Astrobiológia
UTV, 18.3.2021
RNDr. Tomáš Paulech, PhD. KAFZM, FMFI UK „Jediné zrno na veľkom poli je rovnako čudné ako jediný svet v nekonečnom vesmíre“ Metrodorus (400BC, študent Demokrita)
Vo vesmíre sú rádovo stovky miliárd galaxii. V každej galaxii sú stovky miliárd hviezd a ešte viac planét. Existuje iba jediný život? Astrobiológia – základné otázky
• Čo je život? Ako na Zemi vznikol a ako sa vyvíjal? • Existuje život inde vo vesmíre? Je unikát alebo zákonitosť? • Akú limity sú pre život určujúce? Sú univerzálne? • Ako hľadať života na iných vesmírnych telesách a na akých? • Aká je pravdepodobnosť nájsť inteligentné formy života a ako s nimi komunikovať? • Môžeme osídliť iné vesmírne telesá a za akú cenu (pre nás aj pre hostiteľskú planétu)? Astrobiológia – mozaika disciplín
Geo- a
Chémia Biochémia Biológia
Od Od neživého
a a evolúcia
k živému k
života Pôvod
Biomarkery: Astronómia Atmosferická Chemické stopy Definícia a
chémia Prvotného života detekcia
Proto
Rover
Mis
ie Zem
Planetarne Geológia Vesmírne vedy technológie
Filozofia, Etika
Adaptované podľa Gargaud et al., 2018 Definície a vlastnosti života Život – míľniky hľadania podstaty
• -4. stor. - Empedokles : „ život má dušu, ktorá je z atómov ohňa “ • 17. stor. - Vitalizmus - „élan vital“ dáva život - spontánny vznik života vďaka „životnej sile“ • 1676 – A. van Leeuwenhoek - mikroskop a pozorovanie mikroorganizmov – baktérií a kvasiniek (jednobunkových húb) • 1859 - Charles Darwin – O pôvode Druhov • 1866 – Gregor Mendel – zákony genetiky • od 19. stor – organická chémia – život používa bežné molekuly (močovina, vitamín C,...) • 1920 – A.Oparin+J.B.S.Haldane – teória abiogenézy • 1939 – Winston Churchill – Are we alone? (novoobjavená esej) • 1944 – Erwin Schroedinger – What is life? • 1952 – Urey+Miller experiment (organické zlúčeniny) • 1953 – Franklinová, Watson, Crick – molekulárna štruktúra DNA • 2003 – Human genome projekt – sekvenovanie kompletného genómu Urey-Millerov experiment
“A Production of Amino Acids under Possible Primitive Earth Conditions,” Stanley L. Miller, Science, Vol. 117, (May 15, 1953), pp. 528-529.
Vzniklo mnoho druhov aminokyselín (aj biogénne)
Urey-Millerov experiment, 1953 Univ. Chicago – simulácia proto-atmosféry Zeme 1996 - kauza meteoritu ALH84001 Život – neuzavretá definícia
• 1994 - G.Joyce, NASA – aktuálna najpoužiteľnejšia definícia života: ▫ život je samo-udržujúci sa chemický systém schopný Darwinovskej evolúcie
• Život ako prirodzený druh („natural kind“) ▫ Voda bola celé dejiny popisovaná iba vlastnosťami ▫ Odkedy bola zistená jej molekulárna povaha (H2O) boli odvodené všetky jej fyzikálne a chemické vlastnosti ▫ Je „život“ podobný prípad ako voda? – koncept, ktorý čaká na odhalenie podstaty, ktorou ho bude možné exaktne definovať? ▫ Dovtedy sme odkázaní popisovať aj život iba prejavmi a vlastnosťami Život – základné charakteristiky
• Komplexita - trvalý rast celkovej komplexnosti v biosfére ▫ Superorganizmy - trilióny eukaryotických buniek + mikrobióm + vírusy ▫ Emergentné javy (celok je viac ako jednoduchý súčet častí)
• Replikácia – živé objekty sa množia ▫ Šírenie a kopírovanie informačnej molekuly (RNA, DNA) ▫ Sebecké gény (jedince sú nástroje replikujúcich sa génov) – R.Dawkins
• Metabolizmus (homeostáza, využitie voľnej energie prostredia) ▫ Nástroje: chemiosmóza, respirácia, fotosyntéza, Krebsov cyklus, Calvinov cyklus... ▫ Rast/vývin – zachováva sa jedinec, nie jeho zložky (bunky/molekuly) ▫ Autotrofia/heterotrofia
• Interakcia s okolím (od komunikácie baktérií po ľudstvo)
• Evolúcia – vývoj a adaptácia v prostredí ▫ dynamika na úrovni druhov/populácií – prirodzený výber ▫ dlhodobo sa zachováva a vyvíja populácia, nie jedince ▫ nastane zákonite: variabilita, dedičnosť znakov, diferenciálna „fitness“ ▫ zabezpečila divergenciu všetkého života a jeho dnes pozorovanú rozmanitosť Porovnanie veľkosti genómov rôznych domén života (log. škála!) Funkcia DNA - Centrálna dogma MB
• DNA (genotyp) • RNA (mediátor) • Bielkovina (fenotyp) Príklady proteínov - Draslíkový kanál, Akvaporín, Laktáza, perCry Biogénne prvky a prebiotická chémia
Murchison meteorite, celkom cca 100kg, 75 aminokyselín
Biogénne prvky
• Biogénne prvky : „CHNOPS“ - tvoria 97% biomasy • C – uhlík - nosný prvok „organickej“ chémie • H – vodík - protónové gradienty, tvorí 2/3 atómov človeka • N – dusík - nukleotidy ACTG a mnoho ďalších zlúčenín • O – kyslík - vysoko reaktívny plyn, bunkové dýchanie eukaryot • P – fosfor - ATP, fosfolipidy, fosfátové skupiny RNA • S – síra - zložka dôležitých aminokyselín, aktívne zóny enzýmov
• CHNOPS sú základom: • aminokyselín/bielkovín • cukrov • ATP • RNA/DNA...
• Esenciálne stopové prvky - Na, Mg, K, Ca, Mn, Fe, Co, Cu, Cl,...
• Komplexné molekuly nachádzame vo vesmíre bežne ISM molekuly – mimozemská chémia Zrno pórovitého medziplanetárneho prachu Medzihviezdna hmlovina Carina Foto: NASA/ESA, časť hmloviny Carina Kométa 67P/Churyumov-Gerasimenko Kometárna chémia
Cathrin Atlwegg, Rosetta, Univ. Bern Pôvod vody na Zemi
Podľa: D. Breuer , Origin of the terrestrial planet‘s water, crust and atmosphere, Summer School “Basics of Astrobiology“, Vienna, 2018. Chémia základných kameňov života
H2, CO, CH4(metán), NH3(amoniak), N2, HCHO(formaldehyd), HCN (kyanovodík)
aminokyseliny lipidy cukry nukleobázy peptidy, proteíny membrány RNA, DNA
Základné stavebné bloky života – dostupné z prebiotickej chémie A.Pross, 2018 Abiogenéza a dejiny života na Zemi
Kolónia baktérií E.Coli (Wikipedia) Dejiny života na Zemi • Slnko má o 25% nižsiu svietivosť • Deň trvá 5-6 hodín • Mesiac len asi 230.000 km od Z. • Silné slapy – vlny 10-100m • Mikrozirkóny z praoceánu
Abiogenéza, LUCA
Sinice „vynašli“ oxygenickú Proteobaktéria a Archeon fotosyntézu. vytvorili eukaryotickú bunku O2 (toxický plyn) zmení celú endosymbiózou. planétu Z baktérie sa vyvinú mitochondrie stratou génov.
Obr: Wikipedia Banded Iron Formations – vrstvy pásového železa v horninách, Západná Austrália Všetky druhy Dobre definované druhy
Trend Krieda 75% druhov Hlavné vymierania Menšie vymierania Perm-Trias 90-96% druhov Ordovic-Silur Neskorý Devon 20-50% druhov Trias-Jura 60-70% druhov 70-75% druhov
Globálne vymierania komplexných organizmov (posledných 600 Myrs) Fylogenéza života LUCA – Last Universal Common Ancestor • LUCA = hypotetický organizmus/druh • predchodca 3 domén života: ▫ Bacteria ▫ Archaea ▫ Eukaryota
• LUCA – predpokladané (veľmi pokročilé) vlastnosti: ▫ (jedno)bunkový organizmus s dvojvrstvovou membránou ▫ DNA genóm 500-1000 génov ▫ Chemiosmóza cez membránu +ATP syntáza ▫ Genetický kód (platí Centrálna dogma molek. biológie) ▫ Katalýza reakcií proteínmi (variabilita biochemických dráh) ▫ Schopnosť EVOLÚCIE/speciácie
• Fylogenetický výskum - všetky živé organizmy zdieľajú spoločného predka vďaka evolúcii • najpodobnejšie k LUCA sú termofily, preto pôvod života hľadáme pri podmorských prieduchoch Extremofily
• Termofily (horúco) - hydroterm. komíny, gejzíry, max. 121°C • Psychrofily (chlad) – pod 15°C, Antarktída, jazero Vostok • Halofily (salinita a pH) – 15-37% koncentrácie, extrémne kyslé • Xerofily (sucho) – púšte, správa vody, v skalách • Piezofily (tlak) – 1000 atm., niekoľko km v Zemi a oceáne • Radiofily (žiarenie) – 1,5 roka vo vesmíre, reaktory • Väčšinou viac extrémov naraz
Deinococcus Methanopyrus kandleri a pyrococcus furiosus - hypertermofily radiodurans foto: Wiki Abiogenéza - fázy prebiotickej chémie
Netlogo simulácie vzniku fosfolipidovej dvojvrstvy Abiogenéza – hypotézy
• RNA world – vznik inform. molekuly a replikácie • Fe-S world – vznik metabolizmu • Lipid world – vznik membrány • Virus world (vírusy ešte pred prvými bunkami) • Panspermia – život nepochádza zo Zeme
• Presný scenár zrejme nikdy nespoznáme • Dôležité skúmať zákonitosti a predpoklady vzniku života Lokality abiogenézy
• Panspermia • Katalytické minerálne hliny • Povrchový metabolizmus • Primordiálna polievka • Čierne podmorské komíny • Zásadité hydrotermálne komíny
N.Lane, 2010 Stromatolity – kolónie cyanobaktérií zarastené v pórovitej hornine (Austrália) Lost City, Atlantický oceán – zásadité prieduchy na oceánskom dne a serpentinizácia Redox – príklady metabolizmov
• I – respirácia kyslíka • II – Metanogenéza • III – anaeróbna respirácia síry • IV – anaeróbna respirácia železa
Podľa Astrobiology Primer v2.0 Život na najbližších planétach? Venuša, Zem, Mars – geologické epochy
• Astrobiology primer v.2, p.599 Mars – recurring slope lineae (RSL)
In-situ výskum: Curiosity Perseverance Tianwen-1 Orbitery InSight Vodné svety Slnečnej sústavy
Saturn s mesiacmi Enceladus a Tethys
Mesiac Európa, Jupiter Enceladus@Saturn (Cassini) Enceladus- výtrysky hmoty spod ľadového povrchu (credit: NASA/JPL-Caltech) Titan – radarová mapa povrchu, moria metánu (Cassini+Huygens) Pluto – šípky ukazujú zlomy pravdepodobne sformované pri mrznutí oceánu 1/Ceres @ hlavný pás asteroidov
Zdroj: NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA 1/Ceres –sonda Dawn/NASA (2007-18) • pozorovanie stôp kryovulkanizmu • erupcia zmesi vody, kvapalného amoniaku/metánu pod bodom mrznutia vody • vytvára sa ľadový ekvivalent „magmy“ na úbočiach vulkánov (napr. Ahuna Mons, výška 4km nad povrch) • hypotéza: podpovrchový oceán slaného roztoku vody Zdroj: New Scientist Exoplanéty a hľadanie biosignatúr
Podľa www.trappist.one Čo robí planétu obývateľnou?
• zdroj kvapalnej vody • zdroj energie pre biochem procesy • zdroj prvkov • fyzikálne podmienky v limitoch biosfery • aktívne geochemické procesy ▫ vulkanizmus kôry vytvára zdroje energie ▫ platňová tektonika
• tekutá voda može existovať aj mimo obývateľnej zóny ! ▫ viď vyššie vodné svety v Slnečnej sústave ▫ pod ľadovým príkrovom je kvapalná voda (aj mimo OZ) ▫ voda sa udržuje gravitačným miesenim hmoty mesiaca Jupiterom/Saturnom Obývateľná zóna Štatistika exoplanét: • 4276 potvrdených planét • 3173 planetárnych sústav • 5000+ kandidátov
Grafy a dáta podľa exoplanetarchive.ipac.caltech.edu Alfa Cen Proxima b v obývateľnej zóne Hľadanie biosignatúr v spektre atmosféry exoplanéty Biosignatúry – hľadanie stôp života
• Podľa technológie: ▫ priame: detekcia na mieste (rovery, astronauti) – pre najbližšie telesá ▫ nepriame: detekcia zo žiarenia/svetla planéty a materskej hviezdy – exoplanéty ▫ zachytenie signálu mimozemskej inteligencie (ETI)
• Príklady biosignatúr: ▫ O2 a CH4 - súčasný výskyt (prítomnosť oxidujúcich a redukujúcich molekúl) aby existovali v atmosfére bez reakcie, musia byť stále doplňované samostatne nie sú silnými biosignatúrami – O2 môže vznikať aj pri fotodisociácii vody žiarením ▫ N2O – oxid dusný (rajský plyn) - silná biosignatúra, nemá známy abiologický proces vzniku ▫ O3, C2H6 (etán) – vedľajšie produkty zániku O2 a CH4 ▫ NO2, NH3, CH3Cl... – pôvod v biosfére, ale vo veľmi nízkych koncentráciách ▫ H2O, CO2 – nutné pre pozemský život, ale ľahko produkované nebiologicky ▫ FH3 – údajná detekcia fosfánu v atmosfére Venuše ▫ Fotosyntetické pigmenty - VRE (vegetation red edge) – pri cca 700 μm
• Nutné poznať a zvážiť kontext výskytu: stav planéty, atmosféry, hviezdy,... Inteligentný život mimo Zeme ? SETI – história - staršia • 17, stor. - Ch. Huygens (objaviteľ Titánu, fyzik, optik, matematik) ▫ Dažďové mraky na Marse, Venuši, Jupiteri považoval za mraky vody, ktoré využívajú miestne národy • 1826 – C.Gauss – návrh vyrúbať mega-trojuholník na Sibíri ▫ Signál Lunariánom, že na Zemi je inteligencia • 1835 – Lunariáni – „The Great Moon Hoax/Satire“ (poplašné články v novinách) • 19. stor. – Percival Lowell – kanály na Marse z kresieb G. Schiaparelliho ▫ pripisoval ich závlahovému systému Marťanov pri zániku ich civilizácie sa snažili zavlažovať z polárnych čiapok (vyvrátil Mariner 4 v r.1965) • 1900 – Prix Pierre Guzman - odmena 100.000 frankov tomu, kto dokáže komunikovať s inými telesami (Mars bol vopred vylúčený ako príliš ľahká úloha :-) ) • 1938 – Marťania prichádzajú – „The Great Martian Panic“ (rozhlasová relácia) • 1960 – SETI/Ozma projekt začína (C.Sagan, F.Drake) – na 21cm pásme H2 a OH • 15.8.1977 – WOW signal zachytený – 30x silnejší ako čokoľvek detegované dovtedy ▫ nikdy viac sa nezopakoval ▫ 72 sek. trvanie – bez zjavnej modulácie ▫ zdroj v Strelcovi ▫ zostáva bez vysvetlenia, 2012 Arecibo na 35. výročie WOW vyslalo signály k exoplanétam SETI – Great Moon Hoax E.T. - Strach z neznámeho... Contacting ETI
Správy pre E.T. Voyager 1+2 (nahrávky) Pioneer 1+2 (plakety) Arecibo signál Drakeova rovnica – inteligencia vo vesmíre?
• Drakeova rovnica – odhad počtu civilizácií v galaxii ▫ Frank Drake – pionier hľadania inteligencie
N = R x fp x ne x fl x fi x fc x L
▫ R = rýchlosť vzniku hviezd vhodných pre život ako je Slnko ▫ fp = časť takýchto hviezd s planétami ▫ ne = množstvo Zemi podobných planét v danom planetárnom systéme ▫ fl = časť z týchto planét na ktorej sa vytvoril život ▫ fi = časť životných foriem u ktorých sa vytvorila inteligencia ▫ fc = časť planét s inteligentnými formami, ktoré sú schopné komunikovať ▫ L = doba života komunikujúcej civilizácie
• Drake odhadol 10.000 civilizácii v našej Galaxii • Fermiho paradox – „Kde teda všetci sú“? • Hypotéza „vzácnej Zeme“ ▫ komplexný život je pravdepodobne extrémne vzácny SETI – Searching for ETI • 1967 – objav pulzaru a „Little green men“ ▫ Pulzar PSR B1919+21 s periódou 1,337s a pulzom 0,04s • 1995-2004 Phoenix project – 800 slnku podobných hviezd skúmaných najväčšími rádioteleskopmi • 2015 – Breakthrough-Listen – 20% času Greenbank+Parkes súkromne kúpených pre SETI • 2015 – Kepler pozorovania nezvyčajných variácií jasnosti hviezdy KIC8462852 (následný radioastronomický prieskum oblasti) • 2017 - 1I/Oumuamua ▫ 1. medzihviezdny asteroid s mimoriadne nezvyčajnými vlastnosťami ▫ Sondy s umelou inteligenciou: „Bracewell probe“, „Von Neumann probe“ ▫ Technosignatures - možné pozostatky technickej civilizácie (Dysonova sféra)
• SERENDIP Project – dlhodobý SETI projekt @Arecibo ▫ špeciálny prijímač počas konvenčného použitia • SETI institute ▫ V súčasnosti hľadanie pri červených trpaslíkoch (74% hviezd, žijú celú dobu trvania vesmíru) ▫ SETI@home – masívne paralelné analýzy signálov (5 mil. strojov) ▫ Allen Telescope Array, 42 rádioteleskopov 6,1m, San Francisco R.I.P. Arecibo, 500m FAST - Čína Aký život očakávať? Ďakujem za pozornosť Bonusy, ak máme čas a chuť... VIDEO respirácie:
Videos\Mitochondria_dych anie_animacia.mp4 Fotosyntéza – kvantová biológia Fotosyntéza Oxygen Evolving Complex PSII
• Chemicky Mn4O5Ca – špecifické priestorové usporiadanie • Anorganická molekula schopná disociovať vodu Fotosyntéza - chlorofyl
• Pigment fotosyntézy • Niekoľko typov: a, b,c1,d
• Chlorofyl a = C55H72O5N4Mg • Patrí do skupiny porfyrínov ▫ spolu s hémom (hemoglobín v krvi, Cytochróm v vo fotosyntéze, respirácii) ▫ Vznikajú aj geochemicky (asteroidy?), nielen biologicky • Absorbuje žiarenie slnka v červenej a modrej oblasti • Zelenú farbu odráža/nevyužíva na excitáciu e- • je vhodné redoxné činidlo (ako každý pigment) Fotosyntéza - chlorofyl
Hemoglobín-hémová skupina Video: Travel Deep Inside a Leaf