ASTROBIOLOGIA. Wykład 2

Transkrypt

1 ASTROBIOLOGIA Wykład 2 1

2 CZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ŻYCIU 2

3 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. 3

4 OBFITOŚCI PIERWIASTKÓW CHEMICZNYCH ASPLUND ET AL. (2009)

5 ŻYCIE OPARTE NA WĘGLU Węgiel najbardziej wszechstronny pierwiastek Układu Okresowego Ilość węgiel jest na 4 miejscu pod względem obfitości we Wszechświecie; 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 (i inne); Najwięcej różnorodnych funkcji na poziomie molekularnym. 5

6 ŻYCIE OPARTE NA WĘGLU 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 ewolucji. 6

7 ŻYCIE OPARTE NA WĘGLU 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 ~ 190 molekuł zawierających węgiel (molekuł opartych na krzemie 11 (5)). 7

8 ZWIĄZKI ORGANICZNE I NIEORGANICZNE Związki organiczne związki chemiczne, w skład których wchodzi węgiel, oprócz tlenków węgla, kwasu węglowego, węglanów, wodorowęglanów, węglików, cyjanowodoru, cyjanków, kwasu cyjanowego, piorunowego i izocyjanowego, a także ich soli. Związki nieorganiczne pozostałe, np. woda. Pierwiastki organiczne pierwiastki, które najczęściej występują w związkach organicznych. HONC +SP (heteroatomy) +fluorowce pierwiastki biofilne/biogenne główne składniki związków chemicznych tworzących żywe organizmy (pozostałe mikroelementy). 8

9 MAKROMOLEKUŁY (BIOLOGICZNE) Lipidy funkcje biologiczne: magazynowanie energii, tworzenie błon biologicznych, funkcja budulcowa, regulacyjna, lecznicza ( ), lipidy proste (np. tłuszcze właściwe), złożone, pochodne lipidów; Węglowodany C+H+O; funkcje: magazynowanie energii, transport, budulec, wchodzą w skład DNA i RNA, materiał energetyczny i odżywczy ( ), np. cukry proste; Proteiny (białka; zbudowane z aminokwasów) funkcje: kataliza enzymatyczna, transport, magazynowanie, impulsy nerwowe, kontrola wzrostu, funkcje budulcowe, strukturalne, immunologiczne, ( ), np. enzymy; Kwasy nukleinowe (zbudowane z nukleotydów) funkcje: przechowywanie informacji genetycznej, produkcja białek, niezbędne do funkcjonowania komórki ( ), np. DNA i RNA. 9

10 ŻYCIE OPARTE NA KRZEMIE? Krzem przypomina węgiel pod niektórymi względami: obfitość we Wszechświecie, drugi najważniejszy pierwiastek w skorupie ziemskiej (po tlenie). 10

11 ŻYCIE OPARTE NA KRZEMIE? Krzem przypomina węgiel pod niektórymi względami: węgiel: metan CH 4, krzem: krzemowodory SiH 4 krzemiany analogi węglanów; tworzy wiązania kowalencyjne (łańcuchy i pierścienie); może tworzyć molekuły wystarczająco duże do przenoszenia informacji genetycznej; utlenianie: C: ditlenek węgla; Si: ciało stałe (ditlenek krzemu tworzy sieć krystaliczną); energia: C: węglowodany; Si: mała różnorodność problem? 11

12 ŻYCIE OPARTE NA KRZEMIE? 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. Molekuły z Si w Kosmosie 12

13 ŻYCIE OPARTE NA KRZEMIE? 13

14 ŻYCIE OPARTE NA ARSZENIKU? Arszenik As 2 S 3 związek nieorganiczny; chemicznie podobny do fosforu: alternatywny związek budowy organizmów żywych; wczesna Ziemia: niektóre organizmy mogły go używać zamiast fosforu do budowy DNA; niektóre bakterie, algi i grzyby produkują lub używają arszeniku metabolizm. 14

15 ŻYCIE OPARTE NA ARSZENIKU? 2010, Felisa Wolfe-Simon, mikrobiolog, California, NASA, Science Odkrycie bakterii, która wykorzystuje arszenik w miejsce fosforu; czyli jedyna znana formą życia, która wykorzystuje w podstawowej strukturze swoich cząsteczek inny, niż pozostałe organizmy, zestaw (HONC+SP) podstawowych pierwiastków. Bakteria: GFAJ-a, odkrycie: Mono Lake GFAJ-a ekstremofil 15

16 ŻYCIE OPARTE NA BORZE? Bor, podobnie jak Ca i Si łatwo tworzy połączenia molekularne; Łączy się z N połączenia podobne jak C-C. Składowe B-N chemiczne i fizyczne własności podobne do alkanów i węglowodorów aromatycznych; Rozpuszczalnik amoniak niskie temperatury. Problem: brak analogów do wodorotlenków; Problem: mała obfitość boru. Keequay 16

17 ŻYCIE OPARTE NA FOSFORZE? Fosfor niezbędny dla życia na Ziemi; fosfor fosforany są ważne w strukturze DNA i w molekule ATP; Mało prawdopodobne; Rozpuszczalnik/ośrodek PH 3 (fosforowodór); Zdolny do łączenia się z C, Si, N; Obfitości 17

18 OŚRODEK WODA H 2 O Obfitości: Wodór najobfitszy pierwiastek; Tlen trzeci najbardziej obfity pierwiastek we Wszechświecie; Woda występuje na Ziemi i innych obiektach Układu Słonecznego; 18

19 OŚRODEK WODA 19

20 OŚRODEK WODA Zalety H 2 O: 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; 20

21 OŚRODEK WODA Zalety H 2 O: 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. 21

22 OŚRODEK Inne możliwości: amoniak, kwas siarkowy, formamid, metan, etan, ciekły azot 22

23 OŚRODEK AMONIAK Amoniak NH 3 obfity we Wszechświecie; liczne reakcje chemiczne z udziałem amoniaku; ciekły amoniak ma podobne własności jak płynna woda; może rozpuścić większość molekuł organicznych a także wiele metali; wiele analogów wody: NH 4 + H 3 O + ; NH 2 OH ; 23

24 OŚRODEK AMONIAK Amoniak jako podstawa życia: Problem: wiązania wodorowe między molekułami są słabe (to określa temperaturę parowania, napięcie powierzchniowe, ogranicza zdolność do koncentracji cząstek) z materii prebiotycznej nie powstałyby organizmy żywe. Problem: stan ciekły cieśnienie i temperatura; Problem: amoniak jest palny w obecności tlenu i nie może istnieć w sposób trwały w środowisku odpowiednim dla metabolizmu tlenowego. 24

25 OŚRODEK AMONIAK 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; (wyższe ciśnienie wyższa temperatura stanu ciekłego) reakcje chemiczne na ogół przebiegają wolniej przy niższej temperaturze. życie na bazie amoniaku może metabolizować wolniej i rozwijać się wolniej niż życie na Ziemi. 25

26 OŚRODEK AMONIAK Amoniak: ciekły w wyższych temperaturach, ale przy znacznie wyższym ciśnieniu; na przykład, przy 60 atm: -77 C +98 C. Amoniak może być odpowiednim ośrodkiem na planetach i księżycach orbitujących poza strefą habitacyjną; np. pod powierzchnią największego księżyca Saturna, Tytana. 26

27 OŚRODEK METAN Metan CH 4 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. 27

28 OŚRODEK METAN Metan CH 4 i inne węglowodory: woda tworzy silne wiązania wodorowe problem dla wiązań wodorowych złożonych cząstek organicznych; węglowodory nie ma tego problemu. dobry ośrodek w niskich temperaturach; możliwość: Tytan (źródło energii: reakcje węglowodorów z H zmiana acetylenu w metan); obserwacje: duże obfitości molekularnego H w górnych warstwach atmosfery Tytana 28

29 ŹRÓDŁO ENERGII PROMIENIOWANIE SŁONECZNE: FOTOSYNTEZA Fotosynteza: Podstawowe źródło energii dla życia na Ziemi; Fotosynteza: proces wytwarzania związków organicznych z materii nieorganicznej; 29

30 ŹRÓDŁO ENERGII PROMIENIOWANIE SŁONECZNE: FOTOSYNTEZA Etapy fotosyntezy: 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. Substraty: CO 2 i H 2 O Produkt: węglowodany i tlen Źródło światła: Słońce 30

31 MATERIA ORGANICZNA WE WSZECHŚWIECIE 31

32 MOLEKUŁY W KOSMOSIE Liczba zaobserwowanych molekuł: 189 (październik 2014), w tym 59 również poza Galaktyką Bez C: 42; Si: 11, Si bez C: 5 32

33 MOLEKUŁY POZAGALAKTYCZNE 33

34 Relative intensity WIDMA MOLEKUŁ 0.9 OII* OII* OII* OII* CH A-X HD E(B-V)=1.1 HARPS R=115, Wavelength (A) 34

35 WIDMA MOLEKUŁ Powstawanie: przejścia elektronów pomiędzy poziomami energetycznymi: część widzialna i ultrafioletowa widma rotacyjne: część radiowa, mikrofale widma oscylacyjne (wibracyjne): część podczerwona. 35

36 WIDMA MOLEKUŁ 37

37 WIDMA MOLEKUŁ Widma rotacyjne wynikają z rotacji molekuł Oddziaływanie promieniowania z rotującymi molekułami: reguły wyboru: o hv = E o J = +1 o Trwały moment dipolowy molekuły (molekuła bez momentu dipolowego nie może być pobudzona do rotacji przez prom. elektrom.) Analiza widma rotacyjnego: o o o Struktura geometryczna molekuły; Moment dipolowy (poprzez efekt Starka); Ograniczenia: reguły wyboru; substancja w fazie gazowej; skomplikowane widmo molekuł wieloatomowych asymetrycznych. 38

38 WIDMA MOLEKUŁ Widmo rotacyjne 12 C 16 O 39

39 WIDMA MOLEKUŁ Widma oscylacyjne zręby atomowe oscylują wokół położenia równowagi; Analiza widma oscylacyjnego: m.in. odległości poziomów energetycznych; Oddziaływanie promieniowania z oscylującymi molekułami o Rodzaje drgań; redukcja degeneracja drgań związana z symetrią molekuły; o Nie każdy oscylator może oddziaływać z promieniowaniem. o Reguły wyboru: hv = E, θ = ±1, ±2 (przejścia między poziomami dla oscylatora harmonicznego), prawdopodobieństwo przejścia; o Obserwacje: podczerwień; 40

40 WIDMA MOLEKUŁ Widma oscylacyjno-rotacyjne Analiza widm: struktura molekuły 41

41 Relative intensity PIERWSZE ZNANE MOLEKUŁY Pierwsze obserwacje: 1937: , , : w materii międzygwiazdowej (wąskie pasma): CN, CH, CH + Pierwsza zidentyfikowana molekuła: metylidyn CH o H obfitość, C tworzy największą ilość związków chemicznych; o Bardzo reaktywny; odkrycie potwierdza małą gęstość ośrodka A A 1.0 UVES R=80,000 HARPS R=115,000 HARPS R=115,000 C - X A A B - X A A A - X 0.8 HD ph Radial velocity (km/s) A 42

42 Relative intensity PIERWSZE ZNANE MOLEKUŁY Pierwsze obserwacje: 1937: , , : w materii międzygwiazdowej (wąskie pasma): CN, CH, CH+ Kolejna molekuła: CN (cjan) 1.2 HD FeI HD CN CH CH CH CN 0.6 CN Wavelength 43

43 Relative intensity EW(CH ) PIERWSZE ZNANE MOLEKUŁY HD Y = 1.06X R= HD HD HD Wavelength EW(OH ) 44

44 MOLEKUŁA H 2 Najobfitsza molekuła we Wszechświecie; Trudna do obserwacji: UV. 45

45 Relative intensity MOLEKUŁA H 2 Najobfitsza molekuła we Wszechświecie; Trudna do obserwacji: UV. 1.5 CI lines and CO band in HST high resolution spectra HD N(H 2 )=0.29EW(CH)x10 20 /cm HD CO H 2 column density /cm Wavelength r= CH equivalent width (ma) 46

46 MOLEKUŁA C 2 Bliska podczerwień pasma Philipsa Zaburzenia: linie telluryczne Zależy od: temperatury rotacyjnej od K 47

47 FULERENY C 60 i C na Ziemi 2003 meteoryty 2009 ISM? 2010 mgławica NGC C 60 i C 70 w mgławicy planetarnej Tc1 i trzech innych PN i w SMC 48

48 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE OBŁOKI MOLEKULARNE Obłoki molekularne o Ekstyncja: kilka mag o Temperatury: K o Gęstości: cm -3 o Masy: M sun o Rozmiary: pc (1 pc 3,2616 r.ś.) Barnard 68 50

49 OBŁOKI MOLEKULARNE 51

50 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE OBŁOKI MOLEKULARNE Obłoki molekularne o Ekstyncja: kilka mag o Temperatury: K o Gęstości: cm -3 o Masy: M sun o Rozmiary: pc Molekuły H 2 Molekuły organiczne : CH, CH +, CN DIB (diffuse interstellar band), ~400 ( Å) niezidentyfikowane 52

51 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE OBŁOKI MOLEKULARNE Obłoki molekularne o Ekstyncja: kilka mag o Temperatury: K o Gęstości: cm -3 o Masy: M sun o Rozmiary: pc Molekuły H 2 Molekuły organiczne : CH, CH +, CN DIB (diffuse interstellar band), ~400 ( Å) niezidentyfikowane. 53

52 DIB (DIFFUSE INTERSTELLAR BAND) Dyfuzyjne pasma międzygwiazdowe; 1922 odkrycie; Cechy absorbcyjne, UV, viz, IR, ~400 Pochodzenie: nieznane; wiele propozycji ale nie do odtworzenia w laboratorium. 54

53 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE OBŁOKI MOLEKULARNE Obłoki molekularne o o Ekstyncja: kilka mag Temperatury: K o Gęstości: cm -3 o o Masy: M sun Rozmiary: pc Molekuły H 2 Molekuły organiczne : CH, CH +, CN DIB (diffuse interstellar band), ~400 ( Å) niezidentyfikowane. UIR (unidentified infrared bands) (PAH, policyclic aromatic hydrocarbon, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne) 55

54 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE MGŁAWICE PLANETARNE Mgławice planetarne obłoki gazu i pyłu, zewnętrzne warstwy gwiazdy koniec ewolucji; Molekuły: PAH (policyclic aromatic hydrocarbon), związki alifatyczne (łańcuchowe): 3,4 m w emisji; Aromatyczne > alifatyczne w PN w porównaniu z wcześniejszymi etapami ewolucji, większe niż w ISM; DIBs 56

55 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE GĘSTE OBSZARY POWSTAWANIA GWIAZD Obszary powstawania gwiazd gaz + plazma; rozmiary: ~kilkaset lat św.; niejednorodne kształty. Molekuły: Łańcuchy węglowe HC 9 N Ujemne jony C 6 H -, C 8 H - CH 2 CHCH 3 COMs (complex organic molecules) CH 3 OH, CH 3 OCH 3 C 2 H 57

56 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE DYSKI PROTOPLANETARNE Dyski protoplanetarne dysk pyłowo gazowy wokół młodej gwiazdy; przed rozpoczęciem reakcji jądrowych w centrum; Molekuły organiczne: PAHs i nieorganiczne: H 2 O 59

57 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE KOMETY 60

58 MATERIA ORGANICZNA W KOSMOSIE KSIĘŻYCE, METEORYTY, IDP (INTERPLANETARY DUST PARTICLES) 61

59 H 2 O H 2 O jest wszędzie w Układzie Słonecznym; Obszary powstawania gwiazd; Dyski protoplanetarne; Kwazar APM ; Inne galaktyki. 62

60 JAK POWSTAJĄ MOLEKUŁY? 64

61 JAK POWSTAJĄ MOLEKUŁY? 65