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:

niemczura@astro.uni.wroc.pl)

• 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.