śycie na Ziemi i gdzie indziej

Transkrypt

1 ŚRODOWISKO NATURALNE CZŁOWIEKA: BIOSFERA CZY CYWILIZACJA? WYKŁAD 1.2. śycie na Ziemi i gdzie indziej

2 śycie na Ziemi i gdzie indziej Co to jest Ŝycie? Co jest środowiskiem dla Ŝycia? Czy istnieje Ŝycie poza Ziemią? Skąd się wzięło Ŝycie na Ziemi? Jak (i kiedy) to się skończy? Współczesne warunki na Ziemi, źródła energii Pojęcie biosfery

3 CO TO JEST śycie?

4 PYTANIE ZASADNICZE: Co to jest Ŝycie? kłopoty z definicją (co to jest definicja?) nie ma jednej definicji Ŝycia definicje umowne

5 DEFINIOWANIE śycia PRZEZ ENUMERACJĘ ATRYBUTÓW śywego OBIEKTU Jedność strukturalna wszystkich organizmów C, H, O, N, S, P... białka, tłuszczowce, węglowodany budowa komórkowa kod genetyczny Zdolność do przetwarzania materii (METABOLIZM) Zdolność do replikacji (ROZMNAśANIE) Działanie doboru naturalnego (EWOLUCJA)

6 MOśNA KORZYSTAĆ Z WIKIPEDII (WERSJA ANGIELSKA) [BEZ GWARANCJI!!]

7 Skład chemiczny organizmów Pierwiastki (razem ok. 20) Związki chemiczne Zawartość w organizmach Bakteria Roślina grzyb ryba świnia H O Woda C H O N S Białka C H O Tłuszcze C H O Węglowodany C H O N P DNA,RNA, ATP ZWIĄZKI ZREDUKOWANE: POTRZEBNA ENERGIA I DONOR ELEKTRONÓW

8 SUBSTRATY śycia Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO Energia (praca)

9 śycie biosfery = cykl redoks węgla DEPOZYCJA (ocean, osady) energia CO 2 energia REDUKCJA tylko Ŝywe organizmy UTLENIANIE organizmy: szybko procesy abiotyczne: powoli (CH O) 2 n DEPOZYCJA (złoŝa paliw)

10 śycie JAKO WŁAŚCIWOŚĆ PLANETY (ZIEMI) śycie to endoenergetyczny proces, polegający na cyklicznym utlenianiu i redukowaniu związków węgla, realizowany przez autokatalitycznie powielające się makrocząsteczki (organizmy).

11 Ziemia

12 śycie na Ziemi widać z daleka

13 Planety Układu Słonecznego Promienie równikowe km km km km 3397 km 6378km 6052 km 2240 km ORBITY mln km

14 GWIAZDA WARUNKI UTRZYMANIA śycia Odpowiednia klasa spektralna (temp. fotosfery K) Stabilność w długim okresie (>kilka mld lat) Odpowiednie natęŝenie UV Utrzymanie stabilnej ekosfery (stable habitable zone) (tylko 5-10% gwiazd w galaktyce)

15 PLANETA WARUNKI UTRZYMANIA śycia Skalista (nie olbrzym gazowy) Odpowiednia masa: - utrzymanie atmosfery - utrzymanie ciepła, tektonika - Ŝelazny rdzeń (dynamo, pole magnetyczne) ( masa Ziemi) Niezbyt ekscentryczna orbita (stabilne warunki) [<10% odkrytych] Odpowiednie nachylenie osi (nie za duŝe, nie za małe) Odpowiednia szybkość rotacji (wyrównanie temperatur, dynamo) Geochemia: C, H, O, N, P, S..

16 KsięŜyc Promień równikowy 1738 km

17 KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto Średnice 3630 km 3138 km 5262 km 4800 km KsięŜyc Ziemi: 3476 km Zarys średnicy Ziemi: km

18 KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto

19 KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto

20

21 śycie NA MARSIE WIDAĆ Z BLISKA??? H 2 O CH 4

22

23

24 Curiosity Pierwszy odwiert John Klein

25 Curiosity Pierwszy odwiert John Klein

26 Curiosity Pierwszy odwiert John Klein Potencjalne warunki dla istnienia Ŝycia: odczyn zasadowy obecność minerałów zredukowanych gradient redoks woda

27 CZY JEST śycie POZA ZIEMIĄ? CZY GDZIE POZA ZIEMIĄ SĄ WARUNKI DLA ISTNIENIA śycia?

28 CZY JEST śycie POZA ZIEMIĄ? CZY GDZIE POZA ZIEMIĄ SĄ WARUNKI DLA ISTNIENIA śycia?

29 Planety pozasłoneczne (exoplanets) Pierwsze planety poza Układem Słonecznym: Wolszczan 1992 (radioastronomiczna obserwacja nieregularności pulsara) Obecnie (stan z dn. 4.X.2013) wykrytych jest 992 planet w 756 układach planetarnych, w tym 168 wielokrotnych

30 Metody poszukiwania planet efekt Dopplera tranzyt pomiary nieregularności zmian blasku gwiazd zmiennych astrometria obserwacje bezpośrednie mikrosoczewkowanie grawitacyjne obserwacja pulsarów

31 Efekt Dopplera Przesunięcie widma ku czerwieni

32 Przejście Wenus przed tarczą Słońca 2012 Tranzyt

33 Tranzyt atmosfera planety Lemonick N.D. Świat Nauki 8(264) 2013

34 obserwator Planeta Gwiazda soczewkująca GWIAZDA źródło promieniowania wiki

35 Planety w ekosferze Ekosfera Margines niepewności Odległość od gwiazdy (JA) Masa gwiazdy (w jednostkach masy Słońca Słońce

36 Charakterystyka 861 odkrytych planet

37 SKĄD SIĘ WZIĘŁO śycie NA ZIEMI?

38 LIPIEC 2007 MAJ 2007

39 PAŹDZIERNIK 2009

40

41

42

43 Rozdz. 5 Historia Ŝycia na Ziemi 2008

44 January Weiner: HIPOTEZY O POWSTANIU I WCZESNEJ EWOLUCJI śycia HISTORIA DOCIEKAŃ (OD DARWINA DO MILLERA) pdf na stronie kursu

45 Skład chemiczny organizmów Pierwiastki Związki chemiczne Zawartość w organizmach Bakteria Roślina grzyb ryba świnia H O Woda C H O N S Białka C H O Tłuszcze C H O Węglowodany C H O N P DNA,RNA, ATP ZWIĄZKI ZREDUKOWANE: POTRZEBNA ENERGIA I DONOR ELEKTRONÓW

46 Aleksander Iwanowicz Oparin ( ) i Salvadore Dali (Barcelona, 1973) J.B.S.Haldane: zupa pierwotna

47 Stanley L. Miller

48 Eksperyment Millera

49 Wynik eksperymentu Millera

50 Wynik eksperymentu Millera AMINOKWASY KWASY TŁUSZCZOWE I ICH POCHODNE MOCZNIK, METYLOMOCZNIK

51 Źródło hydrotermalne

52 ŹRÓDŁA HYDROTERMALNE EKOSYSTEMY CHEMOAUTOTROFICZNE

53 DWIE GRUPY HIPOTEZ: ZIMNA ZUPA (Miller i wsp., następcy): ocean + atmosfera; energia słoneczna i/lub elektryczna; najpierw heterotrofia GORĄCA PIZZA (Wächtershäuser i wsp.) źródła hydrotermalne; autotrofia (chemosynteza) od początku; znaczenie pirytu

54 BIOGENEZA I WCZESNA EWOLUCJA śycia LUCA? Metabolizm był wcześniej niŝ organizm

55 DRZEWO FILOGENETYCZNE GŁÓWNE TAKSONY LUCA? LUCA: Last Universal Common Ancestor

56 Termofile

57 Stromatolity Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)

58 MIKROORGANIZMY PREKAMBRYJSKIE (-770 : mln lat) Schopf 2002

59 HISTORIA śycia NA ZIEMI

60 BIG BANG Historia Ziemi POWSTANIE ZIEMI DZIŚ Miliardy lat KAMBR ORDOWIK SYLUR DEWON KARBON POWSTANIE śycia PERM TRIAS JURA KREDA PALEOGEN NEOGEN CZWARTORZĘD Miliony lat ,3 FANEROZOIK

61

62 BAZA EMPIRYCZNA TEORII BIOGENEZY Dane geologiczne (geochemiczne) Dane paleontologiczne Badania astrobiologiczne Badania porównawcze współczesnych organizmów Eksperymenty laboratoryjne

63 SKĄD TO WIEMY? BIOLOGIA ŚRODOWISKOWA FILOGENETYKA MOLEKULARNA GENOMIKA PORÓWNAWCZA NAJSTARSZE SKAŁY LĄDOWE PÓŹNE CIĘśKIE BOMBARDOWANIE NAJSTARSZE NIEWĄTPLIWE ŚLADY śycia PRZYROST TLENU PODEJŚCIE Z GÓRY NA DÓŁ UFORMO- WANIE SIĘ ZIEMI HADEIK ARCHAIK PREKAMBR PROTEROZOIK śycie WSPÓŁ- CZESNE Czas w mln lat PODEJŚCIE Z DOŁU DO GÓRY PALEOBIOGEOCHEMIA CHEMIA PREBIOTYCZNA wg. Forterre & Gribaldo 2008

64 JAKI BĘDZIE (naturalny) KONIEC śycia NA ZIEMI??

65 Dalszy wzrost natęŝenia promieniowania słonecznego, podwyŝszenie temperatury Szybsze wietrzenie skał krzemianowych spadek stęŝenia CO 2 poniŝej 150 ppm Zatrzymanie fotosyntezy Po 1,5 mld lat temp. Ziemi >50 o C Wymieranie organizmów (poza mikroorganizmami) Dalszy przyspieszający wzrost temp. (efekt cieplarniany H 2 O) Ucieczka wodoru. Po 2,5 mld lat brak wody

66 Za 6,5 mld lat: wyczerpanie paliwa wodorowego Słońca Kolaps Słońca, ponowne zapalenie wodoru, rozszerzenie ( czerwony olbrzym ) do średnicy równej orbicie Ziemi. Temperatura powierzchni Ziemi >1500 o C Po 8 mld lat definitywny koniec paliwa Słońce staje się białym karłem śycie na Ziemi zuŝyło juŝ 80% swojego czasu

67 WSPÓŁCZESNE WARUNKI FIZYCZNE NA ZIEMI ŹRÓDŁA ENERGII

68 2000 o C 3000 o C 3800 o C 6000 o C Promień równikowy: 6378 km 1. Skorupa ziemska: km 2. Płaszcz: 3470 km Jądro 2900 km

69 TW U Wg. Winogradowa, 1960 Razem Energia cieplna wytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych K 232 Th 238 U TW = W Miliardy lat wg. Winogradowa, 1960, zmienione

70 ENERGIA GEOTERMALNA Całkowity przepływ ciepła geotermalnego: 30 to 44 TW W tym z rozpadów promieniotwórczych 19 to 31 TW Inne źródła ciepła: resztkowe (5-10%) grawitacyjne (5-10%)

71 Energia geotermalna mw m -2 średnio 75 mw/m 2

72 Energia geotermalna Ś.N., IX mw m -2 średnio 75 mw/m 2

73 TEKTONIKA PŁYT ENERGIA GEOTERMALNA NAPĘDZA RUCH KONTYNENTÓW ZBIEśNA GRANICA PŁYT PRZE- SUWCZA GRANICA PŁYT ROZBIEśNA GRANICA PŁYT ZBIEśNA GRANICA PŁYT GRZBIET OCEANICZNY SPREADING RYFT KONTYNENTALNY RÓW STRATO- WULKAN WULKAN TARCZOWY LITOSFERA ASTENOSFERA RÓW SKORUPA OCEANCZNA SUBDUKCJA SKORUPA KONTYNENTALNA

74 Alfred L. Wegener ( ) Teoria dryfu kontynentów, Pangea : 1912, 1915, Krytyka (G.G. Simpson, 1943) : akceptacja nowej teorii (nowe dane, wyjaśnienie mechanizmu) Ekspedycja na Grenlandię 1930

75 Wczesny kambr mln lat

76 Późny karbon mln lat

77 Koniec permu mln lat

78 Kreda/Trzeciorzęd mln lat

79 ENERGIA SŁONECZNA 1/3 1/3 1/3 Stała słoneczna (poza Ziemią): 1366 W/m 2 Średnio na powierzchnię kuli: 1/4 Odbicie od atmosfery: ok. 1/3 Pochłanianie atmosferyczne: ok. 1/3 Średnio na powierzchni Ziemi: ok. 113 W/m 2 Rozkład nierównomierny

80 Spektrum promieniowania słonecznego Stała słoneczna: 1366 W/m 2

81 ŚREDNIE ROCZNE NASŁONECZNIENIE [W/m 2 ] (NASA) Na pow. atmosfery 1/3 1/3 1/3 Na pow. Ziemi

82 SEZONOWOŚĆ KLIMATÓW ZIEMI

83 ROZKŁAD ŚREDNICH TEMPERATUR POWIERZCHNI LĄDÓW I OCEANÓW [NASA]

84 Cykl plam słonecznych

85

86 2013 Zmiany stałej słonecznej w 11-letnim cyklu aktywności

87 Pole magnetyczne Ziemi Wiatr słoneczny 1) Fala uderzeniowa 2) Płaszcz magnetyczny 3) Magnetopauza. 4) Magnetosfera. 5), 6) Linie sił pola magnetycznego 7) Pasy Van Allena (plazmosfera)

88 Atmosfera Ziemi

89 TERMOSFERA Profil termiczny atmosfery Ziemi Ciśnienie [mb] Wysokość npm [km] 0,1 mm 15 cm STRATOSFERA TROPOSFERA Temperatura [deg K]

90 Cyrkulacja atmosferyczna WIATRY ZACHODNIE PASATY NE PASATY SE WIATRY ZACHODNIE

91 Obieg wody, tys. km 3 /rok ATMOSFERA 14 lodowce gleba 65 jeziora 46 rzeki 1,2 wody podziemne OCEAN

92

93 12742 km 1358 km CAŁA WODA OCEANÓW

94 MAPA GŁĘBOKOŚCI OCEANÓW Średnia głębokość oceanów: 3790 m

95 ciepłe zimne POWIERZCHNIOWE PRĄDY MORSKIE

96 CYRKULACJA TERMOHALINOWA ( PAS TRANSMISYJNY ) uwolnienie ciepła do atmosfery ciepły prąd powierzchniowy zimny, zasolony prąd głębinowy krąŝące wody głębinowe

97 DŁUGOFALOWE ZMIANY BILANSU CIEPLNEGO ZIEMI ZMIANY KLIMATU Hipoteza Milankovica

98 ZMIANY MIMOŚRODU ORBITY Okres ok lat Aphelium Peryhelium Mimośród orbity Odległość od Słońca [mln km] (A-P)/(P+A) Peryhelium Aphelium Minimum 0, ,9 150,4 Obecnie 0, ,2 152,2 Maksimum 0, ,4 158,9

99 ZMIANY NACHYLENIA OSI ZIEMI DO PŁASZCZYZNY EKLIPTYKI Okres ok lat Maksymalne nachylenie Obecnie Minimalne nachylenie

100 PRECESJA Okres ok lat lat temu Obecnie

101

102 Zmiany klimatu w fanerozoiku CIEPŁO ZIMNO Okresy zlodowaceń Miliony lat temu Wiki

103 65 milionów lat zmian klimatu Wiki

104 5 milionów lat zmian klimatu

105 ERUPCJA WULKANU PINATUBO NA FILPINACH Date taken: Copyright: Ian Sharp (Wirraway)

106 Erupcja Pinatubo Filipiny, 1991 pyły i gazy sięgnęły stratosfery 15 mln ton SO 2 do stratosfery aerozol siarczanowy absorpcja promieniowania słonecznego obniŝenie temperatury globalnej średnio o 0.6 ºC

107 Warto zaprenumerować!

108