Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 16 – vyšlo 14. května, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

16/2010

Enceladus – další kandidát na nositele života

Jaroslava Losová, David Maňas, Vítězslav Kříha

V AB 11/2010 byly zmíněny výtrysky z ledem pokrytého povrchu šestého největšího SaturnovaSaturn – druhá největší planeta Sluneční soustavy. Je charakteristická dobře viditelným prstencem. Saturn je od Slunce desetkrát dále než Země, a proto je jeho teplota velmi nízká (−150 °C). Průměrná hustota planety 0,7 g·cm⁻³ je nejnižší z celé sluneční soustavy, dokonce nižší než hustota vody. Saturn patří k obřím planetám. Oběhne Slunce za 30 let, kolem vlastní osy se otočí za pouhých 10 hodin. Rychlá rotace způsobuje vznik pásů. V atmosféře jsou pozorovány velké žluté či bílé skvrny. Atmosféra je tvořena oblaky čpavku, vodíkem a heliem. V nitru je snad malé jádro z křemičitanů obklopené kovovým vodíkem. Vítr v atmosféře dosahuje rychlosti až 1 800 km/h. Magnetické pole má dipólový charakter s osou téměř rovnoběžnou s rotační osou. měsíce, Encelada. V těchto výtryscích byl nalezen metan, organická sloučenina, jež může být i biologického původu. Jakým způsobem tento nejjednodušší uhlovodík vznikl, nám může napovědět poměr mezi hydrogenuhličitanovými anionty a metanem, který je pro biologický zdroj velmi malý, asi 1/1000. Je to dáno tím, že živé organismy produkující metan hydrogenuhličitany spotřebovávají jako zdroj uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších.. Pro nebiologický zdroj, kde je vzájemné zastoupení sloučenin dáno chemickými reakcemi bez účasti organismů, se poměr mezi hydrogenuhličitany a metanem pohybuje mezi 1/10 až 1/100. Tento poměr je sonda CassiniCassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. Mise byla ukončena 15. září 2017 řízeným pádem sondy do atmosféry planety. schopna detekovat a v budoucnu to bude jedním z jejích úkolů při dalším přiblížení. Nejbližší průlet proběhne již 18. 5. 2010 ve vzdálenosti 435 km.

Při minulých průletech byly ve vodních výtryscích detekovány vodní páry, jednoduché organické sloučeniny a dusíkDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium.. Tyto výtrysky se nalézají v jižní polární oblasti měsíce. Ve výtryscích byly detekovány nejen vodní páry, ale i ledové krystalky. Na tomto základě byly diskutovány teorie jak o podpovrchové vodě v tekutém stavu, tak i o původu ledových částic a vodních par z povrchu měsíce.

Archea – dříve též archebakterie, jedna ze tří domén (nadříší) organismů (archea, bacteria, eukaryota). Jde o jednobuněčné organismy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu a nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Osidlují Zemi nejméně 3,5 miliardy let. Vyskytují se v rozmanitých prostředích včetně stanovišť s extrémní teplotou, pH nebo s vysokým obsahem solí. Přestože jsou uspořádáním buněk podobné baktériím, z hlediska kódování genetické informace mají blíže k eukaryotům, organizmům vytvářejícím buněčná jádra a jiné organely ohraničené membránou. Jednotlivý organismus se označuje archeon. 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. Eukaryota – 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. Prokaryota – souhrnné označení archeí a baktérií. Z hlediska genetické podobnosti mezi archey a eukaryoty a odlišnosti obou těchto nadříší od baktérií se od tohoto označení ustupuje. I přes jistou schopnost výměny genetické informace se rozmnožují nepohlavně. Metanogeny – archea produkující metan redukcí oxidu uhličitého, uhličitanů, kyseliny mravenčí, octové či metanolu v prostředí bez přístupu kyslíku.

Teorie, které předpokládají život na Enceladu, počítají s podpovrchovým jezerem vody v kapalném stavu, nacházejícím se pod povrchem jižní polární oblasti měsíce. Klíčovou otázkou z astrobiologického hlediska je, zdali by tento případný vodní rezervoár již mohl existovat dostatečně dlouhou dobu na to, aby se v něm vyvinul život. Podle povrchových změn v této oblasti však lze jeho výskyt usuzovat i na několik stovek milionů let.

Pokud výtrysky pocházejí z podpovrchového jezera, pak je také z hlediska možnosti života důležité, zda je voda dostatečně bohatá na látky, u kterých předpokládáme, že jsou nutné k fungování ekosystému. Zajímá nás hlavně amoniak (čpavek) a soli. Prozatím v gejzírech nebyla detekována žádná sůl, avšak voda v gejzírech může pocházet z horních vrstev podpovrchového jezera, které jsou v podstatě bez solí. Spodní vrstvy mohou být naopak na soli bohaté. Ani amoniak zatím zaznamenán nebyl, ale několik geofyzikálních argumentů jeho přítomnost naznačuje například tekutost vody, nebo zaznamenaná přítomnost dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium., který by mohl pocházet z amoniaku. Je možné, že amoniak je v jezeře přítomen, avšak než se dostane výtrysky na povrch, je rozkládán na molekuly vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. a dusíku. Také bychom měli počítat s tím, že naopak vysoká koncentrace amoniaku může mít toxický efekt, který může být pro život nepříznivý.

Pokud tedy již budeme předpokládat, že v tomto podpovrchovém jezeře nějaký život existuje, zajímá nás rovněž, jakým způsobem se tam ocitl. Tato otázka není objasněna ani 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.. Stále není jasné, jak zde život vznikl a ani se zatím nepodařilo jeho vznik nasimulovat v laboratoři.

Model výtrysků na Enceladu. Zdroj: NASA Ames Research Center.

Nukleove kyseliny, bílkoviny, membrány – architektura organizmů na Zemi

Život, jak jej známe 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., má přes jeho rozmanitost a složitost společné základní schéma: Nositelem informace, nezbytné pro udržení jedince a jeho rozmnožování, jsou nukleové kyselinyNukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T).. Udržení struktury a zajištění většiny funkcí organismu je doménou bílkovinBílkoviny – proteiny, vysokomolekulární biopolymery aminokyselin s molekulovou hmotností tisíc až milión. Tvoří strukturální i funkční podstatu živé hmoty. vytvořených z aminokyselin. Vymezení organismu vůči okolí, díky čemuž je možné udržovat relativně stálé vnitřní prostředí, je zajištěno plazmatickými membránami. Tyto základní složky života se navzájem doplňují – bílkoviny se strukturně i funkčně podílejí na ukládání, přenosu, zdvojování a opravách informace v nukleových kyselinách, nukleové kyseliny samy vytvářejí funkční struktury, součástí plazmatických membrán jsou bílkoviny, které umožňují asymetrický transport hmoty a informace do vnějšího prostředí a do buňky.

Dvojšroubovice deoxyribonuleové kyselinyDNA – 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. je díky zálohování informace pomocí komplementárního vlákna v organismech využívána k ukládání a kopírování informace. Tuto funkci je však schopna plnit i ribonukleová kyselinaRNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA., která se v organizmech na Zemi specializovala na přepis informace a její překlad do struktury bílkovin. Je však fascinující molekula DNA pro život jako takový nezbytná? Zdroj: Wikipedie.

Spolupráce bílkovinyBílkoviny – proteiny, vysokomolekulární biopolymery aminokyselin s molekulovou hmotností tisíc až milión. Tvoří strukturální i funkční podstatu živé hmoty. a ribonukleové kyselinyRNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA.. Na schématu jsou velké podjednotky ribozomuRibozomy – součásti buňky, struktura tvořená bílkovinami a ribonukleovými kyselinami. Sestávají z velké a malé podjednotky. Zajišťují vytváření peptidů a bílkovin z aminokyselin podle vzoru RNA, vzniklé přepisem z DNA.. Ribozomová RNA je naznačena hnědě, bílkovina modře a vlastní aktivní místo, kde se uskutečňuje napojování přesně dané aminokyseliny peptidovou vazbou, je červené. Stačí jen tato kooperace k udržení života? Zdroj: Wikipedie.

Peptidová vazba umožňuje ze dvou desítek aminokyselin vytvářet nepřeberné množství bílkovin zajišťujících fascinující možnosti živých organismů na Zemi. RNA má enzymatické vlastnosti. Jak ukázal vývoj na Zemi, bílkovinám v této oblasti konkurovat nemůže. Mohl však jít vývoj i jinou cestou? Zdroj: Wikipedie.

Plazmatická membrána odděluje vnitřní prostředí buňky od okolí. Jejím základem je dvojvrstva molekul, které jsou na jednom konci hydrofobní a na druhém hydrofilní. Hydrofilní konce se tak natáčejí směrem do vodného roztoku jak uvnitř, tak vně buňky; hydrofobní konce se natáčejí k sobě navzájem. Podobnou dvojvrstvu můžeme pozorovat například u mýdlové bubliny, kdy hydrofilní konce snižují povrchové napětí tenké kulové vrstvy vody a hydrofobní jsou orientovány na jedné straně do nitra a na druhé vně z bubliny. Oddělené prostory jsou jistě důležité v případě, kdy dochází k soupeření o zdroje. Je toto soupeření nezbytnou podmínkou vývoje života? Zdroj: Encyclopaedia Britannica.

Archea, bakterie, eukaryota – buněčné životní formy existující na Zemi

Strom života na Zemi. Z genetického hlediska je možné buněčné životní formy na Zemi rozdělit do tří nadříší. První dvě jsou tvořeny výhradně jednobuněčnými organismy, jejichž vnitřní prostory nejsou odděleny membránami. Nazývají se archea (zeleně) a baktérie (modře); souhrnně se obě tyto nadříše nazývají prokaryoty. I třetí nadříše, eukaryota (červeně), v sobě zahrnuje jednobuněčné organismy. Za povšimnutí stojí, že archea a eukaryota k sobě mají geneticky blíže než obě prokaryontní nadříše. Prokaryota mají kruhovou DNA volně uloženou v cytoplazměCytoplazma – tekuté vnitřní prostředí buňky ohraničené buněčnou mem­brá­nou, které zahrnuje veškeré buněčné struktury mimo jádra, například organely., eukaryota mají lineární DNA uloženou v jádře. Zdroj: Wikipedia.

Struktura buněk eukaryotních organismů (zde na příkladu živočišných a rostlinných buněk) a prokaryontních buněk (na příkladu baktérie). Eukaryotní buňky jsou výrazně vnitřně členěny pomocí plazmatických membrán do oddělených prostorů, včetně jádra, ve kterém je obsažena genetická informace zakódovaná v DNA. Organely mitochondrie a chloroplasty mají vlastní genetickou informaci, která způsobem kódování DNA odpovídá baktériím, takže se má za to, že během vývoje přešla symbióza mezi baktériemi a předky eukaryotních organismů, kteří se mohli vyvinout z archeí, do integrace původně nezávislých baktérií do buněk. Je otázkou, zdali podobná symbióza na úrovni organely, která je vlastní všem mnohobuněčným organizmům, mohla proběhnout i jinde. Zdroj: Encyclopaedia Britannica.

Měřítko života. Přestože se důležité pochody odehrávají na úrovni iontů a molekul, organismy jsou přinejmenším o tři řády větší. Rekordmani ve velikosti jsou desetitisíce osik vyrůstajících z jediného kořenového systému, václavky s podhoubím pokrývajícím čtvereční kilometry, či velký korálový útes, viditelný z vesmíru, který funkčně tvoří superorganizmus. Zdroj: Wikipedia.

Buněčné membrány archeí (a, d), baktérií a eukaryot (b, c). Stavbou membrán se archea liší jak od eukaryot, tak od baktérií. To naznačuje, že všechny tři nadříše se vyvíjely svou vlastní cestou. Zdroj: Wikipedia.

Život hluboko pod zemí

Na Zemi jsou známy tři mikrobiální ekosystémy, které nepotřebují sluneční svit, kyslíkKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O₂ se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O₃. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru., nebo organické látky produkované na povrchu, kde je slunečního svitu dostatek. Dva z těchto ekosystémů byly nalezeny hluboko ve vulkanických skalách. Získávání energie je zde založeno na metanogeních archebakteriíchArchea – dříve též archebakterie, jedna ze tří domén (nadříší) organismů (archea, bacteria, eukaryota). Jde o jednobuněčné organismy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu a nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Osidlují Zemi nejméně 3,5 miliardy let. Vyskytují se v rozmanitých prostředích včetně stanovišť s extrémní teplotou, pH nebo s vysokým obsahem solí. Přestože jsou uspořádáním buněk podobné baktériím, z hlediska kódování genetické informace mají blíže k eukaryotům, organizmům vytvářejícím buněčná jádra a jiné organely ohraničené membránou. Jednotlivý organismus se označuje archeon. využívajících vodíkVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. produkovaný reakcí mezi vodou a horninou. Třetí ekosystém byl nalezen hluboko pod zemí v Jižní Africe a je založen na baktériích redukujících sulfátSulfát – síran, sůl kyseliny sírové; v biochemii též anion kyseliny sírové SO₄²⁻., které konzumují vodík a síranové anionty, oboje produkované radioaktivním rozpademRadioaktivita – radioaktivní rozpad, přeměna jader nestabilních nuklidů na jiná jádra, při níž vzniká ionizující záření. Pokud se změní v jádře počet protonů, dojde ke změně prvku. Rychlost přeměny je charakterizována poločasem rozpadu. Radioaktivitu objevil v roce 1896 Henri Becquerel u solí uranu..

V roce 1995 byla na severozápadě USA v bazaltechBazalt – čedič, zdaleka nejrozšířenější vyvřelá hornina. Skládá se především z bazického plagioklasu a pyroxenu, může obsahovat olivín a foidy nebo křemen. nalezena první mikrobiální komunita naprosto nezávislá na světle a jeho produktech. Fungování je založeno na metanogeních organizmech, které spotřebovávají vodík (vznikající serpentinizacíSerpentinizace – přeměna některých tmavých hornin, například olivínu nebo pyroxenu, na hadec (serpentin). olivínůOlivín – žlutozelený až olivově zelený minerál (Mg,Fe)₂[SiO₄], krystaluje v kosočtverečné soustavě. Index lomu 1,65 až 1,69, hustota 3,3 g/cm³. Podíl hořčíku a železa je proměnlivý v závislosti na podmínkách při jeho vzniku. Na zemi vzniká krystalizací z magmatu s nízkým obsahem křemíku. v hornině) a produkují metanMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH₄. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn.. V roce 2002 byl v tomtéž regionu nalezen další podobný ekosystém.

Tento způsob fungování ekosystému by mohl korespondovat s prostředím a látkami nalezenými na Enceladu. Nalezený metanMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH₄. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn. by právě mohl být produktem metanogenůMetanogeny – archea produkující metan redukcí oxidu uhličitého, uhličitanů, kyseliny mravenčí, octové či metanolu v prostředí bez přístupu kyslíku.. Ty jsou schopny růst i při relativné nízkých teplotách a byly nalezeny i v permafrostechPermafrost – trvale zmrzlá půda, například v polárních oblastech. při teplotě −20 °C. Při této teplotě je obsah tekuté vody v půdě kolem 1÷2 %, což je pro metabolickou aktivitu metanogenů dostačující množství. Jejich život je založen na redukčních reakcíchRedoxní reakce – oxidačně-redukční reakce, chemická reakce, při které dochází k přenosu elektronu a tím se mění oxidační čísla reagentů. Při oxidaci se oxidační číslo zvyšuje, reagent ztrácí elektrony; při redukci se oxidační číslo snižuje, reagent elektrony přijímá. S ohledem na zachování elektrického náboje je vždy oxidace provázena redukcí a naopak., které však vyžadují zpětnou přeměnu látek pomocí oxidaceRedoxní reakce – oxidačně-redukční reakce, chemická reakce, při které dochází k přenosu elektronu a tím se mění oxidační čísla reagentů. Při oxidaci se oxidační číslo zvyšuje, reagent ztrácí elektrony; při redukci se oxidační číslo snižuje, reagent elektrony přijímá. S ohledem na zachování elektrického náboje je vždy oxidace provázena redukcí a naopak., jinak by metanogeny brzy vyčerpaly palivo a zahynuly by. Látky potřebné k oxidaci (oxidanty) vznikají na povrchu, ale k ekosystémům trvale pod ledem se nemají jak dostat. Není nám tedy známo, jak by tyto kolonie mohly fungovat trvale pod ledem, bez přístupu oxidantů. Možnost, jak udržet systém v chodu, je, že by mohly existovat pod ledem místa s teplotou kolem 500 °C, která dokáže destabilizovat molekuly metanu a vody a dojde k oxidaci. Délka fungování tohoto modelu je závislá na tepelném zdroji.

Schéma metabolického cyklu metanogenů a přírodního zdroje energie.
Zdroj: Astrobiology.

V roce 2006 byl nalezen třetí ekosystém – chemosyntetický mikrobiální systém. Nachází se hluboko pod povrchem a využívá reakcí produkovaných radioaktivním rozpadem prvků v řádu miliard let. Fungování tohoto ekosystému je závislé na bakteriích redukujících sírany.

Redukční reakcí při radioaktivním rozpadu vzniká vodík a hydroxylový radikál, který reaguje se sulfidy a vytváří sírany, které bakterie potřebují a přeměňují jej pomocí vodíku zpět na sulfid, vodu a hydroxyl. Délka fungování tohoto modelu je závislá na radioaktivním zdroji. Pro větší rozlišení klikněte na obrázek. Zdroj: Science 322/10 (2008). 

Život hluboko pod hladinou

V hloubce několika kilometrů existují uzavřené ekosystémy, které nepotřebují sluneční světlo a využívají živiny a energii dodávané vulkanickou činností. Tato společenstva jsou až překvapivě bohatá. Základnu potravního řetězce tvoří archeaArchea – dříve též archebakterie, jedna ze tří domén (nadříší) organismů (archea, bacteria, eukaryota). Jde o jednobuněčné organismy, které obvykle vytvářejí buněčnou stěnu a nemají obsah buňky rozdělený membránami na oddělené prostory. Osidlují Zemi nejméně 3,5 miliardy let. Vyskytují se v rozmanitých prostředích včetně stanovišť s extrémní teplotou, pH nebo s vysokým obsahem solí. Přestože jsou uspořádáním buněk podobné baktériím, z hlediska kódování genetické informace mají blíže k eukaryotům, organizmům vytvářejícím buněčná jádra a jiné organely ohraničené membránou. Jednotlivý organismus se označuje archeon. a baktérieBakterie – 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., které dokáží zužitkovat teplo, metanMetan – nejjednodušší uhlovodík, CH₄. Patří mezi tzv. alkany. Při pokojové teplotě je to netoxický plyn bez barvy a zápachu, lehčí než vzduch. Hlavním zdrojem metanu je přírodní surovina, zemní plyn., sirné sloučeniny, či dokonce slabé tepelné záření horké vody a rozžhavených hornin jako zdroj energie. Na ně navazují vyšší organizmy, kroužkovci, červi a škeble. Vyskytují se zde i garnáti, krevety, krabi a ryby.

Biochemický cyklus černého kuřáku (podmořské sopky). Zkratka REE označuje
vzácné prvky. Pro větší rozlišení klikněte na obrázek. Zdroj Wikipedia.

Možnosti vzniku života na Enceladu

Naše hledání života v jiných světech se většinou omezuje na znalosti o ekosystémech, které známe z naší vlastní planety. Na Marsu, Europě nebo Enceladu hledáme tedy to, co alespoň přibližně známe ze Země.

Z hlediska původu života na Zemi existují dva základní směry teorií. Jeden bere v úvahu zavlečení života na Zemi z jiného vesmírného tělesa, (teorie panspermie) a druhý počítá se vznikem života přímo na Zemi, samostatně a nezávisle. Teorie panspermie se dělí na řízené nebo náhodné zavlečení a náhodné zavlečení se ještě dále dělí na zavlečení z vnitřní Sluneční soustavy (MerkurMerkur – planeta nejbližší Slunci. Je to skalnatá planeta, posetá krátery podobně jako náš Měsíc. Jde o nejmenší planetu vůbec. Je téměř bez atmosféry. Teplota povrchu tohoto tělesa kolísá mezi −180 °C a 430 °C. Merkur se otočí kolem vlastní osy jednou za 59 našich dní. Jeho doba oběhu kolem Slunce trvá 88 dní. Jde o příklad vázané rotace (spinorbitální interakce) v poměru 2:3 způsobené slapovými silami. Dráha Merkuru kolem Slunce je protáhlá elipsa, která se stáčí vlivem přítomnosti ostatních planet. Malá část stáčení perihelia dráhy (43″ za století) je způsobena efekty obecné relativity., VenušeVenuše – nejbližší planeta vzhledem k Zemi. Hustá atmosféra zabraňuje přímému pozorování povrchu. Díky skleníkovému efektu je na povrchu vysoká teplota, nejvyšší dosud naměřená hodnota činí 480 °C. Venuše obíhá kolem Slunce takřka po kruhové dráze ve vzdálenosti 108 milionů kilometrů s periodou 225 dní. Otočení kolem vlastní osy (proti oběhu, tzv. retrográdní rotace) trvá 243 pozemských dnů. To znamená, že na Venuši Slunce vychází a zapadá jen dvakrát za jeden oblet Slunce. Oblaka Venuše dobře odrážejí sluneční svit a proto je tato planeta po Slunci a Měsíci nejjasnějším tělesem na obloze. Na večerní obloze jí můžeme spatřit jako Večernici a na ranní obloze jako Jitřenku., MarsMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila.), nebo z vnější Sluneční soustavy (od JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole. dále od SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.).

Teorie původu života na Zemi. Zdroj: Astrobiology.

Velké množství meteoritů pocházejících z MarsuMars – rudá planeta se dvěma malými měsíci, Phobosem a Deimosem, je v pořadí čtvrtým tělesem sluneční soustavy. Povrch planety je pokryt načervenalým pískem a prachem. Barva je způsobena vysokým obsahem železa. Načervenalá barva celé planety jí dala jméno (Mars je bůh válek). Na povrchu se nacházejí obrovské sopky, z nichž ta největší, Olympus Mons, je 24 km vysoká a její základna je 550 km široká. Na vrcholu je kráter o průměru 72 km. Pro Mars jsou charakteristické systémy kaňonů vzniklé pohybem kůry. Snímky ze sond ukazují místa, kudy dříve tekla voda. Zdá se, že Mars byl dříve vlhčí a teplejší, než je dnes. Rozpětí teplot, které na Marsu panují (zima ne větší než v Antarktidě) by bylo snesitelné pro některé primitivní formy života žijící na Zemi. Jejich existence se však dosud nepotvrdila., které jsou nalézány 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., vedlo k domněnkám, že život původně mohl vzniknout právě na Marsu a k nám se dostal spolu s těmito meteority. Tato teorie spadá do kategorie vnitřně solární panspermie. Ať už život pochází ze Země nebo například z Marsu, možnost, že takovýto meteorit nesoucí život dosáhne Enceladu, je velmi mizivá. Zatímco transfer meteoritu z Marsu na Zemi by trval relativně krátkou dobu (30 tisíc nebo méně let), což zvyšuje šance mikroorganismu na přežití v extrémně nepříznivých podmínkách vesmíru, přesun z Marsu na Enceladus by trval mnoho milionů let. Proto není příliš pravděpodobné, že by se život na Enceladu ocitl transferem z Marsu.

Teorie o spontánním vzniku života na Zemi dávají dobré předpoklady k tomu, že by se život mohl spontánně vyvinout i na jiném tělese, tedy proč ne na Enceladu. Prozatím každý organizmus, který známe, potřebuje ke svému vývinu a reprodukci vodu v tekutém stavu. Ta by na Enceladu mohla existovat.

Vezměme tedy v úvahu teorie spontánního vzniku života. První se zabývá vznikem života z prvotní „organické polévky“, tedy z různých organických látek, koncentrovaných ve vodě. Na Zemi mohly být tyto organické látky dopraveny spolu s dopadajícími kometami, nebo s meziplanetárním prachem. Až čtvrtinu hmotnosti komet mohou tvořit organické látky. Led na Enceladu může mít podobné složení, jako je tomu u komet, a tedy může být na organické látky dostatečně bohatý pro spontánní vznik života.

Druhá teorie vychází ze vzniku života pouze na chemickém základě bez přístupu slunečního světla. Tato teorie se také na Enceladus hodí velmi dobře, předpokládáme-li tepelný zdroj pod jezerem tekuté vody.

Z fosilního záznamu na Zemi můžeme pouze odhadnout, jak dlouho životu trvalo se prosadit. Dle simulací se vhodné podmínky pro život na Zemi objevily před necelými 4 miliardami let. Radiokarbonovou metodou jsme schopni určit, že před 3,8 miliardami let zde již byly organické látky, avšak buněčný život jsme schopni prokázat jen 3,4 miliardy let nazpátek. Životu to tedy trvalo zřejmě 0,4 miliardy let, než vznikl. Jedná se o horní hranici. Ke vzniku života mohlo dojít i daleko rychleji.

Na základě dvou hlavních větví teorií můžeme odhadnout dobu potřebnou ke vzniku života na Enceladu. Teorie panspermie říká, že život přicestoval z okolí a mohl se rovnou dále rozvíjet. Nepotřeboval tedy čas ke svému vzniku. Teorie spontánního vzniku života uvádí čas odvozený z fosilního záznamu na Zemi, nejdéle 0,4 miliardy let. Dolní mez potřebnou pro vývoj života zatím můžeme pouze odhadovat, neboť neznáme jednotlivé kroky vývoje od proteinu k buňce – kroky nutné k přeměně neživé látky v živou.

O délce trvání příznivých podmínek ke vzniku života na Enceladu (teplo + tekutá voda) zatím nemáme důkazy. Nevíme tedy, jak dlouho již případné podpovrchové jezero na Enceladu existuje.

Ekosystém potřebuje ke své existenci prostředí tekuté vody, výživné látky a zdroj energie. Na Zemi je dominantním zdrojem SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Dokonce i organizmy žijící za trvalé nepřítomnosti slunečního světla potřebují ke svému životu látky, vznikající na povrchu pomocí fotosyntézy, tedy opět za přítomnosti slunečního světla. I ekosystémy hlubokomořských geotermálních komínů využívají k životu reakci sulfidu s kyslíkem obsaženým ve vodě, který je také výsledkem fotosyntézy.

Závěr

Na Enceladu přichází v úvahu pouze ekosystémy na slunečním světle naprosto nezávislé. Na Zemi byly zatím nalezeny pouze tři takto fungující ekosystémy. Z informací, které dosud máme o Enceladu a podmínkách, které na něm panují, se zdá, že by tento měsíc opravdu nositelem života být mohl. Nebyl by to však život takový, jak jej z naprosté většiny známe z naší planety a který ke svému fungování potřebuje sluneční světlo.

Naše teorie se obvykle opírají o znalosti, které jsme získali zkoumáním ekosystémů 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.. Jinde však život může být založen na zcela jiných principech, o kterých zatím nic nevíme. Hledáme tak život podobný tomu, co známe, proto v nás vzbuzují takový zájem zprávy o detekci organických molekul, které by mohly být právě organického původu. Naše otázky dnes už nesměřují pouze k tomu, zdali je i jinde než na naší planetě život možný, ale spíše téměř hladově pátráme po jeho známkách na jiných vesmírných tělesech v přesvědčení, že není důvodu, proč by život nemohl existovat i jinde. Stačí ho už jen nalézt. Nalezení a potvrzení života i mimo Zemi se zcela jistě postará o velký rozruch jak mezi vědci, tak i laiky. Bude to jeden z největších vědeckých objevů všech dob a dostaneme nás tak do nové kapitoly lidstva. Zdá se, že tato událost je již za dveřmi a že se tak ještě za našeho života dočkáme velkého objevu.

Další informace o Enceladu a možnosti života na něm jsou již netrpělivě očekávány. Sonda CassiniCassini – meziplanetární sonda NASA, ESA a ASI (Italská kosmická agentura) určená k průzkumu Saturnu. Startovala z Cape Canaveral 15. října 1997, k Saturnu dorazila 30. června 2004. Celková hmotnost Cassini (včetně paliva a pouzdra Huygens) při startu byla 5 600 kg. Vyvrcholením mise bylo měkké přistání pouzdra Huygens na povrchu Saturnova měsíce Titanu dne 14. ledna 2005. Sonda byla pojmenována podle italského matematika a astronoma Giana Domenica Cassiniho (1625-1712). Podle tohoto vědce je pojmenována i část Saturnových prstenců, tzv. Cassiniho dělení. Mise byla ukončena 15. září 2017 řízeným pádem sondy do atmosféry planety. by se měla k tomuto měsíci znovu přiblížit již několik desítek hodin poté, co vyjde tento příspěvek. Máme se tedy nač těšit.

Video týdne: Černý kuřák

Černý kuřák. V hloubce více než dva kilometry pod hladinou moře, kam nepronikají sluneční paprsky, se nachází uzavřené biosystémy, které energii a živiny získávají díky vulkanické činnost. Černý kuřák vyvrhuje vodu o teplotě několika stovek stupňů, která však díky okolnímu tlaku zůstává v kapalném skupenství. Spolu s ní vyvrhuje chemické látky, které bychom na povrchu považovali za jedovatou směs prostou života. Přesto se zde vybudoval potravní řetězec, který umožňuje existenci pestrého společenství. Jelikož podobné podmínky mohou panovat i na jiných vesmírných tělesech, je na místě otázka, zdali i tam je možný život. Zdroj: YouTube. (avi/xvid, 35 MB)

Literatura