Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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?