2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 1 Wykład 1 ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 1
Wykład 1
ASTROBIOLOGIA
INFORMACJE
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 2
• Wykłady: piątki, 9:15 (Budynek A, Sala Mergentalera, Budynek D, pracownia
komputerowa)
• Konsultacje: poniedziałki 12:00-13:00 (inne terminy po uzgodnieniu, mail:
• Materiały do wykładu będą dostępne w Internecie:
www.astro.uni.wroc.pl/ludzie/niemczura/astrobiologia
• Warunki zaliczenia: egzamin, aktywne uczestniczenie w zajęciach
LITERATURA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 3
• An Introduction to Astrobiology, D.A. Rothery, I. Gilmour, M.A.
Sephton
• The Earth as a Distant Planet, M. Vazquez, E. Palle, P. Montanes
Rodriguez
• Astrobiologia, Poprzez Pył Kosmiczny do DNA, F. Ferrari, E.
Szuszkiewicz
• Historia Ziemi, Od Gwiezdnego Pyłu do Żyjącej Planety , R.M.
Hazen
• W Poszukiwaniu Życia, Badania Układu Słonecznego , P. Clancy, A.
Brack, G. Horneck
• …
CZYM ZAJMUJE SIĘ ASTROBIOLOGIA?
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 4
ASTROBIOLOGIA / BIOASTRONOMIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 5
W strukturze IAU:
Division F: Planetary Systems and Bioastronomy
Commicion 15: Physical Study of Comets & Minor Planets
Commision 16: Physical Study of Planets & Satellites
Commision 20: Positions & Motions of Minor Planets, Comets & Satellites
Commision 22: Meteors, Meteorites & Interplanetary Dust
Commision 51: Bio-Astronomy
Commision 53: Extrasolar Planets.
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 6
Astrobiologia poszukuje odpowiedzi na pytania:
1. Jak powstało życie na Ziemi i jak ewoluuje?
2. Czy istnieje życie poza Ziemią?
3. Jaka jest przyszłość życia na Ziemi i w Kosmosie?
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 7
Jak powstały podstawowe cegiełki życia?
• Jak powstają pierwiastki chemiczne? Jak powstają molekuły?
• Co to są związki organiczne, jak powstają, gdzie występują?
• Jakie substancje są niezbędne do tego aby powstały organizmy żywe?
Astronomia, astrofizyka,
Biologia, chemia organiczna
Jak powstają układy planetarne i planety?
Czy życie jest naturalną konsekwencją
formowania się planet?
• Czy układy planetarne są częstym
zjawiskiem?
• Czy są do siebie podobne?
• Czy życie występuje w innych miejscach
Układu Słonecznego? A w innych układach
planetarnych?
Geologia, astronomia, chemia, klimatologia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 8
Zderzenia, niszczenie ekosystemu i jego odbudowa.
• Jak zderzenia wpływały na życie na Ziemi?
• Czy zderzenia są konieczne aby życie mogło ewoluować?
• Jakie rodzaju zderzenia są konieczne? Ile ich powinno być?
• Komety i woda na Ziemi i Marsie.
Astronomia, geologia planet, paleontologia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 9
Jak proste związki organiczne mogą
wyewoluować w złożone, ewoluujące
organizmy?
• Jakie warunki umożliwiają ten proces?
• Czy możliwe jest odtworzenie tych
warunków w laboratoriach? Lub na
innych planetach?
• Czy życie na Ziemi mogło wyglądać
inaczej?
Chemia organiczna i nieorganiczna,
genetyka, biologia molekularna
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 10
Jak proste związki organiczne mogą
wyewoluować w złożone, ewoluujące
organizmy?
• Ewolucyjne i środowiskowe
ograniczenia życia.
• Mechanizmy molekularne,
genetyczne i biochemiczne, które
kontrolują ewolucję, różnorodność i
adaptację organizmów żywych.
Chemia organiczna i nieorganiczna,
genetyka, biologia molekularna
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 11
Jaka jest historia życia na Ziemi?
• Kiedy i jak powstało życie na
Ziemi?
• Czy w podobny sposób może
powstać na innych planetach?
Geologia, astronomia, paleontologia,
biologia ewolucyjna, archeologia?
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 12
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 13
Stromatolity
Życie w ekstremalnych warunkach.
• Jak definiujemy warunki ekstremalne?
• Ekstremalne środowiska na Ziemi.
• Ekstremofile – organizmy żyjące w skrajnie ekstremalnych warunkach.
• Czy ekstremofile występują na innych planetach?
Mikrobiologia, ekologia, oceanografia, chemia organiczna i nieorganiczna, geologia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 14
Chryseobacterium greenlandensis
Jak organizmy żywe wpływają na
otoczenie i jak otoczenie wpływa
na organizmy żywe?
• Jaki jest wpływ organizmów
żywych na atmosferę planety?
• Jaki jest wpływ oceanów i
atmosfery na powstanie i
ewolucję organizmów żywych.
Oceanografia, klimatologia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 15
Ochrona środowiska naturalnego
planety.
• Ochrona Ziemi i organizmów żywych na
Ziemi przed wpływem obcych form
życia.
• Bezpieczne przechowywanie próbek z
innych planet/księżyców.
• Czy mikroby z jednej planety mogą
zniszczyć życie na innej planecie?
Epidemiologia, mikrobiologia, etyka,
inżynieria kosmiczna
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 16
Ochrona środowiska naturalnego
planety.
• Czy człowiek może odwiedzić
inną planetę i nie wpłynąć na jej
środowisko naturalne?
• Czy powinniśmy terraformować
inne planety?
• Jak przebiegałby proces
terraformowania Marsa?
Epidemiologia, mikrobiologia, etyka,
inżynieria kosmiczna
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 17
Najlepsze habitaty według
biologów i według astronomów.
• Jakie są cechy habitatów?
• Gdzie szukać habitatów?
• Jak ewoluują habitaty?
Biologia, astronomia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 18
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 19
Planety pozasłoneczne: jak je
znaleźć i jak ocenić ich potencjał
biologiczny?
• Techniki odkrywania planet
podobnych do Ziemi.
Astronomia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 20
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 21
Biosygnatury
• Biosygnatury ziemskie (w atmosferze, na
powierzchni).
• Biosygnatury wczesnej Ziemi.
• Biosygnatury na planetach
pozaziemskich – metody i możliwości
wykrywania.
• Oznaki cywilizacji technicznych
• Jakie są biosygnatury życia wymarłego?
Czy można takie biosygnatury znaleźć
poza Ziemią?
Astronomia, klimatologia, ekologia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 22
Poszukiwanie i komunikowanie się z
pozaziemską inteligencją.
• Jakich sygnałów oczekujemy?
• Czy jesteśmy w stanie zarejestrować i
poprawnie odczytać sygnały od obcej
cywilizacji?
• Czy powinniśmy odpowiadać na takie
sygnały?
• Jaką informację i w jaki sposób my
powinniśmy wysłać?
Astronomia, telekomunikacja,
kryptografia, lingwistyka, psychologia,
etyka, filozofia, …
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 23
Podróże kosmiczne: wpływ
ekstremalnych warunków na zdrowie
fizyczne i psychiczne człowieka.
• Problemy: grawitacja, promieniowanie.
• Problemy: czas podróży, ograniczone
towarzystwo, izolacja, brak możliwości
rezygnacji.
• Problem: ryzyko związane z podróżą,
ewentualny brak możliwości powrotu.
• …
Psychologia, biologia, anatomia,
neuropsychologia, rehabilitacja, …
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 24
Czy człowiek może przystosować się
do życia innej planecie?
• Jak żyć na innej planecie bez
terraformowania jej?
• Jak przygotować ludzi do życia na
innej planecie?
• Jak wybrać odpowiednie osoby?
• Jak przebywanie na innej planecie
zmieni ludzi?
Inżynieria kosmiczna, psychologia,
biologia ewolucyjna, ekologia, medycyna
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 25
Jaka może być przyszłość życia
na Ziemi i poza nią?
• Czy ziemskie życie w
jakiejkolwiek formie może
przetrwać poza Ziemią?
Astronomia, biologia
ASTROBIOLOGIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 26
CO TO JEST ŻYCIE?
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 27
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 28
• Jest wiele definicji życia, ale żadna nie jest do końca satysfakcjonująca ;
• Niezależnie od kryterium, którego użyjemy do ustalenia definicji zawsze
można znaleźć wyjątki;
• W efekcie – definiujemy życie poprzez podanie własności, które uważamy za
konieczne – życie jest to skomplikowany układ cząstek, daleki od równowagi,
i podlegający prawom termodynamiki.
Co definiuje życie organiczne?
• Metabolizm (ciąg reakcji chemicznych służący do przekształcania atomów i
energii na materiał komórkowy)
• Informacja genetyczna (komórki są nośnikami informacji zawartej w
cząsteczkach DNA, mogą się kopiować i przekazywać te informacje) + mutacje
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 29
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 30
• Definicja NASA (Program Astrobiologii, Gerald Joyce, 1994):
Życie to samopodtrzymujący się system reakcji chemicznych,
podlegający prawom ewolucji Darwina. Darwinizm implikuje modyfikacje –
mutacje materiału genetycznego; ewolucja + naturalna selekcja.
• Poprawiona definicja NASA (Gerald Joyce):
Życie to samopodtrzymujący się system reakcji chemicznych,
podlegający prawom ewolucji Darwina i zdolny do nowatorstwa (które
umożliwia eksplorację nowego środowiska, przetrwanie niekorzystnych zmian,
wygranie wyścigu o zasoby).
Podana definicja jest użyteczna, ale
nie stosuje się do wszystkich
przypadków.
Przykład 1: samoreplikacja i
ewolucja: niektóre kryształy mogą
być uznane za żywe.
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 31
Przykład 2: Muły – mieszaniec
międzygatunkowy klaczy konia
domowego z ogierem osła.
Najczęściej bezpłodny, tylko ok. 5%
mulic jest płodnych.
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 32
Przykład 3: Wirusy:
• składają się z dwu głównych składników: kwasów nukleinowych (genom RNA lub DNA) i z białek;
• wykazują dużą różnorodność;
• nie posiada enzymów – brak metabolizmu;
• nie mogą tworzyć swoich własnych protein i nie mogą duplikować swojego materiału genetycznego;
• zwykle przenoszą geny programując do tego polimery, ale polimery muszą być syntetyzowane przez komórki – wirusy nie mogą istnieć bez komórki, nie są autonomiczne i nie mogą się replikować – nie spełniają definicji życia.
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 33
Przykład 4: Sztuczna inteligencja:
• programy, które naśladują
procesy życiowe – przenoszą i
modyfikują informację
analogicznie jak organizmy
żywe.
• czy sztuczna inteligencja może
być traktowana jak organizm
żywy?
DEFINICJA ŻYCIA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 34
CZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ŻYCIU
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 35
CZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ŻYCIU
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 36
• 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, inne źródła energii ważne dla
życia mld lat temu (stygnąca Ziemia, wulkany).
OBFITOŚCI PIERWIASTKÓW CHEMICZNYCH ASPLUND ET AL. (2009)
Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009)
Light elements BB
Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009)
Light elements
Alpha elements
BB
Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009)
Light elements
Alpha elements
Iron-peak elements
BB
Obfitości pierwiastków chemicznych Asplund et al. (2009)
Light elements
Alpha elements
Iron-peak elements
Rare-earth elements
Heavy elements
BB
neutron capture
Węgiel – najbardziej wszechstronny
pierwiastek Układu Okresowego
• Ilość – węgiel jest na 4 miejscu pod
względem obfitości we Wszechświecie;
• Najwięcej różnorodnych funkcji na
poziomie molekularnym;
• 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.
MATERIA ORGANICZNA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 42
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 ewoluowania.
MATERIA ORGANICZNA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 43
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 ~ 2000 molekuł
zawierających węgiel (molekuł
opartych na krzemie – 8).
MATERIA ORGANICZNA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 44
Krzem przypomina węgiel pod niektórymi
względami:
• również bardzo obfity we
Wszechświecie. Drugi najważniejszy
pierwiastek w skorupie ziemskiej (po
tlenie).
• posiada zdolność do tworzenia
wiązań kowalencyjnych (łańcuchy i
pierścienie).
• może tworzyć molekuły
wystarczająco duże do przenoszenia
informacji genetycznej.
MATERIA ORGANICZNA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 45
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.
MATERIA ORGANICZNA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 46
MATERIA ORGANICZNA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 47
Tlen jest trzecim najbardziej obfitym
pierwiastkiem we Wszechświecie;
Woda występuje na Ziemi i innych
obiektach Układu Słonecznego;
OŚRODEK – WODA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 48
OŚRODEK – WODA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 49
Zalety wody:
• 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;
OŚRODEK – WODA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 50
Zalety wody:
• 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.
OŚRODEK – WODA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 51
Inne możliwości: amoniak, kwas siarkowy, formamid, metan, etan, ciekły azot…
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 52
Amoniak NH3
• obfity we Wszechświecie;
• liczne reakcje chemiczne z
udziałem amoniaku;
• ciekły amoniak ma podobne
własności jak płynna woda;
• może rozpuścić większość
molekuł organicznych a także
metali;
• …
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 53
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 54
Amoniak jako podstawa życia:
• Wiązania wodorowe między molekułami są słabe (to określa temperaturę
parowania, napięcie powierzchniowe, ogranicza zdolność do koncentracji
cząstek) – z materii prebiotycznej nie powstałyby organizmy żywe.
• Amoniak jest palny w obecności tlenu i nie może istnieć w sposób trwały w
środowisku odpowiednim dla metabolizmu tlenowego.
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.
• reakcje chemiczne na ogół
przebiegają wolniej przy niższej
temperaturze.
• – życie na bazie amoniaku może
metabolizować wolniej i rozwijać się
wolniej niż życie na Ziemi.
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 55
Amoniak: ciekły w wyższych
temperaturach, ale przy znacznie
wyższym ciśnieniu; na przykład, przy
60 atm: -77° C +98° C.
Amoniak może być odpowiedni (?)
dla planet i księżyców orbitujących
poza strefą habitacyjną; np. pod
powierzchnią największego księżyca
Saturna, Tytana.
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 56
Metan CH4 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.
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 57
Metan CH4 i inne węglowodory:
• woda tworzy silne wiązania
wodorowe – problem dla wiązań
wodorowych złożonych cząstek
organicznych; węglowodory – nie
ma tego problemu.
• Węglowodory: Tytan?
OŚRODEK
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 58
Fotosynteza:
• Podstawowe źródło energii dla
życia na Ziemi
• Fotosynteza: proces wytwarzania
związków organicznych z materii
nieorganicznej;
ŹRÓDŁO ENERGII PROMIENIOWANIE SŁONECZNE: FOTOSYNTEZA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 59
• 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
ŹRÓDŁO ENERGII PROMIENIOWANIE SŁONECZNE: FOTOSYNTEZA
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 60
PODSUMOWANIE
2015-02-23 EN, ASTROBIOLOGIA 61
• Astrobiologia: nauka zajmująca się wszystkimi aspektami życia
we Wszechświecie;
• Definicja życia – problem;
• Organizmy żywe potrzebują materii organicznej, odpowiedniego
ośrodka i energii.