Exercicis d'origen de l'univers, del sistema solar i de la vida — Biologia i Geologia 4t ESO

Diu que l'univers va començar fa uns 13.800 milions d'anys a partir d'un estat extremadament dens i calent, i que des de llavors s'expandeix i es refreda.
No va ser una explosió dins l'espai, sinó l'expansió de l'espai mateix.
Error típic: imaginar-lo com una bomba que explota en un punt d'un espai buit que ja existia.

1) L'allunyament de les galàxies: com més lluny són, més de pressa s'allunyen i més es desplaça cap al roig la seva llum, tal com passa si l'univers s'expandeix.
2) La radiació còsmica de fons de microones, una llum molt freda i uniforme que arriba de totes les direccions i que és el romanent de l'univers jove.
Una tercera: la proporció observada d'hidrogen i heli (uns 75 % i 25 % en massa) coincideix amb la prevista.

d = 4,24 · 9,46·$10^{12}$ km = 4,01·$10^{13}$ km.
El perquè: l'any llum és una unitat de distància, no de temps, i serveix per no haver d'escriure xifres enormes.

En els primers minuts es van formar sobretot hidrogen i heli (amb una mica de liti).
Els elements més pesants, com el carboni, l'oxigen o el ferro, es formen dins les estrelles per fusió nuclear; els que són més pesants que el ferro es formen sobretot en les últimes fases de la vida de les estrelles i en fenòmens violents com les supernoves o els xocs d'estrelles de neutrons.
El perquè: els àtoms del nostre cos, excepte l'hidrogen, es van fabricar dins d'estrelles que ja no existeixen.

Ordre: (b) Big Bang, fa uns 13.800 Ma; (c) formació del sistema solar, fa uns 4.570 Ma; (e) primeres cèl·lules, fa uns 3.500 Ma (o més); (d) primers animals, fa uns 600 Ma; (a) Homo sapiens, fa uns 300.000 anys.
El perquè: la vida ha estat sobretot microscòpica durant milers de milions d'anys i els humans som molt recents.

Ordre: (b), (e), (c), (a), (d).
El núvol es contrau i gira, s'aplana en un disc, al centre es forma el Sol, i al disc la matèria s'agrupa en planetesimals que xoquen i formen els planetes.
El perquè: tots els planetes giren al voltant del Sol en el mateix sentit i gairebé en el mateix pla, i això és una pista del disc d'origen.

Rocosos: Mercuri, Venus, Terra i Mart (els quatre més propers al Sol). Gasosos: Júpiter, Saturn, Urà i Neptú (els més llunyans).
El perquè: prop del Sol la calor va deixar només materials rocosos i metàl·lics; lluny, a baixa temperatura, hi havia gel i gasos que els grans planetes van poder acumular.

1) Aigua líquida, que és el dissolvent on tenen lloc les reaccions de les cèl·lules.
2) Una font d'energia (llum d'una estrella, calor interna o reaccions químiques).
3) Els elements químics de la vida: carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen, fòsfor i sofre.
Una atmosfera o un camp magnètic estable ajuden, però les tres anteriors són el mínim.

L'astrobiologia estudia l'origen, l'evolució i la distribució de la vida a l'univers, i les condicions que la fan possible.
Llocs del sistema solar: Mart, on hi va haver aigua líquida en el passat, i els oceans que hi ha sota el gel d'Europa (lluna de Júpiter) i d'Encèlad (lluna de Saturn).

És la franja de distàncies a l'estrella on un planeta rep l'energia justa perquè l'aigua pugui ser líquida en superfície.
La Terra hi és. Venus és més a prop que el límit interior i l'aigua s'hi evapora. Mart és a la vora exterior, però és petit i ha perdut gairebé tota l'atmosfera: l'aigua s'hi gela o s'evapora.
Error típic: pensar que només cal estar a la zona; també cal una atmosfera adequada.

Lluna: t = $\tfrac{d}{c} = 3{,}84$·$\tfrac{10^{5}}{3{,}0\cdot 10^{5}}$ = 1,28 s.
Mart: t = 5,5·$\tfrac{10^{7}}{3{,}0\cdot 10^{5}}$ = 183 s ≈ 3,1 min.
Neptú: t = 4,5·$\tfrac{10^{9}}{3{,}0\cdot 10^{5}}$ = 1,5·$10^{4}$ s ≈ 4,2 h.
Quan mirem un astre el veiem com era quan va sortir la llum: com més lluny és, més enrere en el temps el veiem.

Primeres cèl·lules: han passat 4.540 − 3.500 = 1040 Ma des de la formació; $\tfrac{1040}{4}$.540 · 24 h = 5,5 h, aproximadament les 05:30.
Primers animals: $\tfrac{(4\text{.}540 - 600)}{4}$.540 · 24 h = 20,8 h, aproximadament les 20:50.
Homo sapiens: només 5,7 segons abans de la mitjanit.
El perquè: l'escala mostra que la vida microscòpica ocupa gairebé tot el temps i que l'espècie humana és un instant.

Volia reproduir les condicions d'una atmosfera primitiva (aigua oceànica, gasos i descàrregues de llamps) per saber si es podien formar molècules orgàniques.
Va obtenir diversos aminoàcids, els components de les proteïnes.
Limitació: demostra que els «maons» de la vida es poden formar sense ésser vius, però no explica com es van organitzar en cèl·lules ni com van aparèixer l'ADN i el metabolisme. A més, avui es creu que l'atmosfera primitiva tenia una composició una mica diferent.

Hidrogen: 0,75 · 1,0·$10^{31}$ = 7,50·$10^{30}$ kg. Heli: 0,25 · 1,0·$10^{31}$ = 2,50·$10^{30}$ kg.
Nombre d'estrelles: 1,0·$\tfrac{10^{31}}{2{,}0\cdot 10^{30}}$ = 5 estrelles (en realitat se'n formen més, de més petites, i part del gas es dispersa).

Fracció = ($\tfrac{1}{2}$)^t/T = ($\tfrac{1}{2}$)^4.570/4.470 = ($\tfrac{1}{2}$)^1,022 = 0,492, és a dir, queda al voltant del 49 %.
Els meteorits són restes de la formació dels planetes que no han estat remodelades per la tectònica ni l'erosió, així que conserven els isòtops des del principi; la Terra, en canvi, ha reciclat les seves roques més antigues.

Es diu diferenciació gravitatòria o planetària.
Va originar el nucli (ferro i níquel, dens), el mantell (silicats més lleugers) i l'escorça (roques encara més lleugeres), a més de l'atmosfera i els oceans, que es van formar amb gasos i vapor alliberats de l'interior.
El perquè: la gravetat ordena els materials per densitats, igual que l'oli sura damunt l'aigua.

Abiogènesi: la vida va sorgir a la Terra a partir de molècules orgàniques que es van formar aquí. Panspèrmia: la vida, o els seus components, va arribar de l'espai en meteorits o cometes.
El meteorit recolza que els aminoàcids es poden formar a l'espai i arribar a la Terra, de manera que reforça la panspèrmia com a font de «maons». No prova que hi arribés vida, perquè els aminoàcids no són éssers vius.
A més, la panspèrmia no explica com va començar la vida, només l'allunya del lloc: l'origen continua sent la mateixa pregunta.

La condició és $\tfrac{L}{d^{2}} = 1$, per tant d = $\sqrt{L}$ (en ua).
Per L = 0,5: d = $\sqrt{0,5}$ = 0,71 ua. Per L = 4: d = $\sqrt{4}$ = 2 ua.
El perquè: una estrella més brillant té la zona d'habitabilitat més lluny, i una de més feble, més a prop.

Són extremòfils; en aquest cas, quimiosintètics, perquè fabriquen matèria orgànica amb energia de reaccions químiques i no de la llum.
Si la vida pot viure sense llum i en ambients molt calents, els oceans amagats sota el gel d'Europa o d'Encèlad podrien ser habitables malgrat la foscor: l'energia pot venir de l'interior de la lluna.
Error típic: pensar que la vida necessita sempre llum solar.

No ho prova. Demostra que Mart va ser habitable (aigua i compostos de carboni), però les molècules orgàniques també es poden formar sense vida.
Caldrien biosignatures: fòssils o estructures cel·lulars, proporcions isotòpiques característiques de la bioquímica, o molècules complexes i patrons que no s'expliquin per processos geològics. I en convé una confirmació independent.

Distància: 5,96 · 9,46·$10^{12}$ = 5,64·$10^{13}$ km.
Temps: 5,64·$\tfrac{10^{13}}{17} = 3{,}32$·$10^{12}$ s = 3,32·$\tfrac{10^{12}}{3{,}15\cdot 10^{7}}$ ≈ 1,05·$10^{5}$ anys (uns 105 000 anys).
Implica que per ara no podem anar a veure els exoplanetes; l'única via realista és estudiar-ne la llum amb telescopis, per exemple per analitzar l'atmosfera de planetes que passen davant de la seva estrella.

N = 2,0·$10^{11}$ · 0,5 · 0,10 · 0,01 = 1,0·$10^{8}$ planetes.
No és fiable perquè l'últim factor és desconegut: només coneixem un exemple de vida, la Terra, i no sabem si l'abiogènesi és fàcil o molt improbable. Si fos $10^{-9}$ en lloc de $10^{-2}$, el resultat baixaria a uns deu planetes per galàxia.
Aprenem que el valor d'una estimació depèn més de les probabilitats que no coneixem que de les estrelles que comptem.

Condició: $\text{L/d}^{2}$ entre 0,36 i 1,1. Límit interior: d = $\sqrt{\tfrac{0{,}0020}{1{,}1}}$ = 0,043 ua. Límit exterior: d = $\sqrt{\tfrac{0{,}0020}{0{,}36}}$ = 0,075 ua.
A 0,05 ua, el planeta rep $\tfrac{0{,}0020}{0{,}05^{2}} = 0{,}80$ vegades la radiació terrestre i queda dins de la zona.
P = $\sqrt{\tfrac{0{,}05^{3}}{0{,}12}}$ = $\sqrt{0{,}001042}$ = 0,0323 anys = 11,8 dies.
La zona és molt a prop de l'estrella, de manera que el planeta probablement està en rotació sincrònica (sempre mostra la mateixa cara), i les nanes vermelles tenen erupcions intenses d'ultraviolat i raigs X. A més, cal que el planeta tingui aigua i una atmosfera que conservi la pressió i la temperatura.
Error típic: pensar que la zona d'habitabilitat és una distància fixa per a totes les estrelles; depèn de la lluminositat.

M(glucosa) = 180 g/mol; n = 1000 / 180 = 5,56 mol de glucosa.
Per cada mol de glucosa surten 6 mol d'O₂: 5,56 · 6 = 33,3 mol; m = 33,3 · 32 = 1067 g d'oxigen, més que la glucosa produïda.
L'oxigen és molt reactiu i tòxic per als organismes anaerobis que van dominar la vida primitiva; en acumular-se a l'atmosfera (fa uns 2.400 Ma) va provocar l'extinció de molts, i va permetre la respiració aeròbia, molt més eficient.

Segons la teoria (Lynn Margulis), una cèl·lula gran va englobar bacteris que no va digerir i amb els quals va establir una simbiosi: els proteobacteris aeròbics es van convertir en mitocondris i els cianobacteris, en cloroplasts.
(a) Certa: tenen ADN circular com els bacteris, i ribosomes semblants. (b) Falsa: es multipliquen per divisió dels mitocondris existents, com els bacteris. (c) Certa: descendeixen de cianobacteris.
Altres proves: doble membrana, mida semblant a un bacteri i comportament independent dins la cèl·lula.

LUCA és la població d'organismes de la qual descendeixen tots els éssers vius actuals, que va viure fa més de 3.500 Ma.
Ho recolza que tots els éssers vius comparteixen un mateix codi genètic, ADN, ARN i ribosomes per fabricar proteïnes, i unes mateixes vies metabòliques bàsiques.
Els eucariotes tenen un avantpassat comú més recent amb els arqueobacteris que amb els bacteris, perquè en l'arbre se'n separen en un node més recent.
Error típic: pensar que LUCA va ser el primer ésser viu; probablement ja era el resultat d'un llarg procés.

Anada: t = 6,3·$\tfrac{10^{8}}{3{,}0\cdot 10^{5}}$ = 2100 s = 35 min.
Anada i tornada: 4200 s = 70 min.
No es pot controlar en temps real: el robot ha de ser prou autònom per prendre decisions bàsiques (evitar obstacles, protegir-se) mentre espera ordres, que s'envien en blocs i amb marge.

Pressió Venus / pressió Mart = 92 / 0,006 = 15 333 vegades.
A Venus fa tanta calor que l'aigua és vapor (un efecte d'hivernacle desbocat amb un CO₂ abundant). A Mart la pressió és tan baixa que l'aigua líquida s'evapora o es congela, i la temperatura és molt baixa. A la Terra, la distància i una atmosfera moderada mantenen la temperatura i la pressió en el rang de l'aigua líquida.
El perquè: la zona d'habitabilitat és només una condició; l'atmosfera de cada planeta decideix el seu clima.

L'oxigen i el metà reaccionen entre si i s'haurien de destruir en pocs milers d'anys; si en trobem els dos, alguna cosa els ha de renovar contínuament. A la Terra ho fan els éssers vius, per això es consideren una possible biosignatura.
No se'n pot concloure vida: hi pot haver processos geològics o químics que ho expliquin (falsos positius).
Es buscaria la presència d'aigua, altres gasos, la temperatura, i si la mateixa combinació es manté en observacions repetides; només un conjunt de dades coherents farien creïble la hipòtesi.

De l'aigua líquida a la primera vida: 4.400 − 3.500 = 900 Ma (la vida va sorgir relativament de pressa).
Vida sense animals: $\tfrac{(3\text{.}500 - 600)}{3}$.500 · 100 = 83 % de la història de la vida.
Deduïm que la vida microbiana pot sorgir aviat en un planeta amb aigua, però la vida complexa va trigar milers de milions d'anys: potser és molt més rara. Amb una sola mostra (la Terra) no ho podem afirmar.
Per això és tan important buscar vida també fora de la Terra.