śycie na Ziemi i gdzie indziej

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

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

CO TO JEST śycie?

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

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)

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

Skład chemiczny organizmów Pierwiastki (razem ok. 20) Związki chemiczne Zawartość w organizmach Bakteria Roślina grzyb ryba świnia H O Woda 75 94 90 83 57 C H O N S Białka 17.5 1.4 3.6 12 20.1 C H O Tłuszcze 2.5 0.4 0.4 3.5 20.2 C H O Węglowodany C H O N P DNA,RNA, ATP 1.3 3.0 5.1 0 0 3.7 1.2 0.9 1.5 2.7 ZWIĄZKI ZREDUKOWANE: POTRZEBNA ENERGIA I DONOR ELEKTRONÓW

SUBSTRATY śycia Budowa biomasy DONOR ELEKTRONóW (REDUKTOR LUB SUBSTRAT ENERGETYCZNY) (CH O), H, NH, H S 2 2 3 AKCEPTOR ELEKTRONóW (UTLENIACZ) - -- O,NO,SO,CO 2 3 4 2 2 Energia (praca)

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)

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

Ziemia

śycie na Ziemi widać z daleka

Planety Układu Słonecznego Promienie równikowe 24767 km 25559 km 60268 km 71492 km 3397 km 6378km 6052 km 2240 km ORBITY 58 109 149 227 774 1419 2859 4475 mln km

GWIAZDA WARUNKI UTRZYMANIA śycia Odpowiednia klasa spektralna (temp. fotosfery 4000 7000 K) Stabilność w długim okresie (>kilka mld lat) Odpowiednie natęŝenie UV Utrzymanie stabilnej ekosfery (stable habitable zone) (tylko 5-10% gwiazd w galaktyce)

PLANETA WARUNKI UTRZYMANIA śycia Skalista (nie olbrzym gazowy) Odpowiednia masa: - utrzymanie atmosfery - utrzymanie ciepła, tektonika - Ŝelazny rdzeń (dynamo, pole magnetyczne) (0.3 10 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..

KsięŜyc Promień równikowy 1738 km

KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto Średnice 3630 km 3138 km 5262 km 4800 km KsięŜyc Ziemi: 3476 km Zarys średnicy Ziemi: 12756 km

KsięŜyce Jowisza Io Europa Ganimedes Callisto

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

http://www.nasa.gov/mission_pages/msl/news/msl20130520.html

http://www.nasa.gov/mission_pages/msl/news/msl20130520.html Curiosity Pierwszy odwiert John Klein 3.03.2013

http://www.nasa.gov/mission_pages/msl/news/msl20130520.html Curiosity Pierwszy odwiert John Klein 3.03.2013 Potencjalne warunki dla istnienia Ŝycia: odczyn zasadowy obecność minerałów zredukowanych gradient redoks woda

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

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

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

Efekt Dopplera Przesunięcie widma ku czerwieni

Przejście Wenus przed tarczą Słońca 2012 Tranzyt

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

obserwator Planeta Gwiazda soczewkująca GWIAZDA źródło promieniowania wiki

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

Charakterystyka 861 odkrytych planet 640 136 69 12 3 4 16 0

SKĄD SIĘ WZIĘŁO śycie NA ZIEMI?

LIPIEC 2007 MAJ 2007

PAŹDZIERNIK 2009

1997 1998

2002 1999

Rozdz. 5 Historia Ŝycia na Ziemi 2008

January Weiner: HIPOTEZY O POWSTANIU I WCZESNEJ EWOLUCJI śycia HISTORIA DOCIEKAŃ (OD DARWINA DO MILLERA) http://kosmos.icm.edu.pl/ pdf na stronie kursu

Skład chemiczny organizmów Pierwiastki Związki chemiczne Zawartość w organizmach Bakteria Roślina grzyb ryba świnia H O Woda 75 94 90 83 57 C H O N S Białka 17.5 1.4 3.6 12 20.1 C H O Tłuszcze 2.5 0.4 0.4 3.5 20.2 C H O Węglowodany C H O N P DNA,RNA, ATP 1.3 3.0 5.1 0 0 3.7 1.2 0.9 1.5 2.7 ZWIĄZKI ZREDUKOWANE: POTRZEBNA ENERGIA I DONOR ELEKTRONÓW

Aleksander Iwanowicz Oparin (1894-1980) i Salvadore Dali (Barcelona, 1973) J.B.S.Haldane: zupa pierwotna

Stanley L. Miller 1930-2007

Eksperyment Millera

Wynik eksperymentu Millera

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

Źródło hydrotermalne

ŹRÓDŁA HYDROTERMALNE EKOSYSTEMY CHEMOAUTOTROFICZNE

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

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

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

Termofile

Stromatolity Współczesne (Bahama) Kopalne (Kanada)

MIKROORGANIZMY PREKAMBRYJSKIE (-770 : -1500 mln lat) Schopf 2002

HISTORIA śycia NA ZIEMI

BIG BANG Historia Ziemi POWSTANIE ZIEMI DZIŚ 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Miliardy lat KAMBR ORDOWIK SYLUR DEWON KARBON POWSTANIE śycia PERM TRIAS JURA KREDA PALEOGEN NEOGEN CZWARTORZĘD Miliony lat 600 542 488 444 416 359 299 251 199 145 65 23 2,3 FANEROZOIK

www.stratigraphy.org

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

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

JAKI BĘDZIE (naturalny) KONIEC śycia NA ZIEMI??

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

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

WSPÓŁCZESNE WARUNKI FIZYCZNE NA ZIEMI ŹRÓDŁA ENERGII

2000 o C 3000 o C 3800 o C 6000 o C 4 3 2 1 Promień równikowy: 6378 km 1. Skorupa ziemska: 10-40 km 2. Płaszcz: 3470 km 3 + 4. Jądro 2900 km

TW 0 180 9 1508 7 1206 5 90 4 235 U Wg. Winogradowa, 1960 Razem Energia cieplna wytwarzana w płaszczu Ziemi wskutek rozpadu pierwiastków radioaktywnych 60 3 2 30 1 40 K 232 Th 238 U TW = 10 12 W 1 2 3 4 5 Miliardy lat wg. Winogradowa, 1960, zmienione

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%)

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

Energia geotermalna Ś.N., IX. 2007 mw m -2 średnio 75 mw/m 2

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

Alfred L. Wegener (1880-1930) Teoria dryfu kontynentów, Pangea : 1912, 1915, 1920. Krytyka (G.G. Simpson, 1943)... 1964: akceptacja nowej teorii (nowe dane, wyjaśnienie mechanizmu) Ekspedycja na Grenlandię 1930

Wczesny kambr 544 511 mln lat

Późny karbon 329-296 mln lat

Koniec permu 269-248 mln lat

Kreda/Trzeciorzęd 81-58 mln lat

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

Spektrum promieniowania słonecznego Stała słoneczna: 1366 W/m 2

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

SEZONOWOŚĆ KLIMATÓW ZIEMI

ROZKŁAD ŚREDNICH TEMPERATUR POWIERZCHNI LĄDÓW I OCEANÓW [NASA]

Cykl plam słonecznych

2013 Zmiany stałej słonecznej w 11-letnim cyklu aktywności

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)

Atmosfera Ziemi

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

Cyrkulacja atmosferyczna WIATRY ZACHODNIE PASATY NE PASATY SE WIATRY ZACHODNIE

Obieg wody, tys. km 3 /rok ATMOSFERA 14 lodowce 62 108 46 410 456 gleba 65 jeziora 46 rzeki 1,2 wody podziemne 60000 OCEAN 1380000

12742 km 1358 km CAŁA WODA OCEANÓW

MAPA GŁĘBOKOŚCI OCEANÓW Średnia głębokość oceanów: 3790 m

ciepłe zimne POWIERZCHNIOWE PRĄDY MORSKIE

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

DŁUGOFALOWE ZMIANY BILANSU CIEPLNEGO ZIEMI ZMIANY KLIMATU Hipoteza Milankovica

ZMIANY MIMOŚRODU ORBITY Okres ok. 96 000 lat Aphelium Peryhelium Mimośród orbity Odległość od Słońca [mln km] (A-P)/(P+A) Peryhelium Aphelium Minimum 0,005 148,9 150,4 Obecnie 0,0167 147,2 152,2 Maksimum 0,0167 140,4 158,9

ZMIANY NACHYLENIA OSI ZIEMI DO PŁASZCZYZNY EKLIPTYKI Okres ok. 41 000 lat Maksymalne nachylenie Obecnie Minimalne nachylenie

PRECESJA Okres ok. 22 000 lat 11 000 lat temu Obecnie

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

65 milionów lat zmian klimatu Wiki

5 milionów lat zmian klimatu

ERUPCJA WULKANU PINATUBO NA FILPINACH Date taken: 1991-06-15 Copyright: Ian Sharp (Wirraway)

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

http://earthobservatory.nasa.gov Warto zaprenumerować!