piątek, 29 sierpnia 2014

Dlaczego na Ziemi mogło powstać życie?

Zanim zacznę, chcę podziękować wszystkim, którzy brali udział w ankiecie (przepraszam że tak długo to trwało). Wynik głęboko mnie zdziwił, ale bardzo cieszę się, że głosowaliście i wybraliście ten temat. Chciałbym również poinformować, że 3 inne tematy dostępne w ankiecie tj. Jak powstaje nowy gatunek, Dlaczego ewolucja jest prawdą, oraz  Błędy kreacjonistów będą również zrealizowane (może w formie jednego większego artykułu). A teraz zapraszam do lektury artykułu na zwycięski temat Dlaczego na Ziemi mogło powstać życie? Artykuł zaczyna się dość nietypowo (jak na mnie) bo od cytatu z Karl’a Sagan’a, z książki Błękitna kropka. Człowiek i jego przyszłość w kosmosie. Dlaczego od cytatu? Bo mi się podoba, a może nie ściśle, ale delikatnie nachodzi na realizowany temat.

Kropka o której pisze Sagan. Ta kropka to Nasz Dom. 
Przyjrzyj się tej kropce. To tutaj. Dom. To my. Na niej wszyscy których kochasz, wszyscy których znasz, wszyscy o którychkolwiek słyszałeś, każdy człowiek żył na niej, żył swoim życiem. Zlepek naszych radości i cierpienia, tysięcy zatwardziałych religii, ideologii i ekonomicznych doktryn, każdy myśliwy i zbieracz, każdy bohater i tchórz, każdy twórca i niszczyciel cywilizacji, każdy król i chłop, każda młoda, zakochana para, każda matka i ojciec, pełne nadziei dziecko, wynalazca i odkrywca, każdy nauczyciel moralności, każdy skorumpowany polityk, każda „gwiazda”, każdy „najwyższy przywódca”, każdy święty i grzesznik w historii naszego gatunku żył tutaj- na pyłku kurzu zawieszonym w promieniach Słońca. […].

Ziemia jest jedynym światem jaki znamy, będącym portem życia. Nie ma nigdzie indziej, przynajmniej w najbliższej przyszłości, miejsca do którego nasz gatunek mógłby się przenieść. Odwiedzić, tak. Osiedlić się, jeszcze nie. Czy Ci się to podoba, czy nie, w tym momencie, Ziemia jest naszym miejscem. Mówi się, że astronomia jest upokarzającym i budującym charakter doświadczeniem. Być może nie ma lepszej demonstracji szaleństwa ludzkiego, niż ten odległy obraz naszego małego świata. Dla mnie to podkreślenie naszej odpowiedzialności do bycia bardziej uprzejmym dla siebie i zachować i pielęgnować te małą, błękitną kropkę, jedyny dom jaki znamy. (tłumaczenie moje- dość luźne).

Przez ogromny obłok pyłu i wodoru, liczący kilka lat świetlnych średnicy przedziera się ogromny błysk. Błysk ten pochodzi z ogromnej kosmicznej katastrofy- supernowej, która wybuchła nieopodal (od kilku do kilkudziesięciu lat świetlnych od obłoku). Obłok ten prawie w całości składał się z wodoru, nieznacznej ilości helu i śladowych ilości pierwiastków ciężkich. Wodór pochodził z aktu nukleosyntezy Wielkiego Wybuchu, natomiast pierwiastki cięższe tj. krzem, żelazo, rtęć, ołów, gal, fosfor i inne obecne w obłoku, powstały podczas wybuchów supernowych. Dzięki takim wybuchom pierwiastki takie zostały odrzucane w przestrzeń, gdzie z czasem mieszały się z obłokami gazowymi, dzięki czemu powstały ogromne chmury, które dały później początek układom planetarnym takim jak nasz.

Dlaczego jest to istotne? Początek historii Ziemi ma miejsce około 5 miliardów lat temu w galaktyce Drogi Mlecznej (prawie tak starej jak Wszechświat- szacuje się jej wiek na 13 miliardów lat), w miarę spokojnej okolicy, od czasu do czasu wstrząsanej ogromnym wybuchem supernowej. Dzięki takiemu wybuchowi, było możliwe przejście ogromnej fali energii i napływ nowej materii do ogromnego obłoku molekularnego. Wybuch taki, pomagał w zamierzchłej przeszłości na wprawieniu takiego molekularnego obłoku w ruch, oraz powstanie w nim lokalnych zagęszczeń materii.

Układ Słoneczny miał szczęście. Obłok molekularny, który dał początek naszemu najbliższemu, kosmicznemu otoczeniu powstał w ramieniu Oriona ogromnej, spiralnej galaktyki Drogi Mlecznej. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie są to perypetie galaktyki, właściwie można by powiedzieć, że znajdujemy się (prawie) w połowie drogi od jej centrum na obrzeża. Jest to położenie unikalne. Jak już  wspomnieliśmy, do powstania zaczątków Układu Słonecznego potrzebny był ogromny obłok molekularny. O obłok nie trudno- tych w galaktykach jest pełno. Ale aby powstał z niego układ planetarny (podobny do naszego Układu Słonecznego), potrzeba do tego specjalnych warunków. W pobliżu muszą występować wybuchy Supernowych, aby wprawić wszystko w ruch i dostarczyć niezbędnych składników. Oczywiście wybuchy nie mogą być zbyt częste, aby nadmiar energii nie doprowadził do rozproszenia składników obłoku, ale wybuchy nie mogą być też zbyt rzadkie aby całość mogła zadziałać. Trzeba patrzeć również na odległości- nawet częste wybuchy, ale oddalone zbyt daleko od obłoku nie miałyby sensu, ponieważ energia która dotarłaby do protoukładu byłaby zbyt mała, aby cokolwiek wskórać. Podobnie rzadkie wybuchy, ale w zbyt bliskiej odległości, doprowadziłyby do rozproszenia materii.

Nasze położenie jest unikalne- dzięki temu, że znajdujemy się mniej więcej w połowie odległości między centrum a obrzeżem Drogi Mlecznej, znajdujemy się w komfortowej sytuacji. Im bliżej centrum Drogi Mlecznej tym znajdujemy tam więcej masywnych gwiazd, które mogą skończyć swój żywot jako Supernowa- jak wiemy, zbyt częste i zbyt bliskie wybuchy są niewskazane jeśli chcemy stworzyć układ planetarny jak nasz. Zbyt dalekie oddalenie od centrum skutkowałoby rozrzedzonym występowaniem gwiazd, stąd nawet jeśli doszłoby do wybuchu Supernowej, mało prawdopodobne by znajdowała się ona w takiej odległości aby dostarczyć akuratną ilość energii. Miejsce które zajmujemy jest niejako kompromisem- w przeszłości wybuch Supernowej wprawił w ruch masywny obłok molekularny i spowodował powstanie w nim zagęszczeń materii, a z uwagi na nasze położenie wybuchy Supernowych są na tyle rzadkie, że bezpośrednio nam nie zagrażają. Oczywiście nie jest nigdzie powiedziane, że układy planetarne nie występują przy gwiazdach w centrum galaktyk jak i na ich obrzeżach, ale automatycznie szansa na powstanie takiego układu jest mniejsza- a ściślej mówiąc, szansa na powstanie układu w którym znalazłyby się planety na których mogłoby zagościć życie.

Mieliśmy szczęście. Wybuch Supernowej (prawdopodobnie typu II) skutkował powstaniem dysku protoplanetarnego- dla wyjaśnienia, obłok molekularny miał kształt zbliżony do kulistego; w miarę przyspieszania jego obrotu wirowego zaczął się spłaszczać. Ogromny obłok molekularny wirował i wirował coraz szybciej, a materia w nim zawarta utworzyła swego rodzaju skupiska. W centrum obłoku znajdowało się największe skupienie materii- protosłońce. Ogromny obłok wodoru wraz z rosnącą masą zaczął zbijać się w coraz większe ciało. W niedługim czasie (około 100 000 lat od powstania) tarcia pomiędzy atomami tej chmury były tak znaczące, a jego masa i gęstość tak wielka, że nasze Słońce zapłonęło. Z początku bardzo nieśmiało i na innych zasadach jak dziś. Pierwsze wyemitowane z powierzchni protosłońca promieniowanie nie pochodziło z reakcji jądrowej. Wtedy one nie zachodziły. Gaz na skutek kurczenia ogrzewał się coraz bardziej aż zaczął świecić tak jak świeci żarnik w żarówce. Z czasem, gdy temperatura we wnętrzu rosła coraz bardziej i bardziej, mogło dojść do procesu syntezy termojądrowej- gdy atomy wodoru spotykają się, tworzą atomy helu i emitują przy tym ogromną porcję promieniowania, która w owym czasie przedzierała się przez ogromny dysk pyłu i kosmicznego kurzu.

Dysk protoplanetarny
W międzyczasie powstawania Słońca, w materii rozproszonej dookoła protogwiazdy rodziły się planety. Wspomnieliśmy już, że wielki obłok molekularny składał się głównie z wodoru i helu, ale występowała w nim również domieszka ciężkich pierwiastków tj. żelazo, nikiel, krzem czy siarka. Są to pierwiastki cięższe niż gazowy wodór i hel. Dzięki temu na skutek wirowania całego obłoku ciężkie pierwiastki zgromadziły się bliżej jego wnętrza. Dziś wiemy, że ilość tych ciężkich pierwiastków równa była masie Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa. Te cztery małe planety skaliste uformowały się z ciężkich elementów obłoku molekularnego. Reszta gazowych elementów uformowała kolejne planety, znane jako gazowe giganty: Jowisz, Saturn, Uran i Neptun. Podobnie jak w wirówkach laboratoryjnych- ciężkie elementy spadają na jej dno, a lekkie unoszą się do góry- działo się tak i w obłoku. Ciężkie elementy przemieściły się bliżej Słońca, a lżejsze znalazły się w dalszej odległości.

Ogromne skupiska materii przemieszczały się w obłoku, zderzały się z innymi i rosły z każdą chwilą. Po kilku milionach lat, na skutek ich indywidualnego oddziaływania grawitacyjnego z materią obłoku uformowały się planety. Ponownie mieliśmy szczęście- Ziemia powstałą w idealnej odległości. Ani za blisko, ani za daleko od Słońca. Ilość promieniowania jakie do nas dociera jest „w sam raz”. Nie jest tu ani za gorąco ani za zimno. W linku znajdziecie mój inny artykuł, mówiący trochę szerzej o tym jak powstała Ziemia. 

Stosunkowa bliska obecność Słońca jest korzystna nie tylko ze względu na odpowiednią ilość energii świetlnej jaka do nas dociera. Im bliżej Słońca tym mniej ciał niebieskich mogących spaść na Ziemię i siać spustoszenie. Od wewnątrz osłania nas w miarę bliskie Słońce. Od zewnątrz ochrania nas Księżyc (w linku znajdziecie mój inny artykuł o tym jak powstał Księżyc) oraz gazowe olbrzymy, które z uwagi na swoje masy i rozmiary ściągają na siebie potencjalnie niebezpieczne ciała niebieskie (oczywiście nie wszystkie!).

Ale powinniśmy również podziękować gazowym gigantom. To one przyczyniły się do naszego istnienia. W momencie formowania się Układu Słonecznego, kolejność występowania planet była nieco inna niż obecnie. Uran i Neptun powstały znajdowały się znacznie bliżej Słońca niż obecnie. Cztery gazowe olbrzymy były wtedy zbyt blisko siebie. Układ był niestabilny.

W pewnym momencie prawdopodobnie Jowisz i Saturn znalazły się między sobą w pozycjach, w których ich oddziaływania grawitacyjne dosłownie wykopały na peryferia Układu Słonecznego Urana i Neptuna. Zdarzenie nie jest tak ważne z naszego punktu widzenia, gdyby nie fakt, że na obszarach Układu Słonecznego znajdował się ogromny pas „pozostałości” po formowaniu się układu planetarnego. Wcześniej spokojny, zawierający miliardy małych i większych ciał, niebieskich pierścień otaczał Układ Słoneczny. Na skutek migracji na obrzeża zarówno Neptuna i Urana doszło do ogromnych zmian. Ogromna część małych ciał niebieskich pierścienia zaczęła wędrówkę do wewnątrz Układu Słonecznego. Miliardy małych ciał w zawrotnym tempie wystrzeliły prosto w kierunku nowopowstałej Ziemi, której powierzchnia była jeszcze płynna z gorąca, a Księżyc dopiero co skończył się formować.

Na powierzchnie młodej Ziemi przez trzysta milionów lat, bez przerwy spadały małe i większe ciała niebieskie. Jedne wielkości pięciozłotówki, inne większe niż największe szczyty górskie. Dlaczego było to dla życia istotne? Podczas Wielkiego bombardowania na Ziemie trafiła woda. Prawie każde małe i duże ciało niebieskie, pochodzące z pasa otaczającego Układ Słoneczny przed migracją gazowych olbrzymów zawierało w sobie małe ilości zmrożonej wody. Jest to bardziej niż pewne.

Przez trzysta milionów lat nieustannego bombardowania na powierzchnie Ziemi trafiły w ten sposób miliony ton wody. Oczywiście ze względu na panujące wtedy temperatury od razu odparowywała, ale ze względu na słuszny rozmiar Ziemi, grawitacja jaką wytwarzała (i wytwarza!) nasza planeta była na tyle silna, że utrzymała parę wodną przy powierzchni.

Po wielu milionach lat kondensowania pary wodnej odbierała ona w oczywisty sposób ciepło. Na okrągło spadały deszcze, od razu odparowywały- zabierając przy tym ciepło z powierzchni planety, a unosząc się w atmosferze rozpraszały tą energię, dzięki czemu mogły ponownie spaść. Po kilku milionach lat takiej cyrkulacji, powierzchnia planety ochłodziła się. Spadł wtedy pierwszy ogromny deszcz, który trwał wiele lat (może kilkaset lat). Na powierzchnie już chłodnej Ziemi spadała woda zgromadzona w atmosferze.

Księżyc, który w tamtych czasach znajdował się zdecydowanie bliżej powierzchni Ziemi niż obecnie nieustannie mieszał i przesuwał ogromne ilości wody.

Doszło do kolejnej ważnej z punktu widzenia życia rzeczy. Woda zaczęła przesączać się przez płaszcz ziemski. Tam, we wnętrzu naszej planty była ogrzewana. Gorąca, właściwie wrząca woda przemieszczała się we wnętrzu płaszcza ziemskiego wymywając ze sobą wszystkie zgromadzone w nim minerały i gazy. W krytycznych miejscach znajdowała ona ujścia. Na dnie ogromnych oceanów powstały kominy hydrotermalne. Ogromne, wysokie kominy wyrzucały głęboko pod powierzchnią ogromne ilości nasyconej najróżniejszymi minerałami wody.

Tam, w tym nieprzyjemnym, gorącym, przesyconym środowisku powstało życie. Zanim jednak zastanowimy się dlaczego powstanie życia było możliwe w takim otoczeniu, przyjrzyjmy się wnikliwie na jakich fundamentach życie się opiera.

Węgiel- fundament życia jakie znamy. 
Węgiel. Fundament życia. Niepozorny pierwiastek okresu drugiego, grupy czternastej Układu Okresowego. Czarne ciało stałe, niespecjalnie atrakcyjne. A jednak wszystko co widzimy i co żyje zbudowane jest z atomów węgla w najróżniejszych konfiguracjach i połączeniach. Nie chciałbym tutaj kopiować mojego wcześniejszego artykułu (LINK)który mówi, dlaczego akurat węgiel jest tym jedynym pierwiastkiem, który stał się podstawowym składnikiem organizmów żywych, ale po krótcy chciałbym przedstawić najważniejsze fakty.

Po pierwsze pierwiastek który byłby tym fundamentem wszystkich związków budujących organizmy żywe musi być stabilny- nie może ulegać rozpadowi radioaktywnemu (nie chodzi mi o izotopy). Musi występować oczywiście też naturalnie w przyrodzie. W taki sposób naszych kryteriów nie spełnia już kilkanaście pierwiastków. Trzeba pamiętać, że musi on tworzyć wiązania chemiczne (odpadają tutaj gazy szlachetne), muszą być to wiązania kowalencyjne (odpadają wszystkie metale), musi być w miarę reaktywny (odpada kilka pierwiastków tj. azot, bor i kilka innych), ale nie nazbyt aktywny (odpadają fluorowce, tlen, wodór i kilka innych). Z pozostałych kilku pierwiastków wybieramy ten, którego wiązania są najsilniejsze- węgiel.
Mieliśmy szczęście- wielki obłok molekularny musiał być bogaty w węgiel, że starczyło go na tyle, że występuje na Ziemi w postaciach i ilościach zapewniających jego wykorzystanie przez tworzące się życie.

Tylko gdzie to życie mogło powstać? 

Na szczęście nie muszę dawać odpowiedzi na to pytanie- w końcu artykuł dotyczył czynników jakie pozwoliły na jego pojawienie się… jego powstanie to całkiem inna bajka. Artykuł proszę traktować mocno poglądowo. Przedstawiłem tylko najważniejsze czynniki, które pozwoliły życiu na szansę zaistnienia.

Szukaj Nas na Facebook! 

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz