Az élet nyomában a Marson

Átírás

1 Az élet nyomában a Marson Kereszturi Ákos 1,2, 1 Collegium Budapest (Institute for Advanced Study), 2 Magyar Csillagászati Egyesület, 3 ELTE TTK Csillagászati Tanszék Copyright: az anyag, és annak részletei forrásmegjelöléssel, változtatás nélküli formában szabadon felhasználhatók. Forrás megjelölése: Kereszturi Ákos, Kuti Adrienn: A víz és az élet nyomában a Marson, Polaris Csillagvizsgáló, a Mars hónapja előadássorozat, 2007 december Polaris Csillagvizsgáló,

2 élet fogalma, Gánti Tibor (1970-es évek) megfigyelés, műszer tervezése keresett jellemzőket ismerni kell földi példák víz és szén alapú élet, életjelenségek keresése nincs választás földihez hasonlót kell keresni Mit keresünk? Kemoton absztrakt modell Célpontok: esetleges egykori élet nyoma esetleges mai élet nyoma helyszíni vizsgálatok földi analógiák, számítógépes modellezés, számítások (marsi paraméterek és környezetek vizsgálata) Mars szimulációs kamra kísérletek könnyen vizsgálható életnyomok keresése: csak felszíni, felszínközeli környezetek Viking kísérletek Gánti Tibor NASA, JPL

3 Mit bírnak ki a földi élőlények? Vizsgálati szempontok: szaporodni képes csak anyagcserére képes semmire nem képes, de megfelelő körülmények között ismét aktív kedvező viszonyok között sem lesz többé aktív Hőmérséklet határok: -15 C (Crypotendolithotrophs baktériumok) +113 C (Pyrococcus furiosus) Víz aktivitás >~0,6, vízgőz is elég Lúgosság-savasság határok: ph=13 (Plectonema nostocorum) ph=~0 (Cyanidium caldarium) Sóoldat határok: Dunaliella salina telített sóoldatban is Nyomás határok:? min atmoszféra Sugárzás határ: Deinococcus radiodurans emberre halálos sugárdózis 2000-szerese Inaktív állapot túlélése: Streptococcus mitus Surveyor-3: 2,5 év a Holdon egyéb földi mintáknál bizonyított: millió év, vitatott: 20 millió év

4 Keresési határok kijelölése Extremofilek tűrőképességének határai: T > -15 C (-20 C?) víz aktivitás a w > 0,6 MEPAG (Mars Exploration Program Analysis Group) Special Regions: bolygóvédelmi szempontok speciális régió: ahol egy űrszonda érkezése után a feltételek lehetővé tehetik a földi élőlények elszaporodását Kritériumok: -20 C feletti hőmérséklet 0,5 feletti víz aktivitás Megfelelő környezetek/időszakok keresése: hőmérséklet és víz tanulmányozása tér és időbeli változások vizsgálata

5 Felszíni víz lehetősége Mars H 2 O készlete pólussapkák körforgás a felső (évszakos) rész és a légkör között réteges szerkezet elsősorban az északiból jut vízgőz a légkörbe kb. 10 m egyenérték permafroszt (krioszféra) régi H 2 O egy része a regolitba fagyott poláris térségeken: felszínig is érhet m egyenérték 2001 Mars Odyssey (neutron spektrométer)

6 Felszíni víz lehetősége légköri vízgőz nagyon kevés (5-100 μm ) Mars H 2 O készlete adszorbeált H 2 O légköri H 2 O-készlet ~10-szerese néhány cm vastag rétegben

7 Folyékony H 2 O hőmérséklet és nyomás a hármaspont felett, de a nyomásfüggő forráspont alatt nyomás: 3-10 mbar T H =273,16 K; p H =6,1173 mbar ha p<p H H 2 O jég T növekedésére elszublimál olvadáspont: növekvő nyomással csökken kedvező területek: északi félteke: Amazonis és Elysium Planitia, Arabia déli félteke: Hellas és Argyre medencék.

8 Felszíni földtani, kémiai viszonyok: olvadáspont csökkentők különböző sók olvadáspontot, vízgőznyomást csökkentik Marson eleve sok só várható marsfelszíni fő olvadáspont csökkentők: szulfátok 8-15%, kloridok + bromidok 0,5-1,5% Kérdés, probléma: víz aktivitást is csökkentik tolerálni kell a sókat

9 Mai víz lehetősége a Marson Egykori víznyomok sok idős (>3,5 milliárd éves), kevés fiatal (millió-100 millió éves) vízfolyásnyom kevés mállásnyom rövid vizes időszakok meleg + nedves eleinte hideg + nedves később Víz mai előfordulásának becslése: GCM fiatal tónyomok Ma kevés vízre utaló lehetséges nyomok: sárfolyások lejtősávok DDS-szivárgás

10 Lehetséges vízfolyásnyomok 1. Sárfolyások (gullies) olvadó hófoltok (MRO: nem valószínű) felszín alól kitörő sós víz? nem is víz? Horton Newsom, MEPAG V-1 MPF MER-B V-2 MER-A Horton Newsom, MEPAG

11 Lehetséges vízfolyásnyomok 2. Lejtősávok (nyakkendők, slope streaks) alacsony szélességen, sajátos morfológia porlavinák? antarktiszi analógia (Head 2007) Horton Newsom, MEPAG Head et al

12 Lehetséges vízfolyásnyomok 3. DDS-szivárgás (Dark Dune Spotsseepage) besugárzás + jég hőszigetelése + adszorbeált víz nedves szemcsefolyás? magas déli szélesség (50-80S) helyi tavasz (Ls= ) Collegium Budapest, Mars Astrobiology Group

13 Lehetséges vízfolyásnyomok nincs erős bizonyíték elmúlt években: népszerű mikroskálájú környezetek modellszámítások és in-situ megfigyelések összekapcsolása elméleti lehetőség a folyékony vízre

14 További paraméterek: felszíni kémiai összetétel Felszíni összetevők: C, H, N, O, P, S és egyéb biológiailag fontos elemek elérhetők a felszínen szerves anyag szinte nincsen mérgező nehézfémek (Zn, Ni, Cu, Cr, As, Cd stb.) agresszív oxidánsok Szerves anyagok: Viking kimutatási szint alatti pedig meteoritokban hullik szenes kondritok anyagának kb. 3%-a ez valami pusztítja a szerves anyagot a felszínen Oxidánsok (H 2 O 2 stb.): szerves anyag gyors lebontás Viking LR kísérletek félrevezetése? keletkezés: porördögök (földi példa: 20 kv/m feletti elektromos erőtér, keletkezhet CO, O, OH, H, ezek marsi légkörrel kölcsönhatva H 2 O 2 -t produkálnak) UV sugárzás + H 2 O

15 További paraméterek: hőhullám behatolási mélység napsütés felszíni melegedés nappal: meleg leáramlása éjjel: hűlő felszín hővesztése behatolási mélység = napi hőingás mélysége befolyásolja: anyag szerkezet összetétel jégtartalom napi: porban 5-10 cm összefüggő kőzetben cm jég tartalmú anyagban kb. jégtükör éves: fentiek átl. 2-3-szorosa éghajlati kilengésekkel kapcsolatban még nagyobb Möhlmann 2004 Napi felszín alatti hőváltozás modell

16 További paraméterek: ultraibolya sugárzás inaktív / aktív állapotban szükséges védelem közepes és magas szélességen: H 2 O hó cm H 2 O jég m CO 2 jég 2-4 m kőzet mm Córdoba-Jabonero et al Córdoba-Jabonero et al. 2005

17 Víz mikroskálájú megjelenése Kapilláris víz, vízfilm -20 C felett, jég és kőzet szemcsehatároknál száraz légkörben eltávozik Adszorbeált H 2 O réteg: szilárd felületeken néhány molekula vastag Van der Waals kötés révén folyékony viselkedésű, 2 dimenziós folyadék kb. -75 C-ig létezik egy vagy több monolayer egymáson (>0,3 nm) mindenhol a Marson, az egyenlítőnél is erős kötődés, geológiai időskálán is stabil Víz aktivitás következményei: H 2 O + UV foto-fenton reakció (néhány tömeg% H 2 O elég): Fe 3+ + H 2 O + UV = Fe 2+ + H + + OH - oxidánsok szerves anyag lebontás H 2 O + SO 3 kénsav mikroszkopikus transzportfolyamatok Földön pl. permafrosztban fontos az élőlényeknek élelmiszeripari alkalmazások adszorbeált víz kapilláris víz Mary Voytek, MEPAG

18 Víz aktivitás fogalma a w =rh/100=p/p 0 (a w =vízaktivitás, rh=relatív nedvesség) vízgőz parciális nyomása: aktuálisan/folyékony vízréteg felett egyensúlyi állapotban egyenlő a relatív nedvességgel a H 2 O molekulák rögzítettségét fejezi ki biológiai szempontból: H 2 O elérhetősége Vízaktivitás/vízfilm vastagság: 0,99 4 mikrométer nanométer (~10 H 2 O molekula) nanométer (1-3 H 2 O molekula) Jellemző értékek: tiszta víz:1,0 tengervíz 0,98 tömény NaCl oldat 0,75 jégben -40 C-on 0,67 Víz aktivitást csökkenti: hőmérséklet csökkenése oldat töményedése páratartalom csökkenés globálisan Decagon Devices

19 Víz aktivitás a Marson Becslés, értelmezés: amikor a légköri nedvesség egyensúlyban van a tárgyban/élőlényben lévővel globális átlag vízgőz parciális nyomása ált. 0,8 mikrobar de relatív nedvességtartalom néha 100% (pl. fagy képződése, főleg éjszaka) Lehetséges értékek: mennyiség: a felső mm, cm-es rétegben napi és évszakos ciklus szerint változik nagyságrendileg kg/m3 a mars-talajban (1 tömeg%, ez 1-2 monolayer) napi ciklus: maximum éjszaka H2O rétegek száma H2O rétegek száma Möhlmann 2004 víz aktivitás Möhlmann 2004 tél nyár helyi idő (óra)

20 Kedvező mikrokörnyezetek: H 2 O és hőmérséklet együttese szempontjából: ahol a felszíni H 2 O a légkörrel egyensúly van, ott előbb elszublimál, mint hogy folyékony halmazállapotba menne termodinamikailag nem egyensúlyi térségek fontosak: napi és évszakos skálán nem egyensúlyi: napi/évszakos felszíni fagyréteg éghajlatváltozás skáláján nem egyensúlyi: egyenlítő környéki H 2 O dúsabb vidék Bill Boynton, MEPAG lehetséges határérték ideális régió víz aktivitás mai Marsi sekély felszín alatti egyensúlyi állapot lehetséges határérték hőmérséklet (C)

21 Potenciális nem egyensúlyi környezetek mai hőanomáliák Hőanomáliák: THEMIS éjszakai mérései nem találtak hőanomáliát éghjlati kilengések (22000 éve északi nyáron volt perihélium) + hőhullám behatolási mélység lehetésges vulkáni aktivitás: meleg kőzetek Olympus Mons: 2-5 millió éve Elysium Planitia fagyott tenger (?) 5-10 millió éve északi pólussapka fiatal vulkánok? nem látszik annyira fiatal vulkáni nyom, ahol ma is meleg kőzetek lehetnek becsapódásos kráterek meleg állapota: 3 km 100 év 10 km 1000 év 30 km év

22 Potenciális nem egyensúlyi környezetek mai H 2 O anomáliák H 2 O anomáliák (H 2 O mobilitás): Jég vándorlás: napszakos évszakos globális éghajlat változásoknak megfelelő Lokálisan: száraz légkörbe könnyebben szublimál el, mint ahogy kicsapódik sekély felszín alatti régióból szublimál: felfelé a légkörbe lefelé hidegcsapdába belefagy periodikus fűtés kiszárítja a felszín alatti régiót

23 ALH marsi meteorit vizes környezetben képződött karbonát szemcsék, nem egyensúlyi ásvány társulásokkal policiklusos aromás szénhidrogének magnetit kristályok néhány folsszília jellegű alakzat Ötlet: együttes előfordulásuk biogén eredetre utal Probléma: abiogén úton is létrejöhettek fosszíliák túl kicsik

24 Lehetséges földi analógiák 1. Permafroszt állandóan fagyott területeket (min. két egymást követő évben) fent 0,2-6 méter vastag aktív réteg alatta örökfagy kőzetszemcsék és a közöttük lévő jég együttese max méter mély, néhol több millió éves H 2 O (főkét vízjég) aránya 10-50% H 2 O 0 C alatt sem fagyott teljesen 8-3%-a folyékony az ásványok felületén, nagyobb zárványokban Richard Hoover, NASA Duane Froese

25 Lehetséges földi analógiák 1. Élőlények: kemoszintetizáló baktériumok, metanogén archeák, nitrifikáló baktériumok lefelé legalább -10 C-ig aktívak, és kb. +30 C felett nem növekszenek Állandóan hideg környezet előnye: stabilitás sugárzást jobban bírják Hátrányok: lassítja a kémiai- és életfolyamatokat Permafroszt a Marson földinél sokkal idősebb: 2-3 milliárd éves Richard Hoover, NASA

26 Lehetséges földi analógiák 2. Kriptobiotikus kéreg kőzetek külső, 1-3 mm vastag rétege cianobaktériumok (kékeszöld algák), gombák, zuzmók (hosszú évtizedek után moszatok is) cianobaktériumok fotoszíntetizálnak gombák, és cianobaktériumok által kiválasztott nyálkás burok tartja össze az elsők között hódították meg a szárazföldet fejlett kéreg több évtized alatt jön csak létre Pócs Tamás Pócs Tamás

27 Lehetséges földi analógiák 2. Környezeti paraméterek a kriptobiotikus kéregben: gyakran száraz víz visszatartás: szemcsék és élőlények közötti szűk terek UV védelem: fent pigmentált élőlények, és ásványszemcsék sok helyen megtalálhatók, ahol nincsen fejlett élővilág (utóbbi nem engedi kifejlődni) Túlélési stratégiák: szárazból nedvesbe kidugott antennák UV-szűrési munkamegosztás nedvesség szerinti évszakos mozgás száloptika stratégia Pócs Tamás Pócs Tamás

28 Lehetséges földi analógiák 3. Hipolith kolóniák: sarkvidéki, száraz terület kőzetek felületi rétegében kőzetek alsó, oldalsó része (cm széles sáv) periglaciális kőzetosztályozás helyén szórt napfényben fotoszintetizál védett környezet (UV, párolgás, szélerózió) kolonizált fény réteg bejutás átlátszatlan kőzet poligonális talaj NASA, NAI, Friedmann, McKay DE: csak részleges analógiák marsi p, T, UV, p H 2O sokkal kedvezőtlenebb kérdés: milyenek az ideális mikrokörnyezetek? tűrőképesség: esetleges marsi élőlényeknél jobb? (hosszú idő alkalmazkodni) Cockell, Stokes 2006 NASA, NAI, Friedmann, McKay

29 Túlélési stratégiák a Marson Rövid aktív életciklus aktív időszak csak dél körül és nyáron probléma: magas hőmérsékletű tenyészidőszak túl rövid aktivitás lehetősége napszakos - évszakos pályaelem változások szerint? Hőmérséklet és víz aktivitás szerint megosztott életciklus: ivás éjjel, nedves viszonyok között anyagcsere nappal melegben ivás talán a sejtfalak speciális fehérjék csatornáin (aquaporin) kivitelezhető-e? 6 mbar CO 2 Humidity Laboratrory Möhlmann et al.

30 Túlélési stratégiák a Marson Felszín alá húzódás UV sugárzás elől felszínhez közeli mikrokörnyezetek páracsapda funkciója ismeretlen Talán felszínhez közeli, ~mm mély térség napfény van H 2 O kicsapódás lehetséges alkalmanként átmeneti felmelegedés időszakosan nem egyensúlyi állapot vízgőz diffúzió határok? hasonlíthat a kriptobiotikus kéregre Dinamikus egyensúly a légkörrel légkör regolit jég Bill Boynton, MEPAG

31 Összefoglalás extremofilok a ma ismert marsfelszíni viszonyokat nem képesek tolerálni de mm-ek, cm-el a felszín alatt elméletileg lehetnek tolerálható környezetetek probléma a víz és hőmérséklet együttes előfordulása kémiai környezet kellemetlen de a felbontóképesség alatt lehetnek kedvező helyszínek/időszakok igen, az. Kérdés mennyire?