Livsbetingelser i Universum
Föreläsning 2
Jordens historia och förutsättningar för liv
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Schema
Se också det detaljerade schema som finns på Studentportalen.
Där finns även för varje föreläsning referenser till kurslitteraturen.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Introduktion och generella funderingar
Jordens historia och förutsättningar för liv
Livets uppkomst och utveckling
Uppkomsten av vårt solsystem
Livbetingelser i solsystemet
Mars
Planeter kring andra stjärnor
Liv i andra stjärnsystem
Filosofiska funderingar
Övningar och diskussionsseminarier
Tentamen
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Föreläsning 2
Jordens historia och förutsättningar för liv
27/10
●
Hur bestämmer man ålder på jorden?
●
Vad vet vi om den tidiga jorden?
●
Hur utvecklades jorden och klimatet på jorden?
●
Vad är vattnets viktiga egenskaper och var kom det ifrån?
●
Varför är växthuseffekten viktigt?
●
Vad är liv och hur ser det ut?
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jorden är utgångspunken
för vår kunskap om liv
Jordens skiljer sig från
andra jordliknande
planeter i vårt solsystem
bland annat genom
●
●
Förekomsten av
flytande vatten
Jordens atmosfär
är syrerik
Rosetta (OSIRIS, ESA)
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Rotationen av
solnebulosen leder till
att det uppstår en
platt ansamlingsskiva.
Isrika kroppar klumpar
lätt samman, och gör
att jätteplaneternas
kärnor bildas.
Jätteplaneterna drar
till sig stora mängder
gas och växer stora.
I det inre solsystemet
bildas jordliknande
planeter från mindre
kroppar som består
mest av sten.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Hur bestämmer man ålder på
jordens bergarter?
●
●
●
●
27/10
Bergarter består av metaller
och mineraler, som i sin tur
består av atomer
Atomer som motsvarar
samma grundämne har
lika många protoner, men
kan ha olika många neutroner
Detta kallas att grundämnet
har olika isotoper
Isotoper av samma grundämne
har något olika massa
Livsbetingelser i Universum, HT16
Hur bestämmer man ålder på
jordens bergarter?
●
●
●
●
●
27/10
Mängden av olika isotoper av samma grundämne
ändras av en naturlig process, radioaktivt sönderfall
Vissa isotoper är ostabila, och sönderfaller till stabila
isotoper
Sönderfallet sker alltid med samma hastighet. Det
kan variera från bråkdelar av en sekund till 10-tals miljarder år.
Denna karakteristiska tiden kallas för halveringstiden,
den tid det tar för hälften av atomkärnorna att sönderfalla.
Förhållandet av olika isotoper gör det möjligt att
bestämma åldern på en bergart.
Livsbetingelser i Universum, HT16
Isotopisk sönderfall
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Halveringstiden av Kalium-40
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Användbara isotoper
Torium (Th), Uran (U) och Kalium-40 (40K) bildades i
solnebulosen, och är långlivade. De låter oss bestämma
åldern på bergarter.
Syre-16 (16O) är syrets vanligaste isotop, medan 18O är det näst
vanliga. Vatten innehåller båda isotoper, medan is
innehåller en större mängd 16O. När Jordens vatten
i större utsträckning finns i form av is ökar andelen 18O i
haven och i atmosfären. Genom att studera
isotopförhållandena mellan 16O och 18O kan man avgöra
när Jorden varit nedisad.
Kolisotopen 14C nybildas i övre delen av atmosfären, genom
kosmisk strålning. Dess halveringstid för sönderfall till den
'vanliga' isotopen 12C är 5730 år, vilket är alltför kort för livets
jordiska utvecklingsskala, men passar för modern historieforskning.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordens ålder
Meteoritstenar (som alla bildades
samtidigt som jorden) har en ålder på
4570 miljoner år.
Bland de äldsta mineraler på jorden
finns zirkonkristaller som är 4400
miljoner år gamla.
De äldsta bergarter finns på
Grönland och är 3800-3900 miljoner
år gamla och innehåller kolföreningar
som tycks ha organisk ursprung.
De äldsta fossiler av
mikroorganismer finns i berg från
Australien och Swaziland och är
3500 miljoner år gamla.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den tidiga jorden
Jorden var från början en mycket
varmare kropp.
Förekomsten av gamla zirkonkristaller
visar att jordens skorpa redan bildades för
mer än 4400 miljoner år sedan.
Under de första 500 miljoner år förekom
många meteoritnedslag och var en tid
med många vulkanutbrott. Jordens massa
fördubblades under denna tid.
Jupiters existens har spelat en viktig roll i
att snabbt rensa solsystemet på mindre
kroppar. Jupiter bidrog också till att Jorden
tillfördes kroppar från det yttre solsystemet.
27/10
Siljansringen
(från senare tid)
Livsbetingelser i Universum, HT16
Kratrar på månen
Fördelningen av
kratrar på månen visar
på ett våldsamt kosmiskt
bombardemang under
de första 500 miljoner år
(det stora
bombardemanget)
Månens högland består av bergarter som är 4400 miljoner år gamla
● Månens hav (maria) är 3900 år gamla, och har få kratrar.
●
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordens första atmosfär
●
●
●
27/10
Jordens första atmosfär uppstod under vulkanutbrotten
samt när gaser under de första 100 miljoner år
'sipprade' ur urberget.
Atmosfärens exakta sammanställning är osäker, men
koldioxid (CO2) var den vanligaste gasen (>80%). Det
förekom även kväve (N2) och svavelgaser (H2S och SO2).
Syre är ett mycket reaktivt ämne, och finns i stora mängder
i form av oxider i jordytan. Den första atmosfären
hade därför ingen fritt syre (O2).
Livsbetingelser i Universum, HT16
Stora nedslag steriliserar jorden
Vissa livsformer kan ha uppstått redan under de
första 500 miljoner åren.
Nedslag av kroppar med en diameter på > 350 km
var inte ovanliga. Dessa har globala effekter på klimatet :
●
Yttemperaturen ökar till 2000 grader eller mer
●
Vattnet i haven 'kokar' bort
●
Allt liv förstörs
Efter 500 miljoner år upphör de stora nedslagen.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Det stora sena bombardemanget
Fördelningen av storleken på
månkratrar och maria berättar även
att det förekom särskild många
(stora) nedslag mot slutet av
jordens första 500 miljoner år.
●
Orsaken är okänd, men troligen är
detta relaterat till migration av
jätteplaneterna.
●
Detta kan ha fört många 'små'
kroppar mot jorden, rika på vatten
och kolföreningar.
●
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Vattnets ursprung
I solnebulosens inre delar, närmnast solen, var
temperaturen för hög för vattenis att finnas kvar i
rymdstenerna som till slut formade de jordliknande
planeterna. Från början fanns därmed inget vatten
på jorden.
Det allmänna uppfattningen är att vatten fördes till
jorden med jättekometer från det yttre solsystemet,
möjligt så sent som under det stora sena
bombardemanget.
På samma sätt kan (komplexa) kolföreningar ha
kommit till jorden.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Den geologiska tidskalan
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordens
sammanställning
Från 'Earth', Press & Siever (1986)
Jorden i sin helhelt innehåller
mycket järn (35%), syre (30%),
kisel (15 %) och
magnesium (13%).
De dominerande grundämnen i
jordskorpan är syre (46%),
kisel (28%), järn (6%),
aluminium (5%) och
magnesium (4%).
De lätta grundämnen som är
vanligt förekommande i livets
strukturer (C, H, N) har en mycket låg förekomst i jorden.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordens geologiska struktur
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Kontinentaldrift
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordens
magnetfält
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Atmosfären driver växthuseffekten
Växthusgaser bidrar till en
ökad yttemperatur på jorden
Naturligt förekommande
växthusgaser är H2O, CO2
och CH4.
Diatomära molekyler, som
O2 och N2 kan inte absorbera
infraröd strålning, och bidrar
inte.
NB: Växthuseffexten är inte samma begrepp som 'global warming'
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
CO2 cykeln
I vattenlösning förenas CO2
med kalcium och fälls ut som
kalciumkarbonat, vilket är
huvudbeståndsdelen i Jordens
kalkmineral.
Dessa sedimentära bergarter
fanns inte från början utan
fälldes ut i haven och finns
lagrade tillsammans med
döda växter och djurfossil.
Största delen av Jordens kol finns idag i kalkbergen
och inte i levande eller döda organismer.
CO2 cykeln bidrar även till att stabilisera klimatet på jorden
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Bandade järnformationer
Det syre som bildades av
tidiga organismer förenade
sig med järn.
Först när all järn i haven var bundet till
syre, kunde en syrerik atmosfär
utvecklas.
Utan järn hade inga organismer med
en syreproducerande metabolism
kunna utvecklas.
Om det fanns mycket järn hade den syrerika atmosfären kanske
aldrig bildats.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordatmosfärens utveckling
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Jordens måne är unik i
solsystemet
Ingen jordlik planet har en
måne som är relativt lika stor
som Månen.
Månens tillkomst är svårt
att förklara.
Månens densitet visar att den
inte innehåller någon
metallisk kärna. Månstenar
visar att Månens komposition
liknar mest Jordens mantel.
Månen består av relativt få lätta
grundämnen.
27/10
Galileo, JPL (NASA)
Livsbetingelser i Universum, HT16
Månen skapades troligen genom att en mycket stor
kropp kolliderade med den tidiga jorden.
Månen måste ha tillkommit mycket tidigt i jordens
historia, för minst 4500 miljoner år sedan.
Kollisionen kan ha bidragit till jordens relativt snabba rotation.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Vad är liv?
Eller, hur kan liv definieras?
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Struktur
behövs för funktionalitet
Reproduktion
förutsättningen för livets fortsättning
Metabolism
levande organismer använder sig av en energikälla
Tillväxt och utveckling
ett levande organism är ingen statisk struktur
Reaktion på miljöfaktorer
ger en kortsiktig anpassning till en variabel miljö
Evolution
en mer komplex form av organismens anpassning
mellan generationerna, vilket leder till långsiktig utveckling
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Kan de följande klassas som liv?
Kristaller
Virus
Prioner
Struktur
Datorprogram
Reproduktion
Tillväxt och utveckling
Metabolism
Reaktion på miljöfaktorer
Evolution
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Evolution
Darwin observerade att det fanns en stor variation
bland Galapagosfinkarna, och fåglarna var väl
anpassade till de olika öarnas miljö.
Grundprincipen enligt den darwinistiska evolutionen
är att de bäst anpassade överlever, och producerar
flest avkomlingar.
Darwin visste ingenting om DNA, men utgick ifrån
att individuella egenskaper gick i arv.
Först senare visade Mendel att individens
egenskaper finns koderade i gener som ärvs ned
(en arvsmassa).
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Naturlig genetisk variation
En grundförutsättning för evolution är att reproduktionen
inte är perfekt.
Avkommans avvikelser från föräldraorganismen kallas mutation.
Vissa individer i avkomman är mera livskraftiga än föräldrarna,
andra är mindre livsdugliga.
Miljöfaktorer utövar ett genetiskt tryck som gynnar vissa
individer. Miljöfaktorerna kan vara mycket olika, och
kan leda till stora variationer inom olika geografiska områden.
Olika arter kan utvecklas från gemensamma förfäder.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Ett utvidgat evolutionsbegrepp
Mendels genetik, kombinerad med den darwinisktiska
evolutionen begränser sig till att individer väljs ut på grund
av nedärvda fördelaktiga egenskaper.
Detta ger intryck att evolutionen gynnar individen, och inte
en grupp av individer.
Individer som snyltar på en grupp kan på så sett bli mer
framgångsrika än gruppen.
Gruppen etablerar istället mekanismer som misgynnar
snyltare i samhället.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Ett utvidgat evolutionsbegrepp
Det finns också naturliga processer som möjliggör ett såkallad
horizontellt utbyte av arvsmassa - där arvsmassa delas mellan
helt olika arter - och evolution kan ske mycket snabbt.
På så sätt finns hela 'genpoolen' tillgänglig vid evolution.
Stora delar av bakteriella genom (>10%) har visat sig ha
uppkommit genom just horizontellt utbyte av arvsmassa.
Mekanismen fungerar bäst för små organismer, men det
förekommer även hos multicellulära organismer.
Evolution är inte enbart en slumpmässig process
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Enkel evolution skapar också komplexa strukturer
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Vad är livet gjort av?
Struktur
Reproduktion
Tillväxt och utveckling
Metabolism
Reaktion på miljöfaktorer
Evolution
Det måste ändå finnas en (molekylär) struktur
bakom dessa processer.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Livets minsta byggstenar
Kolväten består av väte (H) och
kol (C). Eftersom kol kan binda
fyra andra atomer, kan det lätt
bildas relativt komplexa
molekyler.
Bland kolväten finns bland annat
sockrar, som spelar en viktig roll
i livets energiomsättning.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Aminosyror
Aminosyror är molekyler i vilken en
central kolatom binder :
en väteatom (H)
● en karboxylgrupp (COOH)
● en aminogrupp (NH2)
● en karakteristisk sidogrupp (ett kolväte)
(vid den enklaste aminosyran, glycin,
enbart en väteatom)
●
Det är sidogruppen som gör att olika
aminosyror skiljer sig åt.
Alanin, en enkel aminosyra
Det finns 20 aminosyror som är vanligt
förekommande i naturen.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Aminosyror - högerhänta eller vänsterhänta?
Alla aminosyrorna utom glycin är asymmetriska.
Båda strukturer har samma kemiska egenskaper,
men i levande celler förekommer endast
vänsterhänta aminosyror.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Peptider
Genom att koppla aminogruppen (NH3) med
karboxylgruppen (COOH) kan det bildas långa kedjor
av aminosyror.
Enkla, relativ korta kedjor av 10-20 aminosyror
kallas för peptider.
I högre organismer har vissa peptider en roll som
signalsubstanser, såväl hormonell som neurologisk.
Eftersom peptider är korta molekyler, och bindningar
i molekyler kan rotera fritt, har peptider ingen
välbestämd 3-dimensionell form.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Proteiner
Proteiner är komplexa molekyler
som är långa kedjor av
aminosyror.
Dessa långa kedjor viker sig i en
stabil 3-dimensionell struktur. Den
komplexa strukturen ger proteinen
sin funktionalitet.
Proteinerna är basen för cellernas maskineri och svarar för
nästan all aktivitet. Proteinerna bryter ned olika ämnen och
bygger sedan upp nya ämnen som behövs i cellen. De
förmedlar också transport av viktiga ämnen in i cellen och
transporterar avfallsprodukter ut ur cellerna. Proteiner kan
också agera som signalsubstans.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Nukleinsyror : RNA och DNA
Nukleinsyrorna ansvarar för cellernas information och för hur
denna utnyttjas.
DNA är långa molekyler med lagrad
information om allt som kan
produceras i cellen, och innehåller
den genetiska koden.
RNA är en enklare variant av DNA,
och spelar en aktiv roll när den
genetiska koden skall användas för
att bygga upp framför allt proteiner.
(mer om detta nästa vecka)
27/10
RNA
Livsbetingelser i Universum, HT16
Vattnet är livets lösningsmedel
Vatten (H2O) är en enkel
asymmetrisk molekyl.
Vattnets asymmetri gör det till en
polär molekyl, som fungerar utmärkt
som lösningsmedel. Vatten löser
bland annat lipider, O2, CO2,
salter, proteiner, DNA, etc.
Vattnets polära struktur gör att
vattenmolekylerna attraheras av
varann (sk vätebindning). Detta
leder till relativt höga frys- och
kokpunkter (se tabel 7.1).
Dessutom har det den mycket ovanliga egenskapen att
is flyter på vatten, till skillnad från de flesta andra vätskor.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Alternativa livsformer baserat på kisel?
Kisel (Si) liknar kol (C) i den egenskapen att det kan bilda fyra
kemiska bindningar på en gång. Därför har kisel föreslagits
som alternativ bas för liv.
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Alternativa livsformer baserat på kisel?
Kisel (Si) liknar kol (C) i den egenskapen att det kan bilda fyra
kemiska bindningar på en gång. Därför har kisel föreslagits
som alternativ bas för liv.
Men
Kiselbindningarna är mycket svagare än kolets
● Kiseldioxid (SiO ) är ett fast material, och lösas inte i vatten
2
● Silan (SiH ) är mycket instabil och självantänder.
4
● Kisel kan inte skapa dubbelbindningar (och därmed inga
sockrar, DNA, etc).
● Kisel är mycket mer förekommande på jorden än kol
(mer än 1000 gånger!), så varför är all jordens liv ändå
kolbaserat?
●
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Extramaterial
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
Några slutsatser från idag
●
●
●
●
●
●
27/10
Halveringstiden av olika isotoper gör det möjligt att
mycket nogrannt bestämma jordens ålder.
Den tidiga jorden var mycket olik dagens jord, med
många vulkanutbrott och stora meteoritnedslag.
Jordens första atmosfär var relativt tung och innehöll
ingen syre. Koldioxid bidrar till att klimatet stabiliseras.
Det går att definiera begreppet liv.
Evolution är en av de viktigaste egenskaper för liv och
livets utveckling.
Förekomsten av (flytande) vatten och kol är en mycket
viktig förutsättning för förekomsten av liv.
Livsbetingelser i Universum, HT16
Nästa tillfälle
●
Hur bildas livets minsta byggstenar?
●
Hur och var kan livet ha uppstått?
●
●
27/10
Vilka är de äldsta spår av liv, och hur
såg det livet ut?
Hur utvecklades livet på jorden?
Livsbetingelser i Universum, HT16
27/10
Livsbetingelser i Universum, HT16
