pelo motivo de serem bastante utilizados nos estudos da astrobiologia (Blumberg, 2003).

## 3. RESULTADOS E ANÁLISE

Analisando os microrganismos extremófilos Pyrolobus fumarii e Tardígrados, e selecionando suas principais características, obteve-se as seguintes informações.

## 3.1. Pyrolobus fumarii

Pyrolobus fumarii é uma espécie de microrganismo que mede cerca de 0,7 μ m a 2,5 μ m de diâmetro, sendo seu tempo de geração de 60 minutos. É um tipo de organismo hipertermófilo, com capacidade de crescimento entre 90ºC e 113ºC, tendo como ótimo de temperatura 106ºC. Além da resistência a temperaturas altas, P. fumarii é também resistente à alta pressão e vive em fendas termais no fundo dos oceanos (Blochl et al., 1997).

Para adquirirem tal capacidade, os hipertermófilos possuem algumas modificações em seu organismo, tais como o aumento das pontes de hidrogênio, tornando a molécula de DNA mais resistente, aumento de resíduos hidrofóbicos, que proporciona resistência à desnaturação no meio aquoso e o aumento do número de pontes salinas (Félix, 2008).

## 3.1.1. Quais conceitos físicos podem ser estudados com base no organismo extremófilo Pyrolobus fumarii?

No estudo desse microrganismo extremófilo pode-se abordar questões em várias áreas da ciência. Na física, observa-se relação com termodinâmica, uma vez que o ambiente onde vive está sujeito à alta pressão e temperatura. Podem ser abordadas questões como: O que é o calor? Quais as relações entre pressão, temperatura e volume? O que os alunos entendem pela definição 'transferência de energia'? A relação entre o microrganismo e essas questões pode ser destacada para entender-se o motivo de os seres humanos não suportarem tais condições em níveis elevados. Comparando-se à realidade dos alunos, o ensino torna-se mais atrativo e intrigante (Castro; Ferracioli, 2001).

Também é possível estudar astronomia através desse organismo, utilizando o conceito de planeta habitável. Pode-se empregar os aspectos dos exoplanetas já conhecidos, que possivelmente apresentam uma faixa de temperatura semelhante a qual o organismo é capaz de sobreviver (Neitzel, 2006).

## 3.2. TARDÍGRADOS

Também conhecidos como ursos d'água, os Tardígrados representam um grupo de seres vivos bastante especializados. Estão entre os organismos mais resistentes conhecidos até o momento, fazendo despertar a atenção de muitos cientistas. Pertencentes ao Filo Tardigrada, toleram diversas condições ambientais extremas, como alta ou baixa temperatura, níveis elevados de radiação, desidratação e até mesmo o vácuo (Pulschen; Meneghin, 2010).

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BEN-BARAK (2010), afirma que os Tardígrados podem ser encontrados em praticamente qualquer região do planeta, desde o Himalaia até as profundidades oceânicas. São pequenos metazoários, possuem órgãos propriamente ditos e seu tamanho varia de 0,1mm até 1,2mm. Os carrapatos e ácaros são seus parentes distantes.

- O fato de suportarem condições tão inóspitas se deve à capacidade de entrar em criptobiose, estado de 'animação suspensa' induzido por condições ambientais extremas. Nesse estado, o metabolismo é freado por completo e o organismo pode permanecer em criptobiose por tempo indefinido, até que as condições externas sejam favoráveis à sua sobrevivência (Pulschen; Meneghin, 2010).

## 3.2.1. Quais conceitos físicos podem ser estudados com base nos Tardígrados?

Analisando esses organismos, muitos conceitos científicos podem ser trabalhados, como o vácuo. O que é essa condição? É ausência completa de todas as moléculas e átomos? Também é possível abordar o tema da radiação e fazer uma ligação com o fato de os seres humanos não suportarem a exposição a determinados tipos de radiação por longos períodos e a níveis elevados. Podem ser destacadas as perguntas: Quais os principais tipos de radiações conhecidos até o momento? O Sol emite algum tipo de radiação? É possível estimar o comportamento dos Tardígrados em alguma região do universo com tais condições ambientais, como os bojos das galáxias, onde há muita emissão de radiação devido ao maior número de supernovas? (Neitzel, 2006).

Os Tardígrados podem modificar o conceito existente sobre o comportamento dos seres vivos no espaço por serem capazes de sobreviver a várias condições extremas.

## 3.3. O corpo humano e o vácuo: O ser humano na Lua sem o traje espacial

Segundo Langhi (2004), é comum a concepção equivocada sobre o fato de a gravidade depender da atmosfera. Na Lua, um astronauta sofre a atração gravitacional da mesma, porém, não há atmosfera, ou seja, o astronauta está no vácuo.

- O que acontece com o corpo humano uma vez exposto ao vácuo?

É muito frequente ouvir-se dizer como resposta a essa pergunta que o corpo irá explodir ou o sangue entrará em ebulição. Na realidade, é até possível sobreviver no vácuo se a exposição for de apenas alguns poucos segundos. A NASA realizou alguns estudos acerca do assunto, dos quais os principais fenômenos serão apresentados a seguir.

Devido à baixa pressão externa, formará vapor d'água nas veias e o corpo inchará, cessando a circulação sanguínea. Os gases e vapores serão expelidos pelas vias aéreas, o que resfriaria a boca e o nariz, causando por consequência o resfriamento do corpo todo.

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Os efeitos descritos anteriormente são principalmente devido à ausência de pressão externa ao corpo e carência do oxigênio. Mas também é válido destacar que na Lua não existe a proteção da atmosfera contra a radiação solar, expondo o astronauta a seus efeitos danosos (Blumberg, 2003).

## 4. CONSIDERAÇÕES

O uso da Astrobiologia como ferramenta para o ensino apresenta como vantagens a apropriação de uma área de grande impacto e interesse do público para a discussão de conceitos relevantes à física, além de inserir a discussão em um contexto interdisciplinar, em que a física estará interagindo diretamente com biologia, química, astronomia, exploração espacial, entre outros.

Os exemplos descritos no presente trabalho representam apenas uma porção demonstrativa de como a astrobiologia associa-se ao ensino de ciências. Além desses organismos pequenos, porém multicelulares e complexos, há muitos microrganismos extremófilos presentes em nosso planeta, os quais estão sendo usados pelos astrobiólogos para avançar nosso conhecimento sobre os limites da vida como a conhecemos, e as possibilidades de existência de vida extraterrestre.

Espera-se, como consequência, o despertar do interesse da população pela ciência, tendo em vista que o tema da astrobiologia está em considerável desenvolvimento e tem grande apelo popular, já tendo sido utilizado diversas vezes no cinema, literatura e arte em geral. Além disso, seu conteúdo será de fácil acesso, via internet, o que possibilita a aproximação dos materiais e técnicas científicas modernas da população. No momento, o site do grupo de astrobiologia já conta com algum conteúdo de divulgação, o qual está sendo expandido para atender o público em geral: www.astrobiobrasil.org

## 5. AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao Núcleo de Pesquisa em Astrobiologia e à Pró-reitoria de Pesquisa da Universidade de São Paulo pelo apoio à pesquisa, ao Luis Felipe Medeiro Alves pelas traduções necessárias e ao Me. Daniel Rutkowski Soler pelas orientações quanto à parte estrutural do trabalho.

## 6. REFERÊNCIAS

Ben-Barak, I. Pequenas Maravilhas: Como os micróbios governam o mundo. Tradução por Diego Alfaro. Rio de Janeiro: Jorge Zahar Editor Ltda, 2010.

Blochl, E. et al. Pyrolobus fumarii, gen. and sp. nov., represents a novel group of archaea, extending the upper temperature limit for life to 113°C. Alemanha: Universidade de Regensburg, 1997.

Blumberg, B. S. (2003). "The NASA astrobiology institute: Early history and organization." Astrobiology 3 (3): 463-470.

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Castro, R., Ferracioli, L., Segunda Lei da Termodinâmica: Um Estudo de seu Entendimento por Professores do Ensino Médio. Espírito Santo: Universidade Federal do Espírito Santo, 2001.

Félix, D. J. S. Potencial Biotecnológico dos Microrganismos Extremófilos. Aveiro: Universidade de Aveiro, 2008.

Langhi, R. Ideias do Senso Comum em Astronomia. Bauru: Universidade Estadual Paulista, 2004. 9 pág.

Neitzel, C. L. V., Aplicação da astronomia ao ensino de física com ênfase em astrobiologia. Porto Alegre: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2006.

Paulino-Lima, I. G.; Lage, C. A. S. Astrobiologia: definição, aplicações, perspectivas e panorama brasileiro. Rio de Janeiro: Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2009.

Pulschen, A. A.; Meneghin, S. P. Estabelecimento de uma cultura de tardígrados limno-terrestres em laboratório e desenvolvimento de metodologias alternativas de desidratação de tardígrados. Joaçaba: Universidade Federal de São Carlos, 2010. vol. 10.

Rodrigues, F., Galante, D., et al. (2012). 'Astrobilogy in Brazil: early history and perspectives.' International Journal of Astrobiology 11(04): 189-202.

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