GLOBALNE CYKLE BIOGEOCHEMICZNE

pierwiastki życia

Grzyby

Istotny czynnik wietrzenia skał -dzięki włóknistej strukturze grzybni oraz zdolności do wydzielania kwasów organicznych i protonów.

C, H, O, N, P, S – 95% biosfery

Pierwiastki niezbędne dla życia

Rola CHONSP

Poniższe monomery:

oraz fosforany tworzą podstawowe typy polimerów niezbędne wszystkim organizmom żywym

DNA I RNA – reprodukcja i naprawy usterekBiałka - tworzą lokalne struktury Fosfolipidy – membranyWielocukry – stabilizacja ścian

Szczególna rola wodoru

Oprócz bycia niezbędnym składnikiemmolekuł organicznych jestczynnikiem w równowadze kwasowo-zasadowejoraz uczestniczy w reakcjach redoks.

Jon wodorowy powstaje w wyniku rozbicia molekuły wody w fotosyntezie

Powstający w membranach komórkowych gradient H+ jest źródłem energii dla dalszych etapów fotosyntezy

Pierwiastki niezbędne dla życia

Pierwiastek znaczenie toksyczność biologiczne dla zwierząt

H składnik związków organicznych

B istotny dla roślin lekka

C składnik wszystkich zależy od związków organicznych formy chemicznej

N składnik białek zależy od formy chemicznej

O niezbędny do oddychania ozon, nadtlenki

F istotny pierwiastek nadmiar szkodliwy śladowy (2,5 ppm)

Na elektrolit w roztworach nadciśnienie biologicznych, działanie nerwów

Mg enzymy, chlorofil niska

Pierwiastki niezbędne dla życia

Pierwiastek znaczenie toksyczność biologiczne dla zwierząt

Si istotny pierwiastek niektóre śladowy dla niektórych związki zwierząt, składnik toksyczne strukturalny

P ważny dla procesów niewielka dla metabolicznych, fosforanów oprócz kości, zęby, ich estrów fosfolipidy (insektycydy)

Cl elektrolit w roztworach niska dla Cl-, biologicznych wysoka dla Cl2 i

form utlenionych

K działanie nerwów niska

Ca kości, muszle, enzymy niska

V enzymy, metabolizm choroby płuc

Cr metabolizm cukrów toksyczny ikarcynogenny w formie Cr(VI), mniej jako Cr(III)

Pierwiastki niezbędne dla życia

Pierwiastek znaczenie toksyczność biologiczne dla zwierząt

Mn wiele enzymów umiarkowana

Fe potrzebny w znacznych niska ilościach, transport tlenu oddychanie i inne enzymy

Co ważny dla wielu toksyczny organizmów, enzymy, witamina B12

Ni istotny pierwiastek toksyczny, śladowy karcynogenny w

niektórych formach

Cu istotny pierwiastek umiarkowanie dla śladowy, enzymy redoks ssaków, bardziej

dla innych organizmów

Zn istotny pierwiastek lekka śladowy, wiele enzymów

As istotny pierwiastek śladowy bardzo, karcynogen

Pierwiastki niezbędne dla życia

Pierwiastek znaczenie toksyczność biologiczne dla zwierząt

Se istotny pierwiastek bardzo toksyczny śladowy, enzymy, chroni przed metalami ciężkimi

Br prawdopodobnie istotny nietoksyczny pierwiastek śladowy jako Br-

Mo istotny pierwiastek umiarkowanie śladowy, enzymy może utrudniać (m. in. asymilacja N) wchłanianie Cu

Sn istotny pierwiastek śladowy niska

I tarczyca niska jako I-

W składnik enzymów zwykle organizmów żyjącychnierozpuszczalny, przy podmorskich nietoksyczny źródłach hydrotermalnych

Pochodzenie pierwiastków

-4

0

4

8

12

0 20 40 60 80liczba atomowa

log

(N) [

Si =

6] H

He

BBe

Li

O

N

C

Th

U

Rozpowszechnienie pierwiastków w Układzie Słonecznym

1. Lekkie (N<30) pierwiastki dominują.2. Pierwiastki o parzystych liczbach

atomowych są bardziej rozpowszechnione niżte o liczbach nieparzystych.

Przyczyny: przebieg nukleosyntezy.

C, H, O, N, P, S – 95% biosfery

Pierwiastki niezbędne dla życia

Powstanie Układu Słonecznego i Ziemi

Układ Słoneczny powstał przed 4,6 miliardów lat z materii pozostałej po wybuchu supernowej.

Pierwotna Ziemia była bardzo gorąca i pozbawionaatmosfery.

Ochłodzenie Ziemi i spowolnienie bombardowania przez meteoryty umożliwiły pojawienie się ciekłej wody 3,8 mld. lat temu.

Gazy, oprócz N2, rozpuściły się w pierwotnym oceanie tworząc kwasy zneutralizowane następniew procesach wietrzenia chemicznego.

Wczesna Ziemia kształtowana przez procesy fizyczne

Proces Rezultat

Grawitacyjne osiadanie materii Uformowanie 4,5 mld. lat temu Ziemi bogatej w Fe

Zapadnięcie się stopionego Powstanie pola żelaza w głąb i utworzenie magnetycznegociekłego jądra

Oderwanie Księżyca Ustalenie osi, wydłużenie dnia z 5 do 24 h

Schłodzenie Ziemi Powstanie skorupy i płaszcza

Bombardowanie przez meteoryty Powtórne stopienie płaszczaByć może powstanie kwaśnego morza

Dalsze bombardowanie Wprowadzenie związków organicznych, np. aminokwasów

Wczesna Ziemia kształtowana przez procesy fizyczne

Proces Rezultat

Drugie schłodzenie Ziemi Uformowanie 4 mld. lat temupowierzchni Ziemi

Aktywność wulkaniczna Środowisko bogate w CO2 i H2S

Głębokie pęknięcia Środowisko, w którym dna oceanicznego powstało życie?

Historia atmosfery

Eksperyment Ureya i Millera

C + H + O + N + energia = aminokwasy

Aminokwasy to jeszcze nie życie. Potrzebne są bardziej złożone molekuły. Jak powstały?

Powstanie złożonych molekuł organicznych i funkcji

życiowych

• matryce minerałów ilastych

• koacerwaty – prymitywne błony komórkowe

• zdolność pewnych molekuł organicznych do samo-replikacji, np. RNA

Zaproponowano wiele mechanizmów, np.:

Chemotypy

Prokariota Chemoautotrofy Energia z utlenionych

substancji Fe3+, SO42-, NO3

-

Fotoautotrofy Energia ze światła Aeroby Tolerują i wykorzystują O2

Wykorzystują Mg2+, Fe2+, Mo

Jednokomórkowe Eukariota Cholesterol, sygnały przekazywane przez Ca2+

roślinne fotosyntetyczne, osiadłe grzybowe zależne od roślin, osiadłe zwierzęce trawiące, ruchome,

wykorzystują Cu i Zn

Klasyfikacja organizmów ze względu na kluczowe dla ich życia procesy chemiczne

Chemotypy

Wielokomórkowe Eukariota Rośliny fotosyntezujące, osiadłe Grzyby tworzą strzępki, osiadłe Zwierzęta ruchome organizmy

obdarzone zmysłami i układem nerwowym wykorzystujące Na, K, Cl

Ludzkość Wiele nowych sposobów wykorzystania substancjichemicznych i źródeł energii

?

Czas powstania najważniejszych grup

organizmów (chemotypów)

Organizm Przybliżony czas powstania

Prokariota (4,0 – 3,5) × 109

Aerobowe Prokariota 3,0 – 2,5 × 109

Jednokomórkowe Eukariota (2,5 – 2,0) × 109

Wielokomórkowe Eukariota 1,0 × 109

Rośliny i zwierzęta 500 × 106

Zwierzęta z układem nerwowym (250) × 106

Ludzkość 1 × 105

Rozpowszechnienie pierwiastków

w skorupie ziemskiej i w organizmach ludzkich [ppm] (Exley, 2003)

0,000004Si0,02Ni0,11Cd19

0,000011Al.0,2Mn14Pb18

0,00021Mn0,7Cd25N17

0,00025Ni0,9Al50Cu16

0,0015Fe1,0Si75Zn15

0,012Mg1,0Cu80Ni14

0,02Cu1,7Pb260S13

0,062Na33Zn480C12

0,095K60Fe950Mn11

0,121Pb271Mg1000P10

0,35Ca1429Na1520H9

0,44Zn2000K21 000K8

1,3O2000S23 000Mg7

7Cd11 143P23 000Na6

8S14 286Ca41 000Ca5

11P25 714N41 000Fe4

66H100 000H82 000Al3

476C228 571C277 000Si2

1029N614 285O474 000O1

ludzie/litosferaludzielitosferamiejsce

Rozpowszechnienie pierwiastków

w skorupie ziemskiej i w organizmach ludzkich [ppm] (Exley, 2003)

ludzie/litosferaludzielitosferamiejsce

0,000004Si0,02Ni0,11Cd19

0,000011Al.0,2Mn14Pb18

0,00021Mn0,7Cd25N17

0,00025Ni0,9Al50Cu16

0,0015Fe1,0Si75Zn15

0,012Mg1,0Cu80Ni14

0,02Cu1,7Pb260S13

0,062Na33Zn480C12

0,095K60Fe950Mn11

0,121Pb271Mg1000P10

0,35Ca1429Na1520H9

0,44Zn2000K21 000K8

1,3O2000S23 000Mg7

7Cd11 143P23 000Na6

8S14 286Ca41 000Ca5

11P25 714N41 000Fe4

66H100 000H82 000Al3

476C228 571C277 000Si2

1029N614 285O474 000O1

Biogeochemiczna ewolucja

0,000004Si

0,000011Al.

0,00021Mn

0,00025Ni

0,0015Fe

0,012Mg

0,02Cu

0,062Na

0,095K

0,121Pb

0,35Ca

0,44Zn

1,3O

7Cd

8S

11P

66H

476C

1029N

ludzie/litosfera czas

Życie bez udziału tlenu

Pojawienie się tlenu

Chemia metali

Człowiek zwiększa rozpowszechnie glinu w biosferze

Historia glinu

Małe znaczenie Al w niezaburzonych cyklach biogeochemicznych związane było ze słabą rozpuszczalnością jego związków.

Człowiek znacznie zintensyfikował obieg Alpoprzez produkcję aluminium i wpływ na procesy wietrzenia.

W efekcie działalności człowieka znacznie wzrosłystrumienie Al do biosfery.

Potencjalne skutki zintensyfikowania obiegu Al dla biosfery, w szczególności dla człowieka (choroba Alzheimera, cukrzyca) nie są znane.

Okresy geologiczne

Era Okres Przedział czasu(mln. lat temu)

Kenozoik Czwartorzęd 1,6 –Trzeciorzęd 65 – 1,6

Mezozoik Kreda 144 - 65Jura 208 – 144Trias 245 – 208

Paleozoik Perm 286 – 245Karbon 360 – 286Dewon 408 – 360Sylur 438 – 408Ordowik 505 – 438Kambr 551 – 505(Prekambr) 700 – 551

Proterozoik (eon) 2500 – 551Archaik (eon) 3800 – 2500Hadean (eon) 4600 – 3800

Granice życia - Archeowce

Organizmy potrafią wykorzystywać wszelkie pary reakcji redoks do pozyskiwania energii.Prosta struktura umożliwia archeowcom przetrwanie w ekstremalnych warunkach:

- niskie i wysokie temperatury- niskie i wysokie pH- wysokie ciśnienia- ograniczona dostępność wody- duże zasolenie- duże dawki promieniowania

Smokersy

Podmorskie gejzery, zlokalizowane w ryftach oceanicznych.

Smokersy

Podmorskie gejzery, zlokalizowane w ryftach oceanicznych. Odkryte w 1977,są siedliskiem nieznanych wcześniej formŻycia, nie wykorzystujących energii Słońca

Lost City

System hydrotermalny na

śródoceanicznym Grzbiecie Atlantyckim.Zasilany abiotycznym CH4 i H2 powstającymi podczas serpentynizacjiświeżego perydotytu przez wodę morską.

temperatura wody: 40º - 90ºC pH wody: 9 – 11

Niezwykła bioróżnorodność i duża biomasa oparte o organizmy chemoautotroficzne.

Historia tlenu

3,8 mld lat temu

SINICE cyanobacteria Pierwsze fotosyntezujące organizmy

Stromatolity

Wstęgowe formacje żelaziste

Banded Iron Formations

Głównie 3 – 1,8 mld lat temu

Historia tlenu

2,4 mld lat temu

Tlen obecny w atmosferze, wpływał na zachodzące w niej procesychemiczne.

Organizmy tlenowe mogły być skupione w „oazach” utleniającśrodowisko tylko lokalnie.

Historia tlenu

1,9 mld lat temu

Najstarsze makroskopoweskamieniałości organizmów wymagających do życia tlenu

Historia tlenu

Dopiero 0,6 mld lat temu

Zawartość tlenu w atmosferze wzrosła do poziomu bliskiegoobecnemu i pojawiły się, najpierw w morzach, rośliny podobne współczesnym.

Historia tlenu

Miliony lat temu

Stęż

enie

tlen

u

Stężenie tlenu wyrażone jako ułamek stężenia w obecnej atmosferze (21%)

Życie na Marsie?

Warunki niezbędne dla powstania życia:

• woda

• związki węgla

• źródła energii

Życie na Marsie?

• podobieństwo wczesnych historii Ziemi i Marsa (ciepły, wilgotny klimat)

• geomorfologiczne dowody obecności wody na powierzchni Marsa

woda

Życie na Marsie?

woda

Życie na Marsie?

• obecne w marsjańskich meteorytach

• możliwe źródła (również dla Ziemi): meteoryty, komety i pył międzygwiezdny

Związki węgla

Życie na Marsie?

• światło słoneczne

• reakcje redoks

• źródła hydrotermalne

energia

Życie na Marsie?

Przekazanie form życia pomiędzy Ziemią i Marsemza pośrednictwem meteorytów?