GLOBALNE CYKLE BIOGEOCHEMICZNE pierwiastki życia

Transkrypt

1 GLOBALNE CYKLE BIOGEOCHEMICZNE pierwiastki życia

2 Grzyby Istotny czynnik wietrzenia skał dzięki włóknistej strukturze grzybni oraz zdolności do wydzielania kwasów organicznych i protonów.

3 Pierwiastki niezbędne dla życia C, H, O, N, P, S 95% biosfery

4 Rola CHONSP Poniższe monomery: oraz fosforany tworzą podstawowe typy polimerów niezbędne wszystkim organizmom żywym DNA I RNA reprodukcja i naprawy usterek Białka - tworzą lokalne struktury Fosfolipidy membrany Wielocukry stabilizacja ścian

5 Szczególna rola wodoru Oprócz bycia niezbędnym składnikiem molekuł organicznych jest czynnikiem w równowadze kwasowo-zasadowej oraz uczestniczy w reakcjach redoks. Jon wodorowy powstaje w wyniku rozbicia molekuły wody w fotosyntezie Powstający w membranach komórkowych gradient H+ jest źródłem energii dla dalszych etapów fotosyntezy

6 Pierwiastki niezbędne dla życia Pierwiastek znaczenie biologiczne toksyczność dla zwierząt H składnik związków organicznych B istotny dla roślin lekka C składnik wszystkich związków organicznych zależy od formy chemicznej N składnik białek zależy od formy chemicznej O niezbędny do oddychania ozon, nadtlenki F istotny pierwiastek śladowy (2,5 ppm) nadmiar szkodliwy Na elektrolit w roztworach biologicznych, działanie nerwów nadciśnienie Mg enzymy, chlorofil niska

7 Pierwiastki niezbędne dla życia Pierwiastek znaczenie biologiczne toksyczność dla zwierząt Si istotny pierwiastek śladowy dla niektórych zwierząt, składnik strukturalny niektóre związki toksyczne P ważny dla procesów metabolicznych, kości, zęby, fosfolipidy niewielka dla fosforanów oprócz ich estrów (insektycydy) Cl elektrolit w roztworach biologicznych niska dla Cl-, wysoka dla Cl2 i form utlenionych K działanie nerwów niska Ca kości, muszle, enzymy niska V enzymy, metabolizm choroby płuc Cr metabolizm cukrów toksyczny i karcynogenny w formie Cr(VI), mniej jako Cr(III)

8 Pierwiastki niezbędne dla życia Pierwiastek znaczenie biologiczne toksyczność dla zwierząt Mn wiele enzymów umiarkowana Fe potrzebny w znacznych ilościach, transport tlenu oddychanie i inne enzymy niska Co ważny dla wielu organizmów, enzymy, witamina B12 toksyczny Ni istotny pierwiastek śladowy toksyczny, karcynogenny w niektórych formach Cu istotny pierwiastek śladowy, enzymy redoks umiarkowanie dla ssaków, bardziej dla innych organizmów Zn istotny pierwiastek śladowy, wiele enzymów lekka As istotny pierwiastek śladowy bardzo, karcynogen

9 Pierwiastki niezbędne dla życia Pierwiastek znaczenie biologiczne toksyczność dla zwierząt Se istotny pierwiastek śladowy, enzymy, chroni przed metalami ciężkimi bardzo toksyczny Br prawdopodobnie istotny pierwiastek śladowy nietoksyczny jako Br- Mo istotny pierwiastek śladowy, enzymy (m. in. asymilacja N) umiarkowanie może utrudniać wchłanianie Cu Sn istotny pierwiastek śladowy niska I tarczyca niska jako I- W składnik enzymów zwykle organizmów żyjącychnierozpuszczalny, przy podmorskich nietoksyczny źródłach hydrotermalnych

10 Pochodzenie pierwiastków Rozpowszechnienie pierwiastków w Układzie Słonecznym log (N) [Si = 6] 12 H He CO 8 N 4 0 Li Be B Th U liczba atomowa Lekkie (N<30) pierwiastki dominują. 2. Pierwiastki o parzystych liczbach atomowych są bardziej rozpowszechnione niż te o liczbach nieparzystych. Przyczyny: przebieg nukleosyntezy.

11 Pierwiastki niezbędne dla życia C, H, O, N, P, S 95% biosfery

12 Powstanie Układu Słonecznego i Ziemi Układ Słoneczny powstał przed 4,6 miliardów lat z materii pozostałej po wybuchu supernowej. Pierwotna Ziemia była bardzo gorąca i pozbawiona atmosfery. Ochłodzenie Ziemi i spowolnienie bombardowania przez meteoryty umożliwiły pojawienie się ciekłej wody 3,8 mld. lat temu. Gazy, oprócz N2, rozpuściły się w pierwotnym oceanie tworząc kwasy zneutralizowane następnie w procesach wietrzenia chemicznego.

13 Wczesna Ziemia kształtowana przez procesy fizyczne Proces Rezultat Grawitacyjne osiadanie materii Uformowanie 4,5 mld. lat temu Ziemi bogatej w Fe Zapadnięcie się stopionego żelaza w głąb i utworzenie ciekłego jądra Powstanie pola magnetycznego Oderwanie Księżyca Ustalenie osi, wydłużenie dnia z 5 do 24 h Schłodzenie Ziemi Powstanie skorupy i płaszcza Bombardowanie przez meteoryty Powtórne stopienie płaszcza Być może powstanie kwaśnego morza Dalsze bombardowanie Wprowadzenie związków organicznych, np. aminokwasów

14 Wczesna Ziemia kształtowana przez procesy fizyczne Proces Rezultat Drugie schłodzenie Ziemi Uformowanie 4 mld. lat temu powierzchni Ziemi Aktywność wulkaniczna Środowisko bogate w CO2 i H2S Głębokie pęknięcia dna oceanicznego Środowisko, w którym powstało życie?

15 Historia atmosfery

16 Eksperyment Ureya i Millera C + H + O + N + energia = aminokwasy Aminokwasy to jeszcze nie życie. Potrzebne są bardziej złożone molekuły. Jak powstały?

17 Powstanie złożonych molekuł organicznych i funkcji życiowych Zaproponowano wiele mechanizmów, np.: matryce minerałów ilastych koacerwaty prymitywne błony komórkowe zdolność pewnych molekuł organicznych do samo-replikacji, np. RNA

18 Chemotypy Klasyfikacja organizmów ze względu na kluczowe dla ich życia procesy chemiczne Prokariota Chemoautotrofy Fotoautotrofy Aeroby Energia z utlenionych substancji Fe3+, SO42-, NO3Energia ze światła Tolerują i wykorzystują O2 Wykorzystują Mg2+, Fe2+, Mo Jednokomórkowe Eukariota Cholesterol, sygnały przekazywane przez Ca2+ roślinne grzybowe zwierzęce fotosyntetyczne, osiadłe zależne od roślin, osiadłe trawiące, ruchome, wykorzystują Cu i Zn

19 Chemotypy Wielokomórkowe Eukariota Rośliny fotosyntezujące, osiadłe Grzyby tworzą strzępki, osiadłe Zwierzęta ruchome organizmy obdarzone zmysłami i układem nerwowym wykorzystujące Na, K, Cl Ludzkość Wiele nowych sposobów wykorzystania substancji chemicznych i źródeł energii

20 ?

21 Czas powstania najważniejszych grup organizmów (chemotypów) Organizm Przybliżony czas powstania Prokariota Aerobowe Prokariota (4,0 3,5) 109 3,0 2,5 109 Jednokomórkowe Eukariota (2,5 2,0) 109 Wielokomórkowe Eukariota Rośliny i zwierzęta 1, Zwierzęta z układem nerwowym (250) 106 Ludzkość 1 105

22 Rozpowszechnienie pierwiastków w skorupie ziemskiej i w organizmach ludzkich [ppm] (Exley, 2003) miejsce ludzie litosfera ludzie/litosfera 1 O O N Si C C Al H H 66 4 Fe N P 11 5 Ca Ca S 8 6 Na P Cd 7 7 Mg S 2000 O 1,3 8 K K 2000 Zn 0,44 9 H 1520 Na 1429 Ca 0,35 10 P 1000 Mg 271 Pb 0, Mn 950 Fe 60 K 0, C 480 Zn 33 Na 0, S 260 Pb 1,7 Cu 0,02 14 Ni 80 Cu 1,0 Mg 0, Zn 75 Si 1,0 Fe 0, Cu 50 Al 0,9 Ni 0, N 25 Cd 0,7 Mn 0, Pb 14 Mn 0,2 Al. 0, Cd 0,11 Ni 0,02 Si 0,000004

23 Rozpowszechnienie pierwiastków w skorupie ziemskiej i w organizmach ludzkich [ppm] (Exley, 2003) miejsce ludzie litosfera ludzie/litosfera 1 O O N Si C C Al H H 66 4 Fe N P 11 5 Ca Ca S 8 6 Na P Cd 7 7 Mg S 2000 O 1,3 8 K K 2000 Zn 0,44 9 H 1520 Na 1429 Ca 0,35 10 P 1000 Mg 271 Pb 0, Mn 950 Fe 60 K 0, C 480 Zn 33 Na 0, S 260 Pb 1,7 Cu 0,02 14 Ni 80 Cu 1,0 Mg 0, Zn 75 Si 1,0 Fe 0, Cu 50 Al 0,9 Ni 0, N 25 Cd 0,7 Mn 0, Pb 14 Mn 0,2 Al. 0, Cd 0,11 Ni 0,02 Si 0,000004

24 Biogeochemiczna ewolucja ludzie/litosfera N 1029 C 476 H 66 P 11 S 8 Cd 7 O 1,3 Zn 0,44 Ca 0,35 Pb 0,121 K 0,095 Na 0,062 Cu 0,02 Mg 0,012 Fe 0,0015 Ni 0,00025 Mn 0,00021 Al. 0, Si 0, czas Życie bez udziału tlenu Pojawienie się tlenu Chemia metali

25 Człowiek zwiększa rozpowszechnie glinu w biosferze Historia glinu Małe znaczenie Al w niezaburzonych cyklach biogeochemicznych związane było ze słabą rozpuszczalnością jego związków. Człowiek znacznie zintensyfikował obieg Al poprzez produkcję aluminium i wpływ na procesy wietrzenia. W efekcie działalności człowieka znacznie wzrosły strumienie Al do biosfery. Potencjalne skutki zintensyfikowania obiegu Al dla biosfery, w szczególności dla człowieka (choroba Alzheimera, cukrzyca) nie są znane.

26 Okresy geologiczne Era Okres Przedział czasu (mln. lat temu) Kenozoik Czwartorzęd Trzeciorzęd 1,6 65 1,6 Mezozoik Kreda Jura Trias Paleozoik Perm Karbon Dewon Sylur Ordowik Kambr (Prekambr) Proterozoik (eon) Archaik (eon) Hadean (eon)

27 Granice życia - Archeowce Organizmy potrafią wykorzystywać wszelkie pary reakcji redoks do pozyskiwania energii. Prosta struktura umożliwia archeowcom przetrwanie w ekstremalnych warunkach: - niskie i wysokie temperatury niskie i wysokie ph wysokie ciśnienia ograniczona dostępność wody duże zasolenie duże dawki promieniowania

28 Smokersy Podmorskie gejzery, zlokalizowane w ryftach oceanicznych.

29 Smokersy Podmorskie gejzery, zlokalizowane w ryftach oceanicznych. Odkryte w 1977, są siedliskiem nieznanych wcześniej form Życia, nie wykorzystujących energii Słońca

30 Lost City System hydrotermalny na śródoceanicznym Grzbiecie Atlantyckim. Zasilany abiotycznym CH4 i H2 powstającymi podczas serpentynizacji świeżego perydotytu przez wodę morską. temperatura wody: 40º - 90ºC ph wody: 9 11 Niezwykła bioróżnorodność i duża biomasa oparte o organizmy chemoautotroficzne.

31

32 Historia tlenu 3,8 mld lat temu SINICE cyanobacteria Pierwsze fotosyntezujące organizmy

33 Stromatolity

34 Wstęgowe formacje żelaziste Banded Iron Formations Głównie 3 1,8 mld lat temu

35 Historia tlenu 2,4 mld lat temu Tlen obecny w atmosferze, wpływał na zachodzące w niej procesy chemiczne. Organizmy tlenowe mogły być skupione w oazach utleniając środowisko tylko lokalnie.

36 Historia tlenu 1,9 mld lat temu Najstarsze makroskopowe skamieniałości organizmów wymagających do życia tlenu

37 Historia tlenu Dopiero 0,6 mld lat temu Zawartość tlenu w atmosferze wzrosła do poziomu bliskiego obecnemu i pojawiły się, najpierw w morzach, rośliny podobne współczesnym.

38 Stężenie tlenu Historia tlenu Miliony lat temu Stężenie tlenu wyrażone jako ułamek stężenia w obecnej atmosferze (21%)

39 Życie na Marsie? Warunki niezbędne dla powstania życia: woda związki węgla źródła energii

40 Życie na Marsie? woda podobieństwo wczesnych historii Ziemi i Marsa (ciepły, wilgotny klimat) geomorfologiczne dowody obecności wody na powierzchni Marsa

41 Życie na Marsie? woda

42 Życie na Marsie? Związki węgla obecne w marsjańskich meteorytach możliwe źródła (również dla Ziemi): meteoryty, komety i pył międzygwiezdny

43 Życie na Marsie? energia światło słoneczne reakcje redoks źródła hydrotermalne

44 Życie na Marsie? Przekazanie form życia pomiędzy Ziemią i Marsem za pośrednictwem meteorytów?