ASTROBIOLOGIA
advertisement
ASTROBIOLOGIA Wykład 1 EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 1 INFORMACJE • Wykłady: piątki, 9:15 (Budynek A, Sala Mergentalera, Budynek D, pracownia komputerowa) • Konsultacje: poniedziałki 12:00-13:00 (inne terminy po uzgodnieniu, mail: [email protected]) • Materiały do wykładu będą dostępne w Internecie: www.astro.uni.wroc.pl/ludzie/niemczura/astrobiologia • Warunki zaliczenia: egzamin, aktywne uczestniczenie w zajęciach EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 2 LITERATURA • An Introduction to Astrobiology, D.A. Rothery, I. Gilmour, M.A. Sephton • The Earth as a Distant Planet, M. Vazquez, E. Palle, P. Montanes Rodriguez • Astrobiologia, Poprzez Pył Kosmiczny do DNA, F. Ferrari, E. Szuszkiewicz • Historia Ziemi, Od Gwiezdnego Pyłu do Żyjącej Planety, R.M. Hazen • W Poszukiwaniu Życia, Badania Układu Słonecznego, P. Clancy, A. Brack, G. Horneck • … EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 3 CZYM ZAJMUJE SIĘ ASTROBIOLOGIA? EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 4 ASTROBIOLOGIA / BIOASTRONOMIA W strukturze IAU: Division F: Planetary Systems and Bioastronomy Commicion 15: Physical Study of Comets & Minor Planets Commision 16: Physical Study of Planets & Satellites Commision 20: Positions & Motions of Minor Planets, Comets & Satellites Commision 22: Meteors, Meteorites & Interplanetary Dust Commision 51: Bio-Astronomy Commision 53: Extrasolar Planets. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 5 ASTROBIOLOGIA Astrobiologia poszukuje odpowiedzi na pytania: 1. Jak powstało życie na Ziemi i jak ewoluuje? 2. Czy istnieje życie poza Ziemią? 3. Jaka jest przyszłość życia na Ziemi i w Kosmosie? EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 6 ASTROBIOLOGIA Jak powstały podstawowe cegiełki życia? • Jak powstają pierwiastki chemiczne? Jak powstają molekuły? • Co to są związki organiczne, jak powstają, gdzie występują? • Jakie substancje są niezbędne do tego aby powstały organizmy żywe? Astronomia, astrofizyka, Biologia, chemia organiczna EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 7 ASTROBIOLOGIA Jak powstają układy planetarne i planety? Czy życie jest naturalną konsekwencją formowania się planet? • Czy układy planetarne są częstym zjawiskiem? • Czy są do siebie podobne? • Czy życie występuje w innych miejscach Układu Słonecznego? A w innych układach planetarnych? Geologia, astronomia, chemia, klimatologia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 8 ASTROBIOLOGIA Zderzenia, niszczenie ekosystemu i jego odbudowa. • Jak zderzenia wpływały na życie na Ziemi? • Czy zderzenia są konieczne aby życie mogło ewoluować? • Jakie rodzaju zderzenia są konieczne? Ile ich powinno być? • Komety i woda na Ziemi i Marsie. Astronomia, geologia planet, paleontologia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 9 ASTROBIOLOGIA Jak proste związki organiczne mogą wyewoluować w złożone, ewoluujące organizmy? • Jakie warunki umożliwiają ten proces? • Czy możliwe jest odtworzenie tych warunków w laboratoriach? Lub na innych planetach? • Czy życie na Ziemi mogło wyglądać inaczej? Chemia organiczna i nieorganiczna, genetyka, biologia molekularna EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 10 ASTROBIOLOGIA Jak proste związki organiczne mogą wyewoluować w złożone, ewoluujące organizmy? • Ewolucyjne i środowiskowe ograniczenia życia. • Mechanizmy molekularne, genetyczne i biochemiczne, które kontrolują ewolucję, różnorodność i adaptację organizmów żywych. Chemia organiczna i nieorganiczna, genetyka, biologia molekularna EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 11 ASTROBIOLOGIA Jaka jest historia życia na Ziemi? • Kiedy i jak powstało życie na Ziemi? • Czy w podobny sposób może powstać na innych planetach? Geologia, astronomia, paleontologia, biologia ewolucyjna, archeologia? EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 12 ASTROBIOLOGIA EN, ASTROBIOLOGIA Stromatolity 2015-02-23 13 ASTROBIOLOGIA Życie w ekstremalnych warunkach. • Jak definiujemy warunki ekstremalne? • Ekstremalne środowiska na Ziemi. • Ekstremofile – organizmy żyjące w skrajnie ekstremalnych warunkach. • Czy ekstremofile występują na innych planetach? Mikrobiologia, ekologia, oceanografia, chemia organiczna i nieorganiczna, geologia Chryseobacterium greenlandensis EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 14 ASTROBIOLOGIA Jak organizmy żywe wpływają na otoczenie i jak otoczenie wpływa na organizmy żywe? • Jaki jest wpływ organizmów żywych na atmosferę planety? • Jaki jest wpływ oceanów i atmosfery na powstanie i ewolucję organizmów żywych. Oceanografia, klimatologia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 15 ASTROBIOLOGIA Ochrona środowiska naturalnego planety. • Ochrona Ziemi i organizmów żywych na Ziemi przed wpływem obcych form życia. • Bezpieczne przechowywanie próbek z innych planet/księżyców. • Czy mikroby z jednej planety mogą zniszczyć życie na innej planecie? Epidemiologia, mikrobiologia, etyka, inżynieria kosmiczna EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 16 ASTROBIOLOGIA Ochrona środowiska naturalnego planety. • Czy człowiek może odwiedzić inną planetę i nie wpłynąć na jej środowisko naturalne? • Czy powinniśmy terraformować inne planety? • Jak przebiegałby proces terraformowania Marsa? Epidemiologia, mikrobiologia, etyka, inżynieria kosmiczna EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 17 ASTROBIOLOGIA Najlepsze habitaty według biologów i według astronomów. • Jakie są cechy habitatów? • Gdzie szukać habitatów? • Jak ewoluują habitaty? Biologia, astronomia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 18 ASTROBIOLOGIA EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 19 ASTROBIOLOGIA Planety pozasłoneczne: jak je znaleźć i jak ocenić ich potencjał biologiczny? • Techniki odkrywania planet podobnych do Ziemi. Astronomia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 20 ASTROBIOLOGIA EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 21 ASTROBIOLOGIA Biosygnatury • Biosygnatury ziemskie (w atmosferze, na powierzchni). • Biosygnatury wczesnej Ziemi. • Biosygnatury na planetach pozaziemskich – metody i możliwości wykrywania. • Oznaki cywilizacji technicznych • Jakie są biosygnatury życia wymarłego? Czy można takie biosygnatury znaleźć poza Ziemią? Astronomia, klimatologia, ekologia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 22 ASTROBIOLOGIA Poszukiwanie i komunikowanie się z pozaziemską inteligencją. • Jakich sygnałów oczekujemy? • Czy jesteśmy w stanie zarejestrować i poprawnie odczytać sygnały od obcej cywilizacji? • Czy powinniśmy odpowiadać na takie sygnały? • Jaką informację i w jaki sposób my powinniśmy wysłać? Astronomia, telekomunikacja, kryptografia, lingwistyka, psychologia, etyka, filozofia, … EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 23 ASTROBIOLOGIA Podróże kosmiczne: wpływ ekstremalnych warunków na zdrowie fizyczne i psychiczne człowieka. • Problemy: grawitacja, promieniowanie. • Problemy: czas podróży, ograniczone towarzystwo, izolacja, brak możliwości rezygnacji. • Problem: ryzyko związane z podróżą, ewentualny brak możliwości powrotu. • … Psychologia, biologia, anatomia, neuropsychologia, rehabilitacja, … EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 24 ASTROBIOLOGIA Czy człowiek może przystosować się do życia innej planecie? • Jak żyć na innej planecie bez terraformowania jej? • Jak przygotować ludzi do życia na innej planecie? • Jak wybrać odpowiednie osoby? • Jak przebywanie na innej planecie zmieni ludzi? Inżynieria kosmiczna, psychologia, biologia ewolucyjna, ekologia, medycyna EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 25 ASTROBIOLOGIA Jaka może być przyszłość życia na Ziemi i poza nią? • Czy ziemskie życie w jakiejkolwiek formie może przetrwać poza Ziemią? Astronomia, biologia EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 26 CO TO JEST ŻYCIE? EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 27 DEFINICJA ŻYCIA • Jest wiele definicji życia, ale żadna nie jest do końca satysfakcjonująca; • Niezależnie od kryterium, którego użyjemy do ustalenia definicji zawsze można znaleźć wyjątki; • W efekcie – definiujemy życie poprzez podanie własności, które uważamy za konieczne – życie jest to skomplikowany układ cząstek, daleki od równowagi, i podlegający prawom termodynamiki. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 28 DEFINICJA ŻYCIA Co definiuje życie organiczne? • Metabolizm (ciąg reakcji chemicznych służący do przekształcania atomów i energii na materiał komórkowy) • Informacja genetyczna (komórki są nośnikami informacji zawartej w cząsteczkach DNA, mogą się kopiować i przekazywać te informacje) + mutacje EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 29 DEFINICJA ŻYCIA • Definicja NASA (Program Astrobiologii, Gerald Joyce, 1994): Życie to samopodtrzymujący się system reakcji chemicznych, podlegający prawom ewolucji Darwina. Darwinizm implikuje modyfikacje – mutacje materiału genetycznego; ewolucja + naturalna selekcja. • Poprawiona definicja NASA (Gerald Joyce): Życie to samopodtrzymujący się system reakcji chemicznych, podlegający prawom ewolucji Darwina i zdolny do nowatorstwa (które umożliwia eksplorację nowego środowiska, przetrwanie niekorzystnych zmian, wygranie wyścigu o zasoby). EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 30 DEFINICJA ŻYCIA Podana definicja jest użyteczna, ale nie stosuje się do wszystkich przypadków. Przykład 1: samoreplikacja i ewolucja: niektóre kryształy mogą być uznane za żywe. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 31 DEFINICJA ŻYCIA Przykład 2: Muły – mieszaniec międzygatunkowy klaczy konia domowego z ogierem osła. Najczęściej bezpłodny, tylko ok. 5% mulic jest płodnych. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 32 DEFINICJA ŻYCIA Przykład 3: Wirusy: • składają się z dwu głównych składników: kwasów nukleinowych (genom RNA lub DNA) i z białek; • wykazują dużą różnorodność; • nie posiada enzymów – brak metabolizmu; • nie mogą tworzyć swoich własnych protein i nie mogą duplikować swojego materiału genetycznego; • zwykle przenoszą geny programując do tego polimery, ale polimery muszą być syntetyzowane przez komórki – wirusy nie mogą istnieć bez komórki, nie są autonomiczne i nie mogą się replikować – nie spełniają definicji życia. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 33 DEFINICJA ŻYCIA Przykład 4: Sztuczna inteligencja: • programy, które naśladują procesy życiowe – przenoszą i modyfikują informację analogicznie jak organizmy żywe. • czy sztuczna inteligencja może być traktowana jak organizm żywy? EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 34 CZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ŻYCIU EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 35 CZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ŻYCIU • Podstawowe pierwiastki. Życie oparte na węglu to jedyna możliwość? (inne: krzem, bor, bor + azot, siarka, arszenik?) • Ośrodek/Rozpuszczalnik: woda (inne możliwości: amoniak, metan…) • Źródło energii: Słońce, energia chemiczna, inne źródła energii ważne dla życia mld lat temu (stygnąca Ziemia, wulkany). EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 36 OBFITOŚCI PIERWIASTKÓW CHEMICZNYCH ASPLUND ET AL. (2009) Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009) BB Light elements Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009) BB Light elements Alpha elements Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009) BB Light elements Alpha elements Iron-peak elements Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009) BB Light elements Alpha elements Iron-peak elements Rare-earth elements Heavy elements neutron capture MATERIA ORGANICZNA Węgiel – najbardziej wszechstronny pierwiastek Układu Okresowego • Ilość – węgiel jest na 4 miejscu pod względem obfitości we Wszechświecie; • Najwięcej różnorodnych funkcji na poziomie molekularnym; • Zdolność do wiązania się z innymi atomami C, a także innych pierwiastków (np. H, O, N, S, również metali); • Może tworzyć jednocześnie cztery wiązania i budować długie łańcuchy atomów. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 42 MATERIA ORGANICZNA Węgiel : • Wszechstronność. Bardzo łatwo łączy się z innymi pierwiastkami i tworzy rozgałęzienia, niezbędne do tworzenia sekwencji nukleotydowych i aminokwasów; • Podstawa budowy białek i węglowodanów, DNA, RNA; • Molekuły oparte na węglu są zdolne do replikacji i ewoluowania. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 43 MATERIA ORGANICZNA Węgiel: • Łatwo rozpuszcza się w wodzie – woda jest podstawą życia na Ziemi; • Każda forma obecnie znanego życia jest oparta na węglu; • W ośrodku międzygwiazdowym odkryto ~ 2000 molekuł zawierających węgiel (molekuł opartych na krzemie – 8). EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 44 MATERIA ORGANICZNA Krzem przypomina węgiel pod niektórymi względami: • również bardzo obfity we Wszechświecie. Drugi najważniejszy pierwiastek w skorupie ziemskiej (po tlenie). • posiada zdolność do tworzenia wiązań kowalencyjnych (łańcuchy i pierścienie). • może tworzyć molekuły wystarczająco duże do przenoszenia informacji genetycznej. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 45 MATERIA ORGANICZNA Krzem: • znacznie mniej wszechstronny niż węgiel (~10:1); • może się wiązać tylko z kilkoma pierwiastkami – mała różnorodność chemiczna (problem z metabolizmem); • atomy krzemu są większe, mają większą masę i promień – trudności przy wiązaniu się z innymi atomami. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 46 MATERIA ORGANICZNA EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 47 OŚRODEK – WODA Tlen jest trzecim najbardziej obfitym pierwiastkiem we Wszechświecie; Woda występuje na Ziemi i innych obiektach Układu Słonecznego; EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 48 OŚRODEK – WODA EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 49 OŚRODEK – WODA Zalety wody: • jest płynna w takim zakresie temperatur, że możliwe jest zachodzenie większości organicznych reakcji chemicznych; • łatwo wiąże się za pomocą wodoru z innymi molekułami; • dobry rozpuszczalnik dla wielu molekuł organicznych; • jest amfoteryczna, czyli zdolna do reakcji z kwasami i z zasadami; ma to kluczowe znaczenie w wielu procesach organicznych i biochemicznych; EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 50 OŚRODEK – WODA Zalety wody: • dobry przewodnik; • ma wysoką pojemność cieplną (użyteczne przy regulacji temperatury), duże ciepło parowania; • w postaci ciała stałego jest mniej gęsta niż w stanie płynnym; ma to wpływ na sposób zamarzania zbiorników wodnych – a przez to jest ważne dla organizmów żywych. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 51 OŚRODEK Inne możliwości: amoniak, kwas siarkowy, formamid, metan, etan, ciekły azot… EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 52 OŚRODEK Amoniak NH3 • obfity we Wszechświecie; • liczne reakcje chemiczne z udziałem amoniaku; • ciekły amoniak ma podobne własności jak płynna woda; • może rozpuścić większość molekuł organicznych a także metali; • … EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 53 OŚRODEK Amoniak jako podstawa życia: • Wiązania wodorowe między molekułami są słabe (to określa temperaturę parowania, napięcie powierzchniowe, ogranicza zdolność do koncentracji cząstek) – z materii prebiotycznej nie powstałyby organizmy żywe. • Amoniak jest palny w obecności tlenu i nie może istnieć w sposób trwały w środowisku odpowiednim dla metabolizmu tlenowego. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 54 OŚRODEK Biosfery oparte na amoniaku mogłyby istnieć w temperaturze i ciśnieniu powietrza, które są bardzo nietypowe w porównaniu do Ziemi. • amoniak jest płynny w temperaturach od -78° C do -33° C. • reakcje chemiczne na ogół przebiegają wolniej przy niższej temperaturze. • – życie na bazie amoniaku może metabolizować wolniej i rozwijać się wolniej niż życie na Ziemi. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 55 OŚRODEK Amoniak: ciekły w wyższych temperaturach, ale przy znacznie wyższym ciśnieniu; na przykład, przy 60 atm: -77° C +98° C. Amoniak może być odpowiedni (?) dla planet i księżyców orbitujących poza strefą habitacyjną; np. pod powierzchnią największego księżyca Saturna, Tytana. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 56 OŚRODEK Metan CH4 i inne węglowodory: • metan: obfitość podobna do amoniaku; • węglowodory: rozpuszczalniki w dużym zakresie temperatur; • Woda: lepszy rozpuszczalnik, ale łatwiej wchodzi w reakcje – może niszczyć duże molekuły organiczne; życie oparte na węglowodorach nie ma tego problemu. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 57 OŚRODEK Metan CH 4 i inne węglowodory: • woda tworzy silne wiązania wodorowe – problem dla wiązań wodorowych złożonych cząstek organicznych; węglowodory – nie ma tego problemu. • Węglowodory: Tytan? EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 58 ŹRÓDŁO ENERGII PROMIENIOWANIE SŁONECZNE: FOTOSYNTEZA Fotosynteza: • Podstawowe źródło energii dla życia na Ziemi • Fotosynteza: proces wytwarzania związków organicznych z materii nieorganicznej; EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 59 ŹRÓDŁO ENERGII PROMIENIOWANIE SŁONECZNE: FOTOSYNTEZA • Faza jasna: światło jest absorbowane, jego energia jest zamieniana na energię wiązań chemicznych; produkt uboczny – tlen; • Faza ciemna: energia wiązań chemicznych jest używana do syntezy związków organicznych EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 60 PODSUMOWANIE • Astrobiologia: nauka zajmująca się wszystkimi aspektami życia we Wszechświecie; • Definicja życia – problem; • Organizmy żywe potrzebują materii organicznej, odpowiedniego ośrodka i energii. EN, ASTROBIOLOGIA 2015-02-23 61
