1.3.
1.4.
3.1.
3.3.
3.4. Wielki Wybuch a ogólna chemia Wszechświata
3.5. Ogólna budowa chemiczna galaktyk i gromad galaktyk
3.6.
4.1. Historia początków badania gwiazd ................................................................
4.2. Historia badań optycznych i radiowych Słońca i gwiazd
4.3. Budowa i ewolucja gwiazd ........................................................................
4.3.1. Od obłoku pyłowo-gazowego do protogwiazdy ..................................................
4.3.2. Ewolucja gwiazd ciągu głównego .............................................................
4.3.3. Końcowe etapy ewolucji gwiazd ..............................................................
4.4. Przemiany jądrowe w gwiazdach ..................................................................
4.5. Chemiczna budowa Słońca i gwiazd
4.5.1. Chemiczna budowa Słońca
4.5.2. Chemiczna budowa gwiazd
4.6. Literatura uzupełniająca ..........................................................................
5. Geneza powstania i budowa planet
5.1. Historia badania planet
5.2. Geneza powstania układów planetarnych i planet oraz ogólna budowa Układu Słonecznego
5.2.1. Powstanie Układu Słonecznego ...............................................................
5.2.2. Ogólna budowa Układu Słonecznego i typy planet ...............................................
5.2.3. Ogólny skład chemiczny Układu Słonecznego ...................................................
5.3. Ziemia w środowisku kosmicznym
5.3.1. Ziemia jako planeta
5.3.2. Powstanie układu Ziemia–Księżyc
5.3.3.
5.4. Ziemia – budowa i skład chemiczny ................................................................
5.4.1. Budowa
5.4.2.
5.4.3. Budowa i skład chemiczny geosfery ziemskiej
5.4.4.
5.5. Struktura, budowa geologiczna oraz skład chemiczny planet typu ziemskiego
5.5.1.
5.5.2.
5.5.3.
5.6. Struktura, budowa geologiczna oraz skład chemiczny planet typu jowiszowego
5.6.1.
5.6.2.
5.6.3.
5.6.4.
5.6.5.
5.7.
5.7.1.
5.7.2. Planeta Karłowata Pluton
5.7.3. Planeta karłowata Haumea
5.7.4. Planeta karłowata Makemake
5.7.5. Planeta karłowata Eris
5.8. Planety poza Układem Słonecznym ................................................................
5.8.1. Historia badania planet pozasłonecznych .......................................................
5.8.2. Metody poszukiwania i badania egzoplanet ....................................................
5.8.3. Klasyfikacja, podział i charakterystyka egzoplanet ................................................
5.8.4. Powstanie egzoplanet i ich przemieszczenia
5.8.5.
5.8.7.
5.9. Literatura uzupełniająca
polskojęzyczna
(wybrane)
(Układ Słoneczny)
6.1.
6.2.1.
6.3.1.
6.3.2. Skład chemiczny planetoid i asteroid ..........................................................
6.4. Budowa i skład
6.4.1.
6.4.2.
6.4.3. Historia badania składu chemicznego komet
6.4.4. Skład chemiczny komet
6.5. Budowa i skład chemiczny meteorytów .............................................................
6.5.1. Ogólny podział i klasyfikacja meteorytów .......................................................
6.5.2. Skład mineralny meteorytów ................................................................
6.5.3. Skład chemiczny meteorytów ................................................................
6.5.4. Skład izotopowy meteorytów ................................................................ 544
6.6. Drobna materia międzyplanetarna ................................................................. 547
6.6.1. Budowa i morfologia materii międzyplanetarnej ................................................. 548
6.6.2. Skład mineralny materii międzyplanetarnej
6.6.3. Skład chemiczny materii międzyplanetarnej
6.7. Materia międzygwiazdowa i międzygalaktyczna 556
6.7.1. Historia badania materii międzygwiazdowej i międzygalaktycznej 556
6.7.2. Podstawowe właściwości materii międzygwiazdowej .............................................
6.7.3. Skład i budowa materii międzygwiazdowej .....................................................
6.7.4. Właściwości i skład materii międzygalaktycznej ..................................................
6.8. Materia kosmiczna jako nośnik życia ................................................................ 592
6.8.1. Upadek asteroid, komet i meteorytów ......................................................... 596
6.8.2. Komety jako nośnik życia .................................................................... 600
6.8.3. Meteoroidy i meteoryty jako nośnik życia ....................................................... 602
6.8.4. Rozproszone formy transportu nośników życia ................................................... 609
6.9. Literatura uzupełniająca 610 Literatura polskojęzyczna
Publikacje i artykuły (wybrane)
zagraniczna
7. Chemia życia ziemskiego oraz możliwości powstania życia we Wszechświecie .....................
7.1. Definicja życia ..................................................................................
7.2. Historia rozważań dotyczących powstania i rozwoju życia 618
7.3. Wiek Ziemi a ewolucja organiczna .................................................................
7.4. Powstanie życia na Ziemi i jego ewolucja ............................................................ 627
7.4.1. Badanie procesu powstania życia ziemskiego .................................................... 627
7.4.2. Badanie etapów rozwoju życia ziemskiego ...................................................... 646
7.5. Chemia życia ziemskiego 684
7.5.1. Elementarny skład chemiczny żywych organizmów 684
7.5.2. Woda w organizmach żywych 686
7.5.3. Biochemia ustrojów żywych 690
7.5.4. Ziemska biosfera i produkcja pierwotna 697
7.6. Życie na innych planetach ........................................................................ 701
7.6.1. Poszukiwanie życia w Układzie Słonecznym ..................................................... 703
7.6.2. Poszukiwanie życia na planetach pozasłonecznych ............................................... 708
7.6.3. Ogólna charakterystyka egzoplanet nadających się do powstania życia ...............................
7.6.4. Problemy i zagrożenia dla powstania i istnienia życia .............................................
7.6.5. Problemy rozwoju i istnienia życia inteligentnego ................................................
7.7. Inne egzotyczne formy życia – życie niewęglowe
7.7.1. Alternatywne związki wielkocząsteczkowe i polimery
7.7.2. Alternatywne rozpuszczalniki
7.7.3. Egzotyczne formy życia
7.8. Poszukiwanie życia we Wszechświecie ..............................................................
7.9. Przyjazny Wszechświat – zasada antropiczna ........................................................
7.10. Literatura uzupełniająca
polskojęzyczna
i artykuły (wybrane)
zagraniczna
2. Historia rozwoju
Rysunek 2.12. Carl Friedrich von Weizsäcker (1912–2007)
kształtu obłoku i prędkości ruchu, układów gwiazd wielokrotnych lub też gwiazd pojedynczych z układem planetarnym z tak zwanych protoplanet. Teoria ta, wielokrotnie modyfikowana, znalazła spore grono zwolenników. Doniosłą myślą Kuipera było to, że układy pojedynczych gwiazd wraz z planetami mogą stanowić zdegenerowane gwiazdy podwójne z nie do końca skondensowanym drugim składnikiem.
Rysunek 2.13. Gerard Peter Kuiper (1905–1973)
Nowsze teorie przyjmują, że Słońce oraz planety powstały jednocześnie z pojedynczej ciemnej mgławicy gazowo-pyłowej. Według chemika Harolda Claytona Ureya (1893–1981) w otoczeniu prasłońca pozostała wystarczająca
2.1. Historia rozwoju teorii kosmogonicznych opisujących powstanie Układu Słonecznego
Rysunek 2.14. a) Schemat położenia Pasa Kuipera w Układzie Słonecznym; b) schemat przestrzennego rozmieszczenia Pasa Kuipera oraz obydwu Obłoków Oorta
ilość nieużytej do jego budowy materii (1950 r.). Z niej to właśnie powstały wiry różnych rozmiarów, które przez dalszą kondensację utworzyły planety i księżyce. Lepiszczem mogła być zamarznięta woda pokrywająca zderzające się cząsteczki. Całość tego procesu miała zajść około 4,5–5,0 mld lat temu, kiedy to powstał Układ Słoneczny. Jego teoria była podobna do wcześniejszej teorii O.J. Schmidta. Z kolei angielski fizyk i astronom Fred Hoyle (1915–2001), nawiązując do hipotezy H.O. Alfvéna założył, że Słońce oraz planety powstały jednocześnie z obłoku materii międzygwiazdowej (1960 r.). Na skutek nietrwałości rotacyjnej centralnej kondensacji (prasłońce) część materii uległa oddzieleniu w postaci pierścieni gazowych, pozostając jednak związana z prasłońcem poprzez pole magnetyczne. Właśnie to pole było
Rysunek 4.2. a) Aktualny widok kamiennego kręgu w Stonehenge oraz b) jego historyczna rekonstrukcja liczne neolityczne grobowce również zorientowane na pewne gwiazdy. Innym ciekawym przykładem wykorzystania wiedzy o pozycjach gwiazd są taule na hiszpańskiej Minorce zbudowane około 1000 r. p.n.e. Sanktuaria te składają się z płaskiej płyty i z ułożonej na niej prostopadle drugiej oraz kamiennego ogrodzenia. Roztacza się wokół nich widok po horyzont z dobrze widocznymi konstelacjami gwiazd. Szczególne zainteresowanie budził prawdopodobnie obserwowany tam wtedy Krzyż Południa z dobrze widocznymi gwiazdami β oraz α Centauri. Liczne budowle megalityczne, wykazujące zorientowanie wobec Słońca i gwiazd, powstały także w Brytanii na przełomie III i II tysiąclecia p.n.e. Największe zainteresowanie budzi oczywiście krąg megalityczny w Stonehenge, gdzie dobrze zidentyfikowano miejsca przesileń letnich i zimowych. Konstrukcja pozwalała także na oznaczenie pozycji charakterystycznych gwiazd i prawdopodobnie na określenie terminów zaćmień Słońca i Księżyca. Innym ciekawym miejscem jest Ballochroy na półwyspie Kintyre w Szkocji. Ustawione kamienie pokazywały miejsca przesileń. Słońce i gwiazdy były także inspiracją dla budowniczych w obu Amerykach. W Peru istniały liczne budowle ukierunkowane według Słońca. Najlepszym przykładem jest chyba system ceques, linii prostych wychodzących z centrum świątyni Słońca – Coricanchy w Cuzco. Wytyczono ich 41, przy czym przy wielu z nich znajdowały się budowle zorientowane na punkty wschodu Słońca. Innym przykładem jest pustynny płaskowyż Nazca z jej charakterystycznymi liniami i rysunkami megalitycznymi – geoglifami. Również Indianie Hopi z prerii Ameryki Północnej wykorzystywali obserwacje Słońca do określenia ważnych dat obrzędowych, stosując jednak naturalne wskaźniki w terenie, a nie ustawiając budowle megalityczne.
4.1. Historia początków badania
Rysunek 4.3. Jeden z naziemnych geoglifów na płaskowyżu Nazca, przedstawiający pająka
Już w starożytności dokonano ważnego odkrycia, że wszystkie gwiazdy nie zmieniają swojego położenia na niebie względem innych gwiazd, a tylko pięć z nich odbywa wędrówkę po niebie podobnie jak Słońce i Księżyc. Na starożytnym Bliskim Wschodzie (Babilon i Asyria) widoczne gołym okiem gwiazdy pogrupowano w gwiazdozbiory stanowiące charakterystyczne skupiska na nocnym niebie. Rozwinięciem tych obserwacji były przemyślenia starożytnych Greków. I tak Anaksymander z Miletu (ok. 610–547 p.n.e.) uważał, że gwiazdy są ognistymi kondensacjami powietrza o okrągłych kształtach, z których przez otwory wydobywały się płomienie, a Słońce było najodleglejszym z ciał niebieskich, podczas gdy Anaksagoras z Kladzomen (ok. 500–428 p.n.e.) uważał Słońce za bryłę rozpalonego metalu. Według Arystarcha z Samos (ok. 310–230 p.n.e.) Słońce było centrum obrotu Ziemi, co powodowało następstwo nocy i dni. Dokonał on także pierwszej oceny odległości Ziemi od Słońca. Podobnie Archimedes (ok 287–212 p.n.e.) uważał Słońce i gwiazdy za nieruchome.
Z kolei Demokryt z Abdery (ok. 460– 370 p.n.e.) uważał Drogę Mleczną za bardzo odległe skupisko gwiazd. Jednym z najwcześniejszych katalogów gwiazd jest katalog wykonany przez Hipparcha (ok. 190–126 p.n.e.) nieco tylko rozszerzony przez Ptolemeusza w pracy pod tytułem Megale Syntaxis (Almagest) (katalog ponad 1000 gwiazd zebranych w 48 gwiazdozbiorach). Syntezą wczesnego etapu greckiej nauki o kosmosie jest model Eudoksosa z Knidos (ok. 391–338 p.n.e.). Ciała niebieskie poruszają się po koncentrycznych sferach, podczas gdy gwiazdy poruszają się równolegle do siebie przytwierdzone do niewidzialnej sfery, zachowując w ten sposób niezmienne położenie i tworząc gwiazdozbiory. Jego rozwinięciem jest model Kallipposa z Kyzikos (IV w. p.n.e.), zawierający 34 sfery, a następnie model Arystotelesa (384–322 p.n.e.), gdzie po 56 idealnie kulistych kryształowych sferach poruszają się planety oraz gwiazdy stałe. Model Arystotelesa udoskonalił jeszcze w II wieku n.e. Klaudiusz Ptolemeusz z Aleksandrii (ok. 100–168 n.e.),
Tabela 7.8. Najważniejsze etapy ewolucji biologicznej
Wydarzenie
Pierwsze Prokaryota
Powstanie bakteriochlorofilu
Pierwsze Cyanobacteria
Powstawanie pierwszych stromatolitów
Pierwsze Eukaryota
Powstanie II systemu fotosyntezy i pojawienie się tlenu w atmosferze
Powstanie pierwszych skamienielin
Powstanie organizmów wielokomórkowych
Powstanie kręgowców
Wyjście roślin na ląd
Wyjście kręgowców na ląd
Radiacja ssaków
Antropogeneza
Tabela 7.9. Ocena aktualnej bioróżnorodności na Ziemi
Grupa Liczba gatunków
Wirusy
Bakterie
Pierwotniaki
Grzyby
Rośliny
[mld lat]
Zwierzęta 1000 4800
Nagozalążkowe
Paprotniki
Mszaki
Jednoliścienne
Dwuliścienne
30 800 69 000 248 430 1 032 300
Inne 530 10 000 16 600 50 000 170 000 1300
Robaki
Pierścienice
Mięczaki
Inne bezkręgowce
Owady
Inne stawonogi
Kręgowce
24 200 12 000 50 000 29 400
751 000 123 400 42 300
Razem 1 386 330 wymierania bardzo wielu przedstawicieli świata żywego. Do najgroźniejszych należało wymieranie w okresie permu, kiedy to wyginęło ponad 80% gatunków. Do jednego z najbardziej znanych należy z kolei wymieranie na granicy kredy i trzeciorzędu, gdy wyginęły dinozaury i kiedy rozpoczęła się era ssaków (rys. 7.16, tab. 7.10).
Rysunek 7.15. Uniwersalne drzewo rodowe ziemskich organizmów oparte na porównaniu sekwencji rybosomalnego RNA (tRNA)
Rysunek 7.16. Zmiany liczebności rodzin zwierząt na przestrzeni wieków (na granicy kredy i trzeciorzędu wyginęły dinozaury i rozpoczęła się era ssaków)
Tabela 7.10. Wielkości strat w poszczególnych okresach wymierania
Wymieranie Czas [mln lat] Straty
Ordowik–sylur 440–450 27% rodzin, 57% rodzajów
Późny dewon 360–375 19% rodzin, 50% rodzajów, 70% gatunków
Perm–trias 251 57% rodzin, 80% rodzajów, 96% gatunków morskich, 70% gatunków lądowych
Trias–jura 205 23% rodzin, 48% rodzajów
Kreda–trzeciorzęd 65,5 17% rodzin, 50% rodzajów, 75% gatunków
Czwartorzęd teraz w trakcie procesu przyspieszenia