ASTROBIOLOGIA. Wykład 4

Transkrypt

1 ASTROBIOLOGIA Wykład 4 1

2 EWOLUCJA ZIEMI 2

3 POWSTANIE UKŁADU SŁONECZNEGO 3

4 4

5 WIELKIE BOMBARDOWANIE Czas trwania: mld lat temu (~200 mln lat); Wynik: kratery księżycowe (~1700, d > 20 km); Dowody: Misje Apollo 15, 16, 17: próbki gruntu księżycowego większość skał w kraterach krystalizowała się w wąskim przedziale czasu; uderzenia komet i asteroid ~10km średnicy; katastrofa księżycowa; Meteoryty księżycowe (~nie starsze niż 3.9 mld lat, mld lat) Meteoryty z pasa asteroid (chondryty): wiek większości to mld lat, 4.5 mld lat; prędkość uderzenia (>10 km/s; orbity, nachylenia i ekscentryczności) Struktura kraterów na Merkurym (rozkład kraterów i rozmiary, wiek) 5

6 WIELKIE BOMBARDOWANIE 6

7 WIELKIE BOMBARDOWANIE Przyczyny: Migracje gazowych olbrzymów (Model Nicejski); Późne powstanie Urana i Neptuna; długi czas formowania; Hipoteza piątej planety typu ziemskiego (orbita zaburzona do pasa asteroid: LHB; problem: ułożenie asteroid); Inne mechanizmy. 7

8 MODEL NICEJSKI 1 Autorzy: Rodney Gomes, Hal Levison, Alessandro Morbidelli, Kleomenis Tsiganis 2005, Nature; Mechanizm: Po pozbyciu się gazu i pyłu z układu cztery planety olbrzymy miały inne orbity niż obecnie; początkowo orbity ~kołowe, Odległości od Słońca: ~5.5 i ~17 AU; Dalej: dysk skalistych i lodowych planetozymali, 35 M Z, do odległości 35 AU. 8

9 MODEL NICEJSKI 1 Oddziaływanie grawitacyjne między planetozymalami z zewnętrznej części z planetami olbrzymami; Zmiana orbit planetozymali; rozpraszanie do centrum układu; Wymiana momentu pędu, planety przesuwają się na zewnątrz (ZZMM); Planetozymale zaczynają oddziaływać z Jowiszem: zmiana orbit na eliptyczne lub wyrzucenie poza układ to powoduje, że Jowisz porusza się do środka; 9

10 MODEL NICEJSKI 1 Planetozymale zaczynają oddziaływać z Jowiszem: zmiana orbit na eliptyczne lub wyrzucenie poza układ to powoduje, że Jowisz porusza się do środka; Po wielu setkach milionów lat Jowisz i Saturn: rezonans 1:2; rezonans wzmacnia ekscentryczność, destabilizuje cały układ słoneczny. 10

11 MODEL NICEJSKI 1 Ustawienie planet szybko się zmienia; Jowisz wypycha Saturna na zewnątrz; 11

12 MODEL NICEJSKI 1 Oddziaływania grawitacyjne między Saturnem a Uranem i Neptunem, Uran i Neptun: ekscentryczne orbity, planetozymale z zewnętrznego dysku rozpraszane prawie cały dysk rozproszony (99% masy; to wyjaśnia dzisiejsze obserwacje); Część planetozymali do wnętrza układu Wielkie Bombardowanie (LHB) Koniec: ustalenie orbit; w niektórych modelach zamiana orbit Urana z Neptunem; 12

13 MODEL NICEJSKI 2 Początek: planety olbrzymy w rezonansie, np. J-S 3:2, S-U 3:2 U-N 4:3 (stabilne rezonanse); Oddziaływanie z planetozymalami z zewnętrznego pasa planety migrują do wewnątrz układu i zostają w rezonansie; Ekscentryczność orbit rośnie zmiany rezonansów; zaczyna się oddziaływanie grawitacyjne między planetami; podobnie jak model nicejski 1 13

14 MODEL NICEJSKI 2 Model nicejski 1 i 2: MN1: wybór początkowych orbit niestabilności czas LHB MN1: zależność: czas niestabilności położenie wewnętrznego pasa planetozymali; MN2 odpowiednie warunki początkowe (struktura orbit planet olbrzymów pod koniec fazy dysku); MN2 uwzględnia interakcje pomiędzy planetozymalami: brak korelacji czas niestabilności wewnętrzny pas planetozymali; J-S: 3:2; S-U 3:2 U-N 4:3 14

15 MODEL HIPSTERSKI Dodatkowa planeta olbrzym: Symulacje: warunki początkowe; 1 Problem MN: rezonanse nie dają końcowych orbit planet olbrzymów takich jak dzisiejsze; 2 Problem MN: przetrwanie planet typu ziemskiego wątpliwe (niezależnie od rezonansu); Rozwiązanie: 5 planet olbrzymów (dodatkowy lodowy olbrzym, masa podobna do U lub N) statystycznie najlepsze wyniki; dodatkowa planeta wyrzucona z układu (J) 15

16 ETA CORVI Obserwacje IRAS: nadwyżka promieniowania IR; Dysk pyłowy, T = ~50-80 K, odległość ~ AU; 60% masy Księżyca; do 100 AU: mało materii (wyczyszczony oddziaływanie planet w układzie rezonanse i migracje); powstanie: oddziaływanie planetozymali na zewnętrznych orbitach; Eta Corvi; V = 4.30 mag; SpT: F2 V M = 1.4Ms, R = 1.6 Rs; Wiek: 30% wieku Słońca. 16

17 ETA CORVI Gorętszy dysk wewnętrzny: 3.5 AU: Spitzer: H 2 O, związki organiczne; gorący pył bogaty w węgiel w strefie habitacyjnej układu; Spitzer: związki organiczne typowo kometarne Najlepszy model powstania, budowy i składu: Wielkie Bombardowanie. Eta Corvi; V = 4.30 mag; SpT: F2 V M = 1.4Ms, R = 1.6 Rs; Wiek: 30% wieku Słońca. 17

18 SKĄD SIĘ WZIĘŁA WODA I ATMOSFERA ZIEMI 18

19 SKĄD SIĘ WZIĘŁA WODA NA ZIEMI? Problem 1: woda: Pochodzenie wody; Pochodzenie rozpuszczonych w niej substancji; Problem 2: pochodzenie basenów oceanicznych. 19

20 POCHODZENIE WODY 1. Hipoteza geochemiczna woda pochodzi z magmy, która wydostaje się na powierzchnię planety (zasoby dysku protoplanetarnego); Ostatni etap krzepnięcia magmy, skraplanie i wytrącanie z niej pary wodnej; Magma: chondryt węglowy; 15-20% wody; Wystarczy ocean magmy o głębokości 50 km; Ile było wody? problem co się stało z nadmiarem wody? 20

21 POCHODZENIE WODY 2. Wodę na Ziemię mogły również przynieść obiekty z zewnętrznego Układu Słonecznego (komety i/lub asteroidy), uderzające w naszą planetę w czasie Wielkiego Bombardowania. Pytanie: skąd się wzięła woda w Układzie Słonecznym? 21

22 WODA STARSZA NIŻ SŁOŃCE? Woda występuje obficie w Układzie Słonecznym; Pochodzenie wody w Układzie Słonecznym i na Ziemi: podstawa do zrozumienia skąd się wzięło życie na Ziemi i czy jest możliwe w innych układach; Woda: H+H+O, D+D+O, H+D+O. 22

23 WODA STARSZA NIŻ SŁOŃCE? Woda w Układzie Słonecznym jest tam gdzie D/H jest wysoki; wynika to z procesów chemicznych, które zachodziły w niskotemperaturowym środowisku (+promieniowanie kosmiczne (jonizujące)); Skład i ilość wody wynika ze składu gazu, pyłu i cząstek lodu wchodzących w skład dysku protoplanetarnego; pytanie: gdzie powstał lód: 1. W ISM i chmurze molekularnej; przed powstaniem protosłońca; cząsteczki lodu międzygwiazdowego: woda + związki organiczne: mogą być ważne w każdym układzie planetarnym; 2. W mgławicy słonecznej i dysku protoplanetarnym; obfitość wody różna w układach; 23

24 WODA STARSZA NIŻ SŁOŃCE? Pomiary: D/H w Układzie Słonecznym i ISM 24

25 WODA STARSZA NIŻ SŁOŃCE? Symulacje: woda bogata w deuter nie może powstać lokalnie w dysku protoplanetarnym, musi pochodzić z ISM i OM Znaczący procent wody w Układzie Słonecznym jest starsza niż Słońce: Minimalni: 7% w ziemskich oceanach, 14% w kometach; Maksymalnie: 50% i % Nature, wrzesień

26 POCHODZENIE ATMOSFERY Problem: obecny skład (tlen) i jak doszło do jego ustalenia; Atmosfera z mgławicy słonecznej powinna mieć skład słoneczny; 26

27 EWOLUCJA ATMOSFERY 1. Pierwotny skład mgławicy słonecznej (H, He, woda, metan, amoniak) utracony (LHB, wiatr słoneczny etc.); 2. Kolejny etap: azot, dwutlenek węgla, gazy obojętne wulkany, LHB (asteroidy); 3. Kolejny etap: tlen. 27

28 POCHODZENIE ATMOSFERY Pierwotna atmosfera (wodór, metan, amoniak, woda?) wiatr słoneczny + zniszczona podczas LHB; Kolejny etap; skład atmosfery: azot (uwolniony z płaszcza Ziemi); siarka, wodór, para wodna (wulkany); dwutlenek węgla (dowód: występowanie kwasu węglowy było wietrzenie; źródło: płaszcz Ziemi + LHB); zawartość CO 2 : większa niż obecnie; dowody: wapienie, węgiel kamienny, ropa naftowa; Po LHB: oceany i atmosfera (N, CO 2, H 2 O); brak tlenu. 28

29 POCHODZENIE ATMOSFERY Skąd się wziął tlen? Tlen łatwo reaguje z innymi pierwiastkami (więc raczej nie z płaszcza); Do około 2 mld lat temu wietrzenie zachodziło w atmosferze pozbawionej tlenu; Brak tlenu umożliwia syntezę wielu związków organicznych niezbędnych do powstania życia; Mechanizm wytwarzania tlenu: wydajny (mamy tlen w oceanie, atmosferze, skały, minerały); Metabolizm eukariotów nie mógł się zacząć bez odpowiedniej ilości tlenu (0.2 1% dzisiejszej obfitości); początek ~2 mld lat temu (dowody: skamieniałości); eukarioty wynik długiej, mniej wydajnej fotosyntezy prokariotów. 29

30 POCHODZENIE ATMOSFERY Mechanizm 1: fotodysocjacja (fotoliza wody); pod wpływem UV woda rozpada się na wodór i tlen: 2H 2 O + UV 2H 2 + O 2, ale H 2 i O szybko się łączą chyba że usuniemy jeden z nich; H 2 O H + OH; powstaje rodnik OH; CO 2 CO + O; powstaje O; O + OH O 2 + H Wyższe warstwy atmosfery: H ulatnia się, O się gromadzi fotodysocjacja mln ton tlenu/rok (26 mld lat aby poziom tlenu = dzisiejszej wartości); Ograniczenie: wysoko w atmosferze powstaje ozon O 3 osłona przed promieniowaniem UV spowolnienie fotodysocjacji; 30

31 POCHODZENIE ATMOSFERY Mechanizm 2: fotosynteza: CO 2 + H 2 O + energia słoneczna O 2 + CH 2 O (materia organiczna) Fotosynteza: 20 mld ton/rok (wymóg: rośliny zielone); Mechanizmy produkcji tlenu: początkowo fotodysocjacja, fotoliza; potem fotosynteza. 31

32 POCHODZENIE ATMOSFERY Pierwsze organizmy zdolne do fotosyntezy tlenowej tlen w wodzie i reakcje O, Fe, C; Wzrost tlenu w atmosferze: gdy C w organizmach żywych (inaczej: tlen reaguje z metanem pod wpływem UV; maleje ilość metanu i zlodowacenia); Powstaje warstwa ozonowa, mniej UV; 0.2% to w atmosferze. 32

33 POCHODZENIE ATMOSFERY Katastrofa tlenowa: wymieranie bakterii beztlenowych katastrofa ekologiczna wielkie wymieranie; Hipoteza Medei Hipoteza Gai 33

34 SKĄD SIĘ WZIĘŁO ŻYCIE NA ZIEMI 34

35 SKĄD SIĘ WZIĘŁO ŻYCIE NA ZIEMI? Teoria 1 abiogeneza (samorództwo) organizmy żywe powstały w trakcie przemian chemicznych zachodzących na Ziemi; Teoria 2 panspermia komórki (lub materiał na komórki) dotarły na Ziemię z kosmosu; Teoria 3 scenariusz pośredni: związki organiczne, lub bardziej skomplikowane cząsteczki (enzymy) dotarły na Ziemię z kosmosu; życie rozwijało się na Ziemi i na innych ciałach niebieskich. 35

36 PANSPERMIA: PROBLEMY Prawdopodobieństwo transportu materiału biologicznego z planet (księżyców) na Ziemię: 1. Wybicie z obiektu macierzystego; 2. Podróż (czas trwania + niebezpieczne promieniowanie); 3. Ściągnięcie przez pole grawitacyjne innej planety; 4. Przejście prze atmosferę; 5. Uderzenie w planetę. 36

37 PANSPERMIA: PROBLEMY Transport z jednego obiektu na inny: Częste zjawisko w Układzie Słonecznym; Najczęściej (najłatwiej) z zewnętrznych do wewnętrznych części; Ważna: masa celu masywniejszy obiekt łatwiej wychwytuje materiał z kosmosu; np. Mars Ziemia (> 90%), Ziemia Mars (< 10%); Materiał wybity z powierzchni Marsa na Ziemię: ~1 tona/rok; różne orbity, różny czas podróży (do wielu mln. lat); 1/10mln podróż < rok. 37

38 PANSPERMIA: PROBLEMY Transport (problemy): wybicie z obiektu macierzystego (obserwacje i doświadczenia): 1. Są bakterie odporne na duże zmiany prędkości i przyspieszeń; 2. Temperatura po zderzeniu niższa od niszczącej materiał biologiczny; 3. Powód: impakt wywołuje falę ciśnienia dochodzi do powierzchni jej faza zmienia się o 180 stopni: przypowierzchniowa warstwa skał zerowe ciśnienie; głębsze warstwy duże ciśnienie. 38

39 PANSPERMIA: PROBLEMY Transport (problemy): przejście przez atmosferę i lądowanie na Ziemi: 1. W górnych warstwach atmosfery drobne ziarna pyłu są spowalniane; brak silnego nagrzewania; 2. Większe meteoryty: ważne: kąt i prędkość wejścia w atmosferę, skład i rozmiary meteorytu rozgrzanie i odparowanie lub spowolnienie; 3. Spowalnianie: topi się powierzchnia; przelot krótki, ciepło do kilku mm brak zagrożenia dla ukrytych głębiej organizmów. 39

40 METEORYTY MARSJAŃSKIE Meteoryty kamienne, achondryty Kwiecień meteoryty marsjańskie Pochodzenie skład chemiczny, izotopy, inkluzja gazów o składzie odpowiadającym atmosferze Marsa. NWA

41 METEORYTY MARSJAŃSKIE: ALH84001 ALH84001: Znaleziony w 1984 r., Ziemia Wiktorii; meteoryt z grupy SNC (shergottyty, nakhlity, chassignity); waga: 1.93 kg.; wybity z powierzchni Marsa ~15 mln. lat temu; na powierzchnię Ziemi spadł ~13000 lat temu (szacowanie pomiary radiometryczne, aktywność izotopów). Ślady marsjańskich form życia (1996 rok, Science); 41

42 METEORYTY MARSJAŃSKIE: ALH84001 ALH84001: Badania skaningowym mikroskopem elektronowym; Struktury: ślady skamieniałości podobnych do ziemskich bakterii; średnica: nm (podobnie jak średnica nanobakterii); Możliwość zanieczyszczenia przez ziemskie mikroorganizmy; Związki organiczne: aminokwasy, PAH (pochodzenie ziemskie?, związki organiczne niebiologicznego pochodzenia?); 42

43 METEORYTY MARSJAŃSKIE: ALH84001 ALH84001 po 20 latach od pierwszej publikacji: wciąż zagadka; Pochodzenie struktur: pozostałości po mikroorganizmach czy powstały bez udziału organizmów żywych? Najstarszy meteoryt marsjański; skała powstała ~4 mld. lat temu na Marsie; co działo się na Marsie w tym czasie? Odkrycie: węglany (rozmiary 300 mikronów): 1% skały, takie struktury powstają łatwo w obecności wody dowód na istnienie wody na Marsie; wewnątrz: skamieniałości o kontrowersyjnych kształtach; + związki organiczne = ślady życia? 43

44 METEORYTY MARSJAŃSKIE: ALH84001 Geologia + chemia: alternatywny sposób powstania węglanów, związków organicznych bez udziału organizmów żywych; Struktury bardzo małe nanobakterie; inne wyjaśnienie: powstały w trakcie przygotowania próbek do badań mikroskopem elektronowym; Magnetyt: (Fe 3 O 4 ) pospolity minerał; większość powstaje w procesach geologicznych (Fe lub Mg lub Cr); magnetyt z ALH84001 czysty chemicznie (Fe) 44

45 METEORYTY MARSJAŃSKIE: ALH84001 Czyste magnetyty: znane w biologii; Bakterie magnetytyczne tworzą łańcuch ziaren magnetytów (pomagają w orientacji przy poszukiwaniu składników odżywczych kompas); najsilniejsze magnetyty tworzy Fe; ziarna o podobnym rozmiarze; Takie magnetyty znaleziona w ALH84001 pochodzenie: marsjańskie mikroby? 45

46 METEORYTY MARSJAŃSKIE: ALH84001 Problemy: Gdzie powstał magnetyt? (w skale: nie) Pole magnetyczne Marsa musiało być silniejsze niż obecnie; Jest inne wyjaśnienie: geochemiczne (fala uderzeniowa podgrzała węglan i umożliwiła powstanie magnetytów) ale problemy: chłodzenie; nie udało się stworzyć podobnych struktur w laboratorium; Geochemiczne wyjaśnienie prostsze nie uwzględnia nieznanej marsjańskiej biologii; Natura jest nieskończenie skomplikowana 46

47 METEORYTY MARSJAŃSKIE Badanie własności magnetycznych meteorytów i uwięzionych gazów: ogrzanie do kilkuset stopni C od momentu oderwania od Marsa; Brak zmian wywołanych wysokim ciśnieniem fali uderzeniowej uderzenie nie podgrzało ich powyżej 100 stopni C; Na takie zmiany temperatur odporne są prokarioty (jednokomórkowe organizmy, bez jądra komórkowego np. bakterie) i eukarioty (organizmy z wyróżnionym jądrem komórkowym); Skały zawierające organizmy żywe nie są wyjałowione podczas przebywania w przestrzeni międzyplanetarnej. 47

48 PANSPERMIA: PROBLEMY Podróż w przestrzeni międzyplanetarnej: Próżnia; Ekstremalne temperatury; Promieniowanie, np. promieniowanie UV od Słońca (niszczy wiązania między atomami węgla; przenika tylko na kilka mm); 48

49 PANSPERMIA: PROBLEMY Podróż w przestrzeni międzyplanetarnej: Eksperyment: NASA, system długoczasowych pomiarów naświetlania LDEF (Long Duration Exposure Facility), 6 lat na orbicie okołoziemskiej, próbki z osłonkami na UV lub bez: temperatury od--200 do +100, próżnia; Bakterie: Bacillus subtilis Po powrocie na Ziemię: 80% reaktywowało funkcje biologiczne: Osłonka przed UV: cienka warstwa glinu; Bez osłonki: przetrwało 1/10 tyś, szanse przeżycia zwiększała obecność cukrów i soli; 49

50 PANSPERMIA: PROBLEMY Wynik eksperymentu: Mikroorganizmy mogą łatwo osłonić się przed UV; Jeśli mikroorganizmy będą wewnątrz ziarna pyłu skuteczna ochrona przed UV. Niska orbita okołoziemska obszar chroniony przez pole magnetyczne Ziemi; wpływ naładowanych cząstek na bakterie niezbadany. 50

51 PANSPERMIA: PROBLEMY Wysokoenergetyczne cząstki główny składnik promieniowania kosmicznego; są też produkowane przez Słońce; Promieniowanie wysokoenergetyczne i promieniowanie gamma destrukcyjny wpływ na organizmy; trudne do wyeliminowania; Bezpieczna głębokość: ~1m (meteoryt o średnicy 2 m); mało takich skał trafia na inną planetę; Ważne: odporność na promieniowanie, krótki czas trwania podróży. 51

52 PANSPERMIA: PROBLEMY Bakterie z wysoką odpornością na promieniowanie: Bacillus subtilis Deinococcus radiodurans (wewnątrz reaktorów jądrowych), odporna na promieniowanie, na brak wody; (formy ochrony: naprawa DNA, grube ściany komórkowe i in.) Takie bakterie wewnątrz meteorytu: przetrwają długą podróż międzyplanetarną. 52

53 PANSPERMIA: PODSUMOWANIE Panspermia jest teoretycznie możliwa, część hipotez sprawdzono już doświadczalnie: Meteoryty: materia podróżuje między planetami; Mikroorganizmy uwięzione w skale wybitej z Marsa mogły by przeżyć zarówno wyrzucenie w przestrzeń kosmiczną jak i podróż przez atmosferę Ziemi. 53

54 PANSPERMIA: PODSUMOWANIE Panspermia jest teoretycznie możliwa, ale: Hipoteza trudna do udowodnienia obecnie: czy odporne na promieniowanie bakterie są z innej planety? Dodatkowo: badamy współczesne organizmy; Nie znamy prawdopodobieństwa istnienia w przeszłości lub obecnie życia na innej planecie; czy na innej planecie wystąpiła abiogeneza? Jak długo mogła trwać? Transport + adaptacja: na niezamieszkanej planecie? Na zamieszkanej planecie? Pomocne: obserwacje (znamy tylko kilka procent bakterii zamieszkałych na Ziemi); Pomocne: odkrycie życia na innym obiekcie; jeśli biochemia tego życia będzie podobna do ziemskiej: problem panspermii pozostanie otwarty; biochemia różna? brak panspermii? czy są takie organizmy na Ziemi? 54

55 PANSPERMIA: PODSUMOWANIE: Jak powstało (skąd się wzięło życie na Ziemi) bardzo ważny problem; Potwierdzenie występowania panspermii: życie łatwo się przemieszcza; Niezależne organizmy żywe na Marsie (inna biochemia): abiogeneza może zachodzić w dowolnym miejscu we Wszechświecie; Porównanie organizmów: szersza definicja życia; prawa biologii: fundamentalne własności przyrody. 55

56 KONIEC 56