Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 24 – vyšlo 4. srpna, ročník 21 (2023)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Meteority a život na Zemi

Josef Čada

Dlouhé roky se debatuje o původu života na ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Jedna z nejvíce diskutovaných hypotéz je tzv. panspermie (z řeckých slov πάν – pan, česky všeσπέρμα – sperma, česky sémě), která je založena na představě, že k nám život doputoval z hlubin vesmíru v podobě jednoduchých mikroorganizmů. Tuto hypotézu poprvé vyslovil v pátém století př. n. l. řecký filozof Anaxagorás. V dnešním pojetí nám říká, že život existuje v celém vesmíru a šíří se prostřednictvím vesmírného prachu, meteoroidůMeteoroid – těleso obvykle vzniklé postupným rozpadem komet nebo planetek Hlavního pásu mezi Marsem a Jupiterem. Některé meteoroidy mohou být pozůstatkem původního materiálu, z něhož vznikala Sluneční soustava. Meteoroidy se pohybují v meziplanetárním prostoru., kometKometa – těleso malých rozměrů obíhající kolem Slunce většinou po protažené eliptické dráze s periodou od několika let po tisíce roků. Při přiblížení ke Slunci se vypařuje část materiálu jádra a kometa vytváří komu a eventuálně ohon. Jde o pozůstatky materiálu z doby tvorby sluneční soustavy. Dnes se nacházejí v Oortově oblaku za hranicemi sluneční soustavy, ve vzdálenosti 20 000÷100 000 au. Některé komety pocházejí i z bližšího Kuiperova pásu.planetekPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu., ale i kosmických lodí, které nechtěně přenášejí mikroorganizmy.

Přinesla vesmírná tělesa život na Zemi?

Přinesla vesmírná tělesa život na Zemi, jak tvrdí teorie panspermie?
Zdroj: Simon Turner, Macquarie University.

Meteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch.

Meteoroid – těleso obvykle vzniklé postupným rozpadem komet nebo planetek Hlavního pásu mezi Marsem a Jupiterem. Některé meteoroidy mohou být pozůstatkem původního materiálu, z něhož vznikala Sluneční soustava. Meteoroidy se pohybují v meziplanetárním prostoru.

Aminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH2. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností.

ISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka.

Bakterie – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné organizmy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu, až na výjimky nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Typické tvary bakterií jsou kulové a tyčinkovité, mohou mít však i jiné tvary, například spirální. Velikost bakterií se obvykle pohybuje od zlomků mikrometrů po jednotky mikrometrů. Rozmnožují se nepohlavně.

Japonský experiment na Mezinárodní vesmírné stanici

V roce 2015 upevnilo robotické rameno na vnější část Mezinárodní vesmírné staniceISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka., letící ve výšce 400 kilometrů nad Zemí, krabičku s mikroby, kteří neměli žádnou ochranu před kosmickým zářenímKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 1020 eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km2. Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., včetně ultrafialového, gama a rentgenového elektromagnetického záření. Cílem experimentu bylo ověřit, zda zvládnou přežít tři roky. Kladný výsledek experimentu umožnil vědcům uvažovat schopnosti života cestovat mezi planetami.

Robotické rameno umísťující experiment na povrch japonského modulu Kibo

Robotické rameno umísťující experiment na povrch japonského modulu Kibo
Mezinárodní vesmírné stanice. Zdroj: NASA, JAXA.

S raketou společnosti SpaceXSpaceX – Space Exploration Technologies Corporation, soukromá technologická společnost působící v aerokosmickém průmyslu. Byla založena Elonem Muskem v roce 2002, z peněz za prodej jeho podílu v systému PayPal. V současné době provozuje rakety Falcon 9 a Falcon Heavy. Raketa Falcon 9 se v dubnu 2020 stala raketou s nejvyšším počtem startů v aktivní službě (84 startů). Na tomto postu vystřídala raketu Atlas V (83 startů). SpaceX také provozovala kosmickou loď Dragon, která v rámci první fáze programu CRS (Commercial Resupply Services (CRS) dovážela zásoby k ISS. Celkem došlo k 20 misím, ze kterých 19 bylo úspěšných. Vylepšená verze této lodi Dragon 2 bude dopravovat nejen zásoby (druhá fáze programu CRS), ale i astronauty na ISS v rámci programu Commercial Crew Program. K prvnímu letu s lidskou posádkou by mělo dojít 27. května 2020. V rámci programu Artemis, bude zásobovací loď Dragon XL dopravovat zásoby k lunární stanici Gateway. V současné době SpaceX pracuje na svém ambiciózním projektu s názvem Starship, který, pokud bude úspěšný, se stane prvním zcela znovu použitelným raketovým nosičem, jehož upravený první stupeň (také pojmenovaný Starship) v rámci programu Human Landing System bude pravděpodobným přistávacím modulem pro program Artemis. vyletěly tři krabičky bakterií: jedna byla určená na jeden rok expozice, druhá na dva roky a třetí na tři roky. Poté, co astronauti experiment připravili, robotické rameno ovládané ze Země uchopilo panely s bakteriemi a umístilo je na japonský modul KiboKibo (ISS) – japonský laboratorní modul připojený k Mezinárodní kosmické stanici v roce 2008. provozovaný japonskou vesmírnou agenturou JAXAJAXA – Japan Aerospace eXploration Agency, japonská kosmická agentura, která vznikla v roce 2003 sloučením tří institucí: ISAS (Institute of Space and Astronautical Science), NAL (the National Aerospace Laboratory of Japan)a NASDA (National Space Development Agency of Japan). Ke svým letům agentura využívá kosmodrom USC (Uchinoura Space Center). V současnosti používá JAXA nosnou raketu H-IIA. JAXA využívá Tanegašimské kosmické středisko (na ostrově Tanegašima, 115 km jižně od ostrova Kjúšú).. Každý panel obsahoval dvě malé hliníkové destičky poseté dvaceti mělkými jamkami pro různě velká množství bakterií. Jedna deska směřovala k Mezinárodní vesmírné stanici, druhá do vesmíru.

Robotické rameno každý rok plošinu s panely odmontovalo a vrátilo ji zpět na ISSISS – International Space Station, mezinárodní vesmírná stanice. Od roku 1993 je společným projektem americké NASA, Ruska, Kanady, evropských států sdružených v kosmické agentuře ESA a Japonska. První modul byl vynesen v roce 1998, první posádka na stanici byla v roce 2000. V roce 2008 byl k ISS připojen evropský výzkumný modul Columbus. V roce 2011 byl instalován víceúčelový americký modul Leonardo a v roce 2021 zatím poslední ruský modul Nauka. V roce 2011 letěl k ISS poslední raketoplán. Od té doby zajišťují styk se stanicí lety ruských lodí Sojuz, v poslední době se přidaly lodi Crew Dragon soukromé společnosti SpaceX. Na ISS operuje stálá posádka., aby astronauti mohli poslat vzorky na Zemi k analýze. Jejich výsledky ukazují, že bakterie Deinococcus radiodurans tříletý experiment přežily. Buňky bakterií Deinococcus ve vnějších vrstvách jamky odumřely, ale tyto odumřelé vnější buňky chránily ty uvnitř před nenapravitelným poškozením DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.. A když bylo množství bakterií dostatečně velké – stále tenčí než milimetr – buňky uvnitř přežily několik let.

Kromě vytvořených ochranných vrstev buněk umístěných v jamkách panelu jsou samotné bakterie Deinococcus radiodurans pozoruhodně odolné vůči poškození zářením. Jejich genyGen – úsek DNA se specifickou funkcí, který je schopen utvářet při dělení buňky svoje vlastní přesné kopie, které se přenáší do dalších generací. kódují unikátní proteinyProteiny – bílkoviny, velké organické molekuly tvořené aminokyselinami uspořádanými do lineárních útvarů. Tyto dlouhé řetězce jsou pospojovány peptidovými vazbami (vazba karboxylové skupiny jedné molekuly a aminoskupiny druhé molekuly)., které opravují DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.. Zatímco lidské buňky nesou dvě kopie DNA a většina bakteriálních buněk jednu, Deinococcus radiodurans obsahují až deset nadbytečných kopií. Více kopií důležitých genů znamená, že buňky mohou produkovat více kopií proteinů, které opravují DNA poškozenou zářením. Tento vrozený obranný mechanizmus v kombinaci s ochrannými vnějšími vrstvami buněk udržel mikroby naživu navzdory radiaci, která byla více než dvěstěkrát vyšší než na Zemi.

Tento a další experimenty, například experiment Pařížské univerzity, naznačují, že život se ve vesmíru může přenášet snadněji, než bychom si mohli myslet.

Japonský astronaut Kimiya Yui připravuje experimentální panel s bakteriemi

Japonský astronaut Kimiya Yui připravuje experimentální panel s bakteriemi.
Zdroj: JAXA.

Železné meteority a život na Zemi

Výzkumníci z Institutu Maxa PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s po­boč­kami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. pro astronomii a Ludwigovy-Maximilianovy univerzityLMU – Ludwig-Maximilians-Universität München, česky Mnichovská univerzita či Ludwigova-Maximilianova univerzita. Významná německá univerzita založená v roce 1472. Má 19 fakult, přes 50 tisíc studentů a je s ní spojeno 34 Nobelových cen. v Mnichově provedli řadu experimentů s meteorityMeteorit – pozůstatek po meteoroidu, těleso pocházející z meziplanetárního prostoru, které se srazilo s planetou (Země, Mars, …), přežilo průlet atmosférou a dopadlo na povrch. a sopečným popelem, které ukázaly nový způsob, jakým mohly na počátku zemské historie vznikat organické molekuly. Klíčovou roli zde sehrály železné částice z meteoritů a sopečného popela, které působily jako katalyzátory. Katalyzátory jsou látky, které urychlují konkrétní chemické reakce, aniž by byly v procesu spotřebovány.

S pomocí železných částic mohly v primitivní atmosféře vznikat první organické molekuly z oxidu uhličitého, včetně uhlovodíků, acetaldehydu nebo formaldehydu. Tyto látky jsou stavebními kameny pro mastné kyseliny, nukleové báze (stavební kameny DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace.), cukry a aminokyselinyAminokyseliny – organické sloučeniny charakterizované přítomností karboxylové skupiny –COOH a aminoskupiny –NH2. V biochemii jsou významné α-aminokyseliny, u kterých jsou obě funkční skupiny, karboxylová i aminoskupina, vázány ke stejnému uhlíku. V živých organismech se až na výjimky vyskytují převážně levotočivé aminokyseliny. Reakcí mezi karboxylovou skupinou a aminoskupinou dvou aminokyselin vzniká peptidová vazba. Aminokyseliny se pomocí peptidové vazby mohou řetězit do složitějších molekul, peptidů. Peptidy dělíme podle počtu aminokyselin na oligopeptidy, vzniklé zřetezením nejvýše deseti aminokyselin a polypeptidy tvořené větším počtem aminokyselin. Bílkoviny (proteiny), které jsou strukturním a funkčním základem živé hmoty, jsou polypeptidy s velkou molekulární hmotností.. Tyto organické molekuly jsou stavebními kameny pro složitější organizmy. Jejich vznik byl prvním krokem v posloupnosti událostí, které přinesly na Zemi život. Vznik prvních (eukaryotickýchEukaryota – jedna ze tří domén (nadříší) organizmů (archea, bacteria, eukaryota), jednobuněčné i vícebuněčné organizmy, které obvykle mají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory a genetickou informaci umístěnou v podobě lineárních řetězců DNA v formovaném jádře. Rozmnožují se pohlavně i nepohlavně.) buněk trval asi dvě miliardy let.

Fragment meteoritu Campo del Cielo

Fragment meteoritu Campo del Cielo, na fotografii je vidět roztavená část. Při tavbě povrchu se nejspíše do atmosféry uvolnily nanometrové částice železa. Tyto částice mohly působit jako katalyzátor pro vznik organických sloučenin nutných ke vzniku života na Zemi. Fotografie: Oliver Trapp, MPG.

Inspirace průmyslovou chemií

Klíčovou inspirací pro tento výzkum byla, jak se ukázalo, průmyslová chemie. Je známo, že oxid uhelnatý a vodík mohou být přeměněny na uhlovodíky s pomocí kovových katalyzátorů. Této reakci se říká Fischerova-Tropschova syntéza. Oliver Trapp, profesor na Ludwigově-Maximilianově univerzitě v Mnichově, začal uvažovat, zda by tento proces nemohl proběhnout i na rané Zemi s atmosférou bohatou na oxid uhličitý.

Následnými experimenty se jeho vědecká skupina pokusila prokázat, že tato verze Fischerovy-Tropschovy syntézy skutečně mohla proběhnout na Zemi krátce po jejím vzniku. Podmínky velmi mladé Země simulovali v laboratoři s pomocí částic železa pocházejících z železného meteorituMeteorit železný – siderit. Skupina meteoritů tvořená výhradně redukovaným materiálem – slitinami železa a niklu s možnými silikátovými inkluzemi a vzácnými – akcesorickými minerály. Představují pravděpodobně (ve většině případů) materiál z jader planetesimál vzniklý v počátcích vývoje pevných těles., železno-kamenného meteorituMeteorit železno-kamenný – siderolit, meteorit tvořený rovným podílem slitin železa a niklu a silikátového materiálu. Rozlišujeme skupinu pallasitů (meteority tvořené téměř výhradně silikátovým minerálem – olivínem a slitinami železa a niklu) a mezosideritů (meteority tvořené slitinami železa a niklu společně se směsí silikátových minerálů nejčastěji pyroxeny a plagioklasy). nebo sopečného popela z Etny. Výsledky experimentů ukazují, že za podmínek simulujících v laboratoři mladou Zemi vznikalo v pradávné atmosféře díky železnému prachu značné množství organických sloučenin, jako jsou metanol, etanol a acetaldehyd, stejně jako formaldehyd. Acetaldehyd a formaldehyd patří ke klíčovým látkám pro tvorbu základních stavebních kamenů života: mastných kyselin, nukleových bází, cukrů a aminokyselin. Výsledky silně naznačují, že takové reakce se skutečně mohly odehrávat na rané Zemi – a to zcela nezávisle na přesném složení tehdejší atmosféry, které nyní neznáme.

Blokové schéma experimentu provedeného týmem profesora Olivera Trumpa

Blokové schéma experimentu provedeného týmem profesora Olivera Trumpa
 na Ludwigově-Maximillianově univerzitěLMU – Ludwig-Maximilians-Universität München, česky Mnichovská univerzita či Ludwigova-Maximilianova univerzita. Významná německá univerzita založená v roce 1472. Má 19 fakult, přes 50 tisíc studentů a je s ní spojeno 34 Nobelových cen. . Zdroj: Oliver Trapp, LMU.

S výsledky experimentů publikovaných v roce 2023 v prestižním časopise Nature se objevila nová možnost, jak byly první stavební bloky života na Zemi vytvořeny. Přidává se ke „klasickým“ mechanizmům, jako je organická syntéza v blízkosti horkých průduchů na dně oceánu, elektrické výboje v atmosféře bohaté na metan, a k modelům, které předpokládají, že organické sloučeniny mohly vznikat v hlubokém vesmíru a byly na Zemi přepraveny planetkami nebo kometami. Nyní je zde další možnost: železné částice, které na Zemi pršely během raného bombardování meteority, nebo byly součástí jemného sopečného popela. Tyto částice velmi pravděpodobně působily jako katalyzátory v rané, na oxid uhličitý bohaté atmosféře, ve které život na Zemi vznikal.

Stejně jako v reálném životě je pravděpodobné, že k cíli nevede jen jedna cesta, ale hned několik. Díky tomuto novému způsobu vzniku života se nabízí široká škála možností. Je pravděpodobné, že další výzkum prvotní atmosféry a fyzikálních vlastností rané Země objasní, který z různých mechanizmů přináší v reálných podmínkách nejvyšší výtěžnost tvorby stavebních kamenů života. Role železa jako katalyzátoru má jednu zvláštnost: tento prvek vznikal v nitrech obrovských hvězd. Tyto hvězdy na konci svého života explodovaly jako supernovy a obohatily mezihvězdný plyn o složitá atomová jádra. Mezi nimi je i železo, potenciální katalyzátor života, který se mohl aktivovat nejen na Zemi.

*  *  *

Ať už tedy meteority přinesly na Zemi život ve formě odolných bakterií, či významně pomohly tomu, aby zde mohly bakterie vznikat, je jasné že velmi pravděpodobně hrály důležitou roli ve vzniku života na Zemi. Výzkum nadále pokračuje s cílem lépe porozumět, jaký přesně měly meteority vliv na vznik života a jak se život může šířit vesmírem. Tyto studie také přispívají k našemu pochopení možnosti existence života na jiných planetách a měsících v naší Sluneční soustavě, či dokonce i v jiných planetárních soustavách. Také nám tyto výzkumy ukazují, že život může existovat i tam, kde ho nečekáme, a to pro nás v budoucnosti může představovat problémy. Je třeba dbát na to, abychom nepřinesli bakterie do prostředí, kde by mohly narušit potenciální jiné formy života či znehodnotit výzkum.

Snímek oxidovaných částic meteoritu Campo del Cielo ze skenovací elektronové mikroskopie

Snímek oxidovaných částic meteoritu Campo del Cielo ze skenovací
elektronové mikroskopie. Zdroj: Oliver Trapp, LMU.

Odkazy

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage