Więcej informacji: Young Sun, Early Earth and the Origins of Life, Gargaud i in., Springer 2012.

Transkrypt

1 Wystawa ta wprowadzi cię w główne etapy historii naszej planety, od powstania Układu Słonecznego 4,57 miliarda lat temu do momentu powstaniaidywersyfikacjiżycianaziemi. Opieka naukowa: Muriel Gargaud astrofizyka, CNRS-Université de Bordeaux, Francja, Purificación López-García mikrobiologia, CNRS-Université Paris-Sud, Francja, Hervé Martin geochemia, Université de Clermont Ferrand, Francja, Thierry Montmerle astrofizyka, Institut d Astrophysique de Paris, Francja, Robert Pascal, chemia, Université Montpellier 2, Francja. Więcej informacji: Young Sun, Early Earth and the Origins of Life, Gargaud i in., Springer Wystawa jest częścią europejskiego programu COST TD1308 Origins and Evolution of Life in the Universe a także programu Erasmus + European Astrobiology Campus.

2 1 Około 4750 milionów lat temu POCZĄTKI UKŁADU SŁONECZNEGO Z obłoku międzygwiezdnej do dysku protoplanetarnego Fig. 1 Młoda gwiazda HH30 (w gwiazdozbiorze Byka). Mniej niż milion lat po swoim narodzeniu nasze Słońca musiało przypominać tę gwiazdę. Widoczny jest dysk protoplanetarny o rozszerzającym się kształcie oraz dwubiegunowe, położone prostopadłe do dysku symetryczne dżety (promień dysku protoplanetarnego jest 4 razy większy od dzisiejszego Układu Słonecznego). 4,57 miliarda lat temu, gdzieś w naszej galaktyce zwanej Drogą Mleczną, pod wpływem grawitacji doszło do kondensacji gazu i pyłu we wnętrzu obłoku międzygwiezdnego. W jego centrum, uformował się zalążek protogwiazdy, naszego przyszłego Słońca. Reszta materii utworzyła relatywnie oddzieloną otoczkę, swobodnie upadającą na powierzchnię tego zalążka przez otaczający dysk protoplanetarny. Po stu tysiącach lat narodziła się protogwiazda. Przyszła gwiazda przeszła prawdziwą metamorfozę: w ciągu milionów lat jej otoczka stała się coraz cieńsza, a centralnie położona gwiazda rosła kosztem dysku protoplanetarnego, równocześnie wyrzucając część materii w postacie dwubiegunowych dżetów.

3 2 Pomiędzy 4570 a 4560 milionów lat temu NARODZINY UKŁADU SŁONECZNEGO. Powstanie planet olbrzymów Fig. 2 Fragment meteorytu Allende. Ten spadły w Meksyku w 1969 roku meteoryt, zawiera radioaktywne pierwiastki odziedziczone po okresie, w którym powstał Układ Słoneczny. Ich ślady są widoczne również obecnie. Pozwoliło to na bardzo dokładne określenie wieku Układy Słonecznego na 4,5685 miliarda lat. W tym czasie dysk protoplanetarny przeszedł wyraźną zmianę. Dzięki mechanizmom nadal bardzo słabo rozumianym, ziarna pyłu szybko rosły do utworzenia grudek o rozmiarach do kilometra znane, jako planetozymale. Te z kolei zderzały się ze sobą by w przeciągu kilku milionów lat dać początek zarodkom planet. Te ostatnie, dzięki swojej grawitacji bardzo szybko gromadziły gaz pochodzący z dysku w swojej okolicy, aż osiągnęły wagę kilkudziesięciu mas Ziemi. Planety olbrzymy powstały właśnie w taki sposób. W przeciągu 10 milionów lat, dysk znikł a w Układzie Słonecznym pozostały: gazowe giganty powstałe w zewnętrznych regionach dysku, planetozymale, które przetrwały proces powstawania planet, meteoryty, które są pozostałościami po kolizjach pomiędzy planetozymalami.

4 3 Pomiędzy 4560 a 4500 milionów lat temu Fig. 3 Powstanie Księżyca. Przez kilkadziesiąt milionów lat po narodzinach Układu Słonecznego miała miejsce olbrzymia ilość kolizji. Niektóre odłamki mogły pozostać na orbicie dookoła jednego z obiektów uczestniczących w kolizji a następnie w wyniku zderzeń ze sobą utworzyć nowe ciało satelitę. Właśnie w taki sposób powstał nasz Księżyc, w wyniku gigantycznej kolizji pomiędzy formującą się Ziemią a ciałem o rozmiarach Marsa około 70 milionów lat po powstaniu Układu Słonecznego. OKRES NIEMOWLĘCY UKŁADU SŁONECZNEGO. Powstanie planet skalistych Z całego mnóstwa planetozymali, które ciągle istniały i były po wpływem perturbacji grawitacyjnych spowodowanych przez gazowe olbrzymy, powstała druga kategoria znacznie mniejszych ciał. Są to planety skaliste lub typu ziemskiego. Merkury, Wenus, Ziemia i Mars. Zderzenia stopniowo stawały się rzadsze i rzadsze, nie mniej ciągle były bardzo gwałtowne. Trwało to kilkadziesiąt milionów lat. Jedna z ostatnich takich kolizji pomiędzy młodą Ziemią a ciałem o rozmiarach Marsa dała początek Księżycowi.

5 4 Pomiędzy 4560 a 4500 milionów lat temu POCHODZENIE WODY NA ZIEMI Znaczenia źródeł pozaziemskich Fig 4 Asteroida 433 Eros widziana przez sondę kosmiczną NEAR Shoemaker. To małe ciało (33 km długości) obecnie należy do Pasa Planetoid. Pomiędzy 4,56 a 4,50 mld lat temu, obiekty tego typu znajdowały się znacznie dalej od Słońca niż obecnie i zawierały znacznie więcej lodu. Prawdopodobnie odpowiedzialne były za dostarczenie znacznych ilości wody na Ziemie. Woda została dostarczona na Ziemię w końcowym etapie okresu formowania się planet skalistych lub w okresie zaraz następującym, gdy nasz planeta wystarczająco się ochłodziła. Komety, składające się głównie z lodu i pyłu mogłyby być jednym ze źródeł wody. Niestety, badania składu izotopowego wodoru (stosunek zawartości protu i deuteru) wskazują, iż maksymalnie tylko 20% ziemskiej wody może mieć takie pochodzenie. Wydaje się, zatem, że woda powinna pochodzić z końcowego etapu akrecji, dostarczona z planetozymalami pochodzącymi z zewnętrznego pasa asteroid, lub nieco późniejszego, wraz z meteorytami w czasie bombardowań po powstaniu Ziemi. Dodatkowo, woda dostarczona przez mikrometeoryty reprezentuje dodatkowe zasilanie do hydrosfery, którego nie można pominąć.

6 5 Około 4500 milionów lat temu POCZĄTEK DYFERENCJACJI WNĘTRZA ZIEMII Oddzielenie się jądra i płaszcza, powstanie oceanu magmy W ciągu pierwszych 70 milionów lat istnienia Układu Słonecznego, powstała jednolita wewnętrznie Ziemia. Około 4500 milionów lat temu żelazo i krzemiany rozdzieliły się. Z powodu większej gęstości, żelazo skoncentrowało się we wnętrzu planety i uformowało jądro. Krzemiany, będąc lżejsze, pozostały na zewnątrz i utworzyły płaszcz. Rotacja stałego jądra wewnętrznego w ciekłym jądrze zewnętrznym stała się źródłem ziemskiego pola magnetycznego, które nawet dziś ciągle chroni powierzchnię planety przed wiatrem słonecznym. Fig. 5 Schematyczny przekrój dzisiejszej Ziemi pokazuje jej wewnętrzne struktury. Stałe jądro wewnętrzne (turkusowy), ciekłe jądro zewnętrzne (szare), płaszcz (zielony) a także skorupa oceaniczna i kontynentalna (brązowy). W tym samym czasie, energia grawitacyjna uruchomiona w czasie ziemskiej akrecji razem z tą powstałą w czasie rozpadu pierwiastków radioaktywnych (które powszechnie występowały) spowodowały stopie się najbardziej zewnętrznej części ziemskiego płaszcza, dając początek oceanowi magmy.

7 6 Około 4400 milinów lat temu Fig. 6 Archaiczne kryształy cyrkonu: kryształy te są podobne do odkrytych w Jack Hills we Zachodniej Australii cyrkonów o wieku 4,4 mld lat. Cyrkon, o składzie ZrSiO 4, jest minerałem bardzo odpornym na wietrzenie, zawierającym radioaktywne pierwiastki takie jak tor czy uran, które pozwalają na łatwe datowanie jego powstania. Dzięki temu są one doskonałym archiwum historii Ziemi. PIERWSZE KONTYNENTY, PIERWSZE OCEANY Ziemia możliwa do potencjalnego zamieszkania? Ponieważ wysoka temperaturę dominowała na Ziemi, pierwotnie cała woda znajdowała się w stanie gazowym w atmosferze. Wraz ze spadkiem temperatury kondensowała się i doprowadziła do powstania oceanów. Analizy izotopów tlenu w kryształach cyrkonu odkrytych w Australii o wieku pomiędzy 4400 a 4300 miliona lat, wskazują na obecność ciekłej wody (a więc może i oceanów) na powierzchni naszej planety 4400 miliona lat temu. Te same kryształy cyrkonu wskazują również na obecność stabilnej, granitowej, kontynentalnej skorupy w tamtym czasie, mniej niż 200 milionów lat po początku formowania się Ziemi. Posiadając kontynentalną skorupę i oceany Ziemia była potencjalnie zamieszkiwalna już 4400 milionów lat temu nie oznacza to jednak, iż była zamieszkana.

8 7 Około 3900 milionów lat temu WIELKIE BOMBARDOWANIE Ziemia chwilowo nieprzyjazna do zamieszkania? Przez pierwsze 500 milionów lat historii Ziemi częstotliwość kolizji pomiędzy planetozymalami wyraźnie spadała. Niemniej, 1700 księżycowych kraterów datowanych na około 3900 milionów lat jest świadectwem epizodu bombardowania meteorytami unikatowego i intensywnego, które było spowodowane przez reorganizację orbit gazowych olbrzymów. Stosując ekstrapolację możliwe było ustanie, iż ponad kraterów, (z których 200 mogło mieć powyżej 1000 km średnicy) powstało na Ziemi w tym czasie. Fig. 7 Krater Schrödingera powstał na Księżycu w czasie intensywnego bombardowania 3900 milionów lat temu. Posiadając średnicę 320 km jest jednym z największych kraterów księżycowych. Jeśli życie już wtedy istniało, zostałoby kompletnie zniszczone a proces jego powstawania rozpocząłby się na nowo (bez wątpliwości w innej formie) lub doszło do olbrzymiego wymierania. W takim przypadku organizmy żyjące na większych głębokościach w oceanach lub w skałach pod powierzchnią były chronione i mogły w konsekwencji powtórnie zasiedlić planetę.

9 8 Pomiędzy 4300 a 2700 milionów lat temu Fig. 8 - Zdjęcie bakterii wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym. Bez wątpienia organizmy żywe dość szybko przybrały formę najbardziej prostych komórek prokariotycznych znanych dziś. (Takich jak komórki bakteryjne przedstawione powyżej). PRZEJŚCIE OD NIE-ŻYCIA DO ŻYCIA Od chemii przed-organicznej do pierwszych komórek Moment pojawienia się życia na Ziemi jest bardzo niepewny, było to gdzieś pomiędzy 4300 a 2700 milionów lat temu a najprawdopodobniej pomiędzy 3800 a 3500 milionów lat temu (ta ostatnia data jest wiekiem mikrostruktur mineralnych przypisanych bez absolutnej pewności do bycia mikroskamieniałościami). W tym czasie, termalne i fotochemiczne procesy w ziemskiej atmosferze (pierwotnie składającej się z N 2, CO 2, i H 2 O), działanie minerałów redukujących w systemach hydrotermalnych na dnach oceanów, a także upadki szczególnego rodzaju meteorytów (chondrytów węglistych) były źródłem materii organicznej. Doszło do powstania cykli reakcji chemicznych, a produkty tych reakcji łączyły się ze sobą w systemy supramolekularne, które po etapach niewyjaśnionych jeszcze w pełni, dały początek pierwszym komórkom posiadającym trzy fundamentalne własności: błonę komórkową, metabolizm a także reproduktywny system genetyczny służący, jako podstawa ewolucji drogą doboru naturalnego.

10 9 Pomiędzy 3500 a 2700 milionów lat temu Fig. 9 Najstarsze, w pełni rozpoznane stromatolity (Tumbiana, Australia). Te pochodzące sprzed 2700 milionów lat temu struktury, powstały w wyniku wytrącania się węglanów w wyniku działalności mikroorganizmów. BIOLOGICZNA EWOLUCJA ROZPOCZĄTA Pierwsze ślady życia i dywersyfikacja prokariontów Pierwsze komórki zróżnicowały się i dostosowały do różnych nisz ekologicznych. Dały one początek prostym konstrukcyjnie prokariontom, które następnie rozdzieliły się na bakterie i archeony. Pojawienie się nowych rodzajów metabolizmu (fotosyntezy, metanogenezy i różnych formy oddychania) towarzyszy tej separacji. Bakterie fotosyntetyzujące syntetyzowały materię organiczną z CO 2, wykorzystując energię światła, jak i donor elektronów: H 2 S, Fe 2 +, H 2, a może nawet H 2 O (w fotosyntezie tlenowej). Stromatolity, organiczno-osadowe struktury warstwowe tworzące się przez złożone społeczności prokariontów, powodujące wytrącanie węglanów, były powszechne. Najstarsze powstawały już 3450 milionów lat temu, ale ich biologiczne pochodzenie jest kwestionowane, podobnie jak i innych tak starych śladów działalności organizmów. Najstarsze stromatolity o potwierdzonym biologicznym pochodzeniu są datowane na 2700 milionów lat.

11 10 Około 2400 milionów lat temu Fig. 10 Różne rodzaje sinic (kokoidalne, lewe zdjęcie, nitkowate, prawe). Bakterie te produkują tlen na drodze fotosyntezy. Przyczyniły się one do natlenienia ziemskiej atmosfery. TLEN ZACZYNA AKUMULOWAĆ SIĘ W OCEANACH I ATMOSFERZE Wpływ życia na środowisko Natlenienie naszej planety jest konsekwencją obecności życia, a w szczególności sinic. Ta grupa bakterii rozwinęła fotosyntezę tlenową, która powoduje rozerwanie cząsteczki H 2 O i uwolnienie tlenu, jako odpadu. Równocześnie, oddychanie tlenowe wpłynęło na różne grupy mikroorganizmów. Organizmy, które nie rozpoczęły z sukcesem oddychania tlenowego a przynajmniej nie tolerowały obecności tlenu musiały ograniczyć swoje występowanie do pozbawionych tlenu niszy ekologicznych, takich jak osady. Tlen, który nie został całkowicie zużyty do oddychania, zaczął utleniać minerały w skałach na powierzchni planety a następnie gromadził się w oceanach, atmosferze i osadach (tworząc tak zwane wstęgowe rudy żelaza ).

12 11 Około 2000 milionów lat temu POJAWIENIE SIĘ EUKARIONTÓW Pierwsze komórki posiadające jądra i ich kopalne ślady Eukarionty składają się z komórek, które posiadają jądro komórkowe (zawierające materiał genetyczny) i organelle takie jak mitochondria, gdzie odbywa się oddychanie tlenowe, a w przypadku roślin także chloroplasty w których zachodzi fotosynteza. Mitochondria i chloroplasty pochodzą od pradawnych bakterii włączonych przez komórki organizmów eukariotycznych w wyniku endosymbiozy. Eukarionty są, zatem częściowo produktem symbiozy z prokariontami. Fig. 11 Tappania plana, jedna z najstarszych skamieniałości eukariotycznych (z Roper Group, Australia). Wiek: 1500 milionów lat. Pierwsze eukarionty były jednokomórkowe. Nie posiadały szkieletu mineralnego a ściany zbudowane z materii organicznej. Nie mniej, w zapisie kopalnym możliwe jest ich odróżnienie od organizmów prokariotycznych wielkością, zazwyczaj (choć nie zawsze) są większe, a przede wszystkim ornamentacją ich ścian komórkowych. Najstarsze mikroskamieniałości eukariotyczne (akritarchy) pochodzą z przed około milionów lat.

13 12 Pomiędzy 1200 a 540 milionów lat temu PIERWSZE ORGANIZMY WIELOKOMÓRKOWE Pierwsze ślady glonów, zwierząt i grzybów Fig. 12 Bangiomorpha pubescens, być może przedstawiciel czerwonych wielokomórkowych glonów. Wiek: 1200 milionów lat. W zapisie kopalnym, pierwsze skamieniałości organizmów wielokomórkowych pochodzą sprzed 1200 milionów lat. Kolejne pojawiają się pomiędzy 1000 a 750 milionów lat (glony, grzyby i niezidentyfikowane organizmy). Wiek najstarszych skamieniałości zwierząt sięga około mln. Są to przedstawiciele słynnej fauny z Ediacara, na którą składają się mikroskopijne skamieniałości, jak i formy makroskopowych rozmiarów. Były to organizmy bezszkieletowe wykazujące ogromną różnorodność planów budowy ciała. Zdolność zwierząt do wytrącania minerałów i tworzenia szkieletu pojawiła się tuż przed kambrem (około 540 milionów lat temu). Rośliny pojawiły się później, jak wskazują zarodniki kopalnych mchów, około 400 milionów lat temu. Zróżnicowane zespoły komórek, wyspecjalizowane w wykonywaniu określonych funkcji (tkanki) pojawił się u roślin i zwierząt.

14 milionów lat temu KAMBRYJSKA EKSPLOZJA Dywersyfikacja życia zwierząt, rozwój muszli i pancerzy Fig. 13 Dowód na istnienie kambryjskiej eksplozji życia. Anomalocaris, drapieżnik, który pływał w oceanach 505 milionów lat temu (miał 45 cm długości). Większość przedstawicieli fauny z Ediacara zniknęła tajemniczo na granicy kambru. Kolejny raz dostrzec można pojawienie się wielkiej różnorodności kopalnych zwierząt. Tym razem jednak, w mniejszym zakresie dotyczy to planów budowy ciała a raczej obecności muszli, pancerzy, kolców i różnych wypustek. Radiacja ewolucyjna (wielkie zróżnicowanie w krótkim okresie czasu) była spowodowana pojawieniem się biologicznych innowacji (struktur służących ochronie i drapieżnictwu a także nowym stylom życia) umożliwiających zasiedlenie nowych niszy ekologicznych. Równocześnie do tych zmian, prokarionty i eukarionty jednokomórkowe nadal rozwijały się i różnicowały.

15 14 Pomiędzy 540 milionów lat temu a obecnie EKSPLOZJA ŻYCIA MAKROSKOPOWEJ WIELKOŚCI Biologiczna ewolucja trwa dalej Fig. 14 Różnorodność życia dziś. Schemat przedstawia dwie domeny organizmów prokariotycznych (bakterie i archeony) i jedną domenę organizmów eukariotycznych, wśród których znajduje się kilka linii organizmów wielokomórkowych. Ostatnie 540 milionów lat wyróżnia eksplozja życia dużych rozmiarów, które na początku rozprzestrzeniało się w oceanach a następnie na lądzie. Okresowi temu towarzyszą nagłe zmiany klimatyczne związane ze zlodowaceniami, intensywnym wulkanizmem, a także upadkami jednego lub wielu meteorytów, które prowadziły do masowych wymierań gatunków, szczególnie tych dużych rozmiarów. Upadek meteorytu Chicxulub 65 milionów lat temu doprowadził do zagłady większość dinozaurów i sprzyjał ekspansji współczesnych ssaków. Z jednej z takich grup, naczelnych, około lat temu wyewoluował Homo sapiens. Równolegle inne zwierzęta, rośliny, jednokomórkowe eukarionty i mikroskopijne prokarionty nadal się rozwijały. Wszystkie współcześnie żyjące organizmy, od bakterii do człowieka, zostały poddane ewolucji w takim samym stopniu. Wszystkie one przebyły tak samo długą drogę ewolucji. I ciągle ewoluują

16 Czas w milionach lat temu (Ma) 540 Ma Kambryjska eksplozja Dywersyfikacja życia zwierząt, rozwój muszli i pancerzy. Pomiędzy 1200 a 540 Ma Około 2000 Ma Około 2400 Ma Pomiędzy 3500 a 2700 Ma Biologiczna ewolucja rozpoczęta Pierwsze ślady życia i dywersyfikacja prokariontów. Pomiędzy 4100 a 3900 Ma FANEROZOIK PROTEROZIK ARCHAIK HADEIK Pojawienie się pierwszych organizmów wielokomórkowych. Pierwsze ślady glonów, zwierząt i grzybów. Pojawienie się eukariontów. Pierwsze komórki posiadające jądra i ich kopalne ślady. Tlen zaczyna akumulować się w oceanach i atmosferze. Wpływ życia na środowisko. Wielkie bombardowanie Ziemia chwilowo nieprzyjazna do zamieszkania? Pomiędzy 540 Ma a obecnie Eksplozja życia makroskopowej wielkości Ewolucja trwa dalej.. Pomiędzy 4300 a 2700 Ma Przejście od nie-życia do życia. Od chemii przed-organicznej do pierwszych komórek. Pomiędzy 4560 a 4500 Ma Pochodzenie wody na Ziemi Znaczenia źródeł pozaziemskich Początek dyferencjacji wnętrza Ziemi Oddzielenie się jądra i płaszcza, powstanie oceanu magmy. HADEIK Pomiędzy 4560 a 4500 Ma Okres niemowlęcy Układu Słonecznego. Powstanie planet skalistych. Pomiędzy 4570 a 4560 Ma Narodziny Układu Słonecznego Powstanie gazowych gigantów Około 4400 Ma Pierwsze kontynenty, pierwsze oceany Ziemia możliwa do potencjalnego zamieszkania? Około 4500 Ma Około 4570 Ma Początki Układu Słonecznego Z obłoku międzygwiezdnej do dysku protoplanetarnego.