XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Возможность зарождения жизни на Венере
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Тему, которую мы выбрали для исследования, является, очень интересной, и актуальной для нас. Венера – планета Солнечной системы, которая является третьим по яркости светилом на ночном небе, после Солнца и Луны, а также, по совместительству, Венера – самая близкая планета к Земле, поскольку минимальное расстояние между орбитами этих двух планет 38 млн. км., а максимальное составляет 261 млн. км. К слову, минимальное расстояние до Марса (Четвёртой планеты Солнечной системы) составляет 55,76 млн. км., а максимальное уже 401 млн. км.
Вероятно, многих хоть раз интересовал вопрос возможности существования жизни на других планетах. И Венера – идеальный кандидат на это, не зря её, порой, называют сестрой Земли. Там почему одна из двух практически идентичных планет вдруг стала пустошью с температурой в среднем 462 градуса по Цельсию? Поэтому мы и выбрали данную тему и решили разобраться в ней.
Все вышеизложенное позволило сформулировать проблему исследования, которая заключается в том, что на идентичной планете, как наша Земля, не зародилась жизнь. Могла ли возникнуть жизнь на Венере до этого недоразумения и может ли сейчас – вопрос, требующий анализа.
Объект: планета Венера
Предмет: зарождение жизни на Венере.
Цель: изучить возможность зарождения жизни на Венере по примеру Земли
Задачи:
Изучить параметры Венеры, провести аналогию с Землёй;
Изучить магнитное поле Венеры;
Выяснить наиболее вероятный способ зарождения жизни на Земле;
Обойти дилемму кислотного гидролиза нуклеиновых кислот;
Проанализировать влияние венерианской катастрофы на условия на Венере;
Обсудить способы тушения вулканов на Венере;
Выяснить возможно ли зарождение жизни на Венере до/после катастрофы.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:
1. Теоретические – изучение и анализ литературы.
2. Эмпирические – составление информационного буклета о зарождении жизни на Венере, изготовление макета, для наглядного представления планеты Венера.
Практическая значимость состоит в следующем: макет планеты Венера может быть использован на уроках астрономии. При помощи буклета мы хотим привлечь к изучению науки астрономия учеников школы №39.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1. Параметры планеты Венера и состав атмосферы
Венера – планета Солнечной системы, которая является третьим по яркости светилом на ночном небе, после Солнца и Луны, а также, по совместительству, Венера – самая близкая планета к Земле, поскольку минимальное расстояние между орбитами этих двух планет 38 млн. км., а максимальное составляет 261 млн. км. Рис. 1.1 К слову, минимальное расстояние до Марса (Четвёртой планеты Солнечной системы) составляет 55,76 млн. км., а максимальное уже 401 млн. км. То есть ближе к нам находится планета Венера.
|
Рис. 1.1 |
Планета Венера имеет следующие параметры:
диаметр – 12,103км (95% диаметра нашей планеты);
температура на поверхности – 737 К/464 °C (290 К/17 °C);
площадь поверхности — 4,60·108 кв. км (90%);
объем — 9,З8·1011 куб. км (85,7%);
масса — 4,86·1024 кг (81,5%);
средняя плотность — 5,24 г/куб. см;
наклон оси — 177,З6°;
сила тяжести – 540 Н(9 м/с*60кг) (90% земной).
состав: металлическое ядро, окружённое мантией с тонкой корой (идентичен земному за исключением отсутствия конвекции у Венеры);
атмосферное давление – 9,3 Мпа (в 93 раза больше земного);
направление оборота – по часовой стрелке (Земля движется, как и большинство планет Солнечной системы движется против часовой стрелки).
Атмосфера Венеры состоит из углекислого газа (что и обеспечивает высокую температуру на поверхности планеты за счёт парникового эффекта), небольшого количества азота и ещё меньшего — других веществ. Хотя процентное содержание азота там намного меньше, чем в атмосфере Земли (3,5 % против 78,084 %), его общая масса примерно вчетверо больше. Это результат того, что атмосфера Венеры значительно плотнее земной.
В атмосфере Венеры есть и другие компоненты, но в очень малом количестве. Это диоксид серы (SO2), водяной пар (H2O), угарный газ (CO), инертные газы, хлороводород (HCl) и фтороводород (HF). Водорода в атмосфере Венеры относительно мало.
Магнитное поле планеты Венера
У Венеры очень слабое магнитное поле (магнитный момент Венеры не превышает 5—10 % магнитного поля Земли), что объясняется отсутствием в ядре Венеры конвективных потоков. Сами же конвективные потоки зависят от тектоники плит, которая влияет на направление атмосферных и океанических течений. Последние же влияют уже на эрозию горных пород, из-за чего связываются парниковые газы и освобождаются необходимые для любых форм жизни минералы на Земле.
На Земле есть все условия для формирования тектонических плит: вода, играющая роль смазывающего вещества; подходящая температура для застывания коры; есть крупный спутник – Луна, которая способна вызвать приливные процессы в мантии и ядре.
На Венере же отсутствует вода, которая была раньше в больших количествах, исходя из соотношения дейтерия к другим изотопам атома водорода. Высокая температура, при которой кора не застывает в должной степени и полное отсутствие спутников.
Теории зарождения жизни
Если хотим узнать возможна ли жизнь на Венере, необходимо сначала понять, какими способами она могла появиться у нас. Теорий, на удивление, много. От древнего креационизма до витализма, от панспермии до теории стационарного зарождения, хотя ныне наиболее востребована всё же теория абиогенеза, то есть абиогенного синтеза органических веществ.
В общем, если на молодой Земле ещё не было условий для зарождения жизни, то составляющие этих условий могли попасть на планету извне. Так по мнению астрономов молодая Земля была бомбардирована огромным количеством кометного вещества, которое в большей своей степени состояло изо льда и содержало необходимые для абиогенного синтеза вещества (аммиак например). Наблюдения же показывают, что в пылевых облаках и космических телах содержится простая органика и даже аминокислоты. Образование подобных соединений в космосе не противоречит законам физики и химии.
1.3.1 Прародитель абиогенеза
Научные основы абиогенеза, или происхождение живого из неживого, заложил русский биохимик А. И. Опарин. В 1924 году, будучи 30-летним ученым, Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая, по мнению его коллег, «содержала семена интеллектуальной революции». Согласно теории Опарина, жизнь – лишь закономерный этап эволюции химических соединений и состоит из трёх стадий:
Синтез первых органических веществ из веществ неорганических, то есть создание первичного бульона;
Полимеризация, усложнение строения органических веществ, то есть создание первых белков и нуклеиновых кислот;
Возникновение организмов, имеющих репродуктивную способность, а также появление у них матричного синтеза на основе РНК, позже на основе ДНК.
В результате данных стадий должны были появиться первые прокариотические клетки.
В 1953 году С. Миллер, аспирант Университета Чикаго, провел успешный опыт по абиогенному синтезу органических веществ. Он создал условия ранней Земли в лабораторной пробирке и в результате химической реакции получил набор аминокислот.
Миллер использовал колбу, в которой непрерывно циркулировали метан, аммиак, водород и угарный газ (CO) - когда-то составлявшие атмосферу Земли (кислород в ее составе отсутствовал). По итогам эксперимента в системе появились аминокислоты, сахара, жиры и даже предшественники нуклеиновых кислот.
Так, теория Опарина начала получать экспериментальные подтверждения. Впрочем, не стоит забывать, что аминокислоты образуются только в восстановительных условиях, из-за чего Опарин сделал предположение о метаново-аммиачном составе среды. Только проблема в том, что данные соединения очень неустойчивы и разрушаются под действием солнечного света. Более того сама атмосфера молодой Земли не могла содержать достаточное количество метана и аммиака в своём составе, нужного для абиогенеза.
Проблему ранней атмосферы Земли решил Э.М. Галимов, директор Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, который рассчитал, что земная кора образовалась в первые 50–100 миллионов лет после появление планеты Земля и была металлической, в таком случае, мантия планеты должна была выделять достаточное количество метана и аммиака для синтеза органических веществ, позже американские учёные К. Саган и К. Чайба предложили механизм защиты метановой атмосферы, по их предположениям разложение метана под действием ультрафиолета ведёт к образованию в верхних слоях атмосферы аэрозоля из частиц органики, которые могут поглощать солнечную радиацию, что защищает восстановительную среду планеты.
Мир РНК
Если задуматься, то становиться явным факт, что создать сразу клетку было невозможно, поскольку у неё есть как минимум три основных составляющих, которые должны синтезироваться одновременно: ДНК, РНК, белки. Эти составляющие позже должны быть ещё и окружены билипидным слоем – плазмалеммой.
Таким образом в 1989 году нобелевский лауреат по химии Уолтер Гилберт ввёл в оборот выражение «мир РНК», при этом имея в виду вполне себе самостоятельную живую систему. Поводом для этого послужили несколько важных свойств РНК:
РНК имеет каталитическую функцию (способна соединять между собой аминокислоты, например);
Способна осуществлять репликацию, то есть самовоспроизводиться;
Окончательно упрочнило идею мира РНК то, что именно РНК, находящаяся в каталитическом центре рибосом, выполняет главную роль в сборке белков – соединение аминокислот.
Водный парадокс
Думаю, ни для кого не секрет, что вода – основа жизни, она обладает огромной теплоёмкостью, способна проводить тепло, ток, является диполем, из-за чего способна расщеплять или смачивать гидрофильные (полярные или ионные) вещества, сама вода также способна вступать в химические реакции.
Расщепление нуклеиновых кислот под действием воды (кислотный гидролиз) даёт в результате нуклеотиды, то есть оборачивает реакцию синтеза РНК или ДНК вспять. Самое интересное, при синтезе белка происходит дегидратация, то есть отщепление воды, в ходе которой она выходит во внешнюю среду.
Таким образом, исследователь из Гарвардского университета, Захари Адам, пришёл к выводу, что предвестником жизни была не вода, а какое-то другое соединение, которое обладает похожими свойствами, но не расщепляет полимеры до мономеров. Основной претендент на замену воды – это формамид, который широко используется в промышленности в качестве растворителя, но не встречается на Земле в естественном виде в достаточных количествах.
В своей новой научной работе группа исследователей, возглавляемая Адамом и его соавтором Масаси Аоно из Университета Кэйо и Токийского технологического института, продемонстрировала возможность синтеза формамида в местах с сильным излучением. Так, например, при облучении гамма-лучами цианида водорода и ацетонитрила, одним из основных продуктов был именно формамид. Само излучение на молодой Земле могло появиться из-за радиоактивных месторождений полезных ископаемых, которые ныне обнаружены по всему миру.
1.4 Венера раньше
Согласно данным планетологов NASA, которые при помощи своих суперкомпьютеров смоделировали 5 моделей ранней Венеры. Каждая из моделей представляла из себя пригодную для жизни планету, а большую часть поверхности занимал океан. В общем, Венера – сестра Земли, ранее была ещё больше на неё похожа и по своему климату и по атмосфере. Вопрос лишь в том, что сгубило столь великолепные условия для процветания жизни чуть больше, чем 700 миллионов лет назад?
1.5 Венерианская катастрофа
Пускай до сих пор неизвестна точная причина преображения Венеры, если заглянуть в прошлое можно сделать предположение, что всему виной массовые извержения вулканов, которые также проходили на нашей планете ещё 252 миллиона лет назад. Данную катастрофу назвали массовым пермско-триасовым вымиранием, она стёрла более 80% всех представителей флоры и фауны. Эпицентр события находился на территории современной Сибири.
Основная причина восстановления биосферы Земли в том, что геохимический цикл углерода не был разорван полностью, то есть углекислый газ всё ещё мог попадать в воду с образование карбоновой кислоты, которая в свою очередь хорошо поглощается горными породами и оседает в виде известняка и кальцита, в связи с чем углерод и, соответственно, углекислый газ, в состав которого он входит, связывается и не вызывает парникового эффекта.
На Венере же произошли настолько сильные извержения, что застывшая магма просто покрыла всю поверхность океана и застыла, тем самым прервав геохимический цикл углерода, из-за чего углекислому газу было некуда деться из атмосферы. Вследствие этого парниковый эффект, вызванный избытком углекислоты, нагрел планету до запредельных температур.
1.7 Жизнь на Венере после катастрофы
Венера – планета Солнечной системы, не имеющая воды (лишь некоторое количество её паров в атмосфере), с температурой и давлением на поверхности настолько огромными, что даже углекислота превращается в сверхкритическую жидкость. К слову, следует упомянуть, что вышеописанная углекислота в сверхкритическом состоянии является отличным растворителем органических веществ.
Может ли в таких условиях зародиться жизнь именно такой, какой мы её знаем ныне? Вряд ли. В подобных условиях даже если жизнь и зародиться, она не сможет существовать без воды, а возможность синтеза формамида на Венере никто не рассматривает. Впрочем, есть учёные, которые надеяться найти уже образовавшиеся живые системы в верхних слоях атмосферы Венеры, где условия больше схожи с земными
Благодаря постоянному наблюдению за облаками учёным удалось выяснить, что альбедо облаков, состоящих в основном из сернистого газа и серной кислоты, достигает 75%. Но есть и участки с гораздо более низким альбедо — вплоть до 50% и ниже. Пятна не находятся постоянно в одном месте, а меняют как местоположение, так и конфигурацию. Данные пятна состоят из частиц и способны поглощать излучение в широком диапазоне – от УФ до видимого света. Данному феномену есть несколько объяснений, но сейчас нас интересует в первую очередь биогенный. Это не безосновательное утверждение, поскольку спектр поглощаемого излучения и размер частиц практически соответствует микроорганизмам земной атмосферы.
Ещё одним весомым доводом стало обнаружение в атмосфере Венеры фосфина и глицина, то есть обнаружили индикатор жизни и один из факторов зарождения жизни.
Если останавливаться на фосфине более подробно, то можно понять, что в атмосфере его куда больше, чем его могут производить абиогенные процессы, более того в кислой среде серных облаков фосфор не способен существовать в свободной форме, а сам фосфин очень быстро разрушается, из чего можно сделать вывод о наличии постоянного источника пополнения фосфина в атмосфере Венеры. Думаю, сейчас самое время упомянуть, что анаэробные организмы, в том числе те, что находятся в нашей атмосфере, способны производить фосфин.
Тем не менее, группа ученых под руководством Королевского университета Белфаста утверждает, что жизнь на Венере невозможна — ни на поверхности, ни над ней. Поскольку, изучая организмы, находящиеся на нашей планете, они пришли к выводу, что выжить, да, именно выжить, речь не шла о создании отдельных колоний, не сможет ни один известный ныне организм. Это обусловлено хотя бы тем, что воды в верхнем слое Венеры в 100 раз меньше, чем требуется на выживание самого неприхотливого организма.
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Изготовление макета Венеры для уроков астрономии
Цель: наглядно показать строение планеты Венера.
Оборудование и материалы:
- 3d принтер, пластик, программа для принтера, краски, наждачная бумага.
Ход работы:
Создали модель Венеры в 3d программе разбив на сечения, для того чтобы сделать макет планеты в разрезе ( где видно ядро, мантию, кору и атмосферу). Рис. 2.2
Готовые чертежи переформатировали в формат SLT для 3d печати.
Создали файл, перенесли на флэшку и вставили в 3d принтер. Рис. 3.1
После того, как закончилась печать, отшлифовали макет, каждый слой и подготовили к покраске.
Красили каждый слой отдельно и собирали макет. Рис. 3.3
|
Рис. 2.1 Принтер |
||
|
Рис. 2.2 Чертежи в 3d программе. |
||
|
Рис. 2.3 Макет Венеры |
||
Таким образом был сделан макет Венеры, который отражает её строение. Масштаб модели 1:122000000
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Венера – сестра Земли, на которой предположительно 700 млн лет назад могла быть жизнь, сейчас абсолютно для неё непригодна, по крайней мере, на её поверхности из-за углекислого газа в сверхкритическом состоянии, который на поверхности Венеры растворит любое органическое вещество. Сколько бы учёные ни строили предположений о наличии на ней жизни, она от этого там не появиться, поскольку даже фосфин – своеобразный индикатор жизни в гораздо более масштабных количествах присутствует в составе атмосфер Юпитера и Сатурна даже по сравнению с земной атмосферой, не говоря уже об атмосфере Венеры, где фосфина гораздо меньше.
Подводя итоги, можно сделать вывод, что Земля на данный момент, вероятно – единственное место, где есть жизнь, раз уж даже на Венере, сестре Земли, не удалось найти хоть каких-то весомых доказательств в пользу её наличия.
В итоге, хотим сказать, что поставленные нами цели и задачи были выполнены. Мы узнали много полезной для себя информации, которая нам интересна и сделали макет, который будут использовать наши учителя на уроках астрономии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
https://alivespace.ru/zhizn-voznikla-bez-vody/
https://aboutspacejornal.net/2018/02/01/жизнь-возникла-без-воды/
https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435531/Na_Venere_akh_na_Venere
https://ru.wikipedia.org/wiki/Магеллан_(космический_аппарат)
https://spacegid.com/sravnenie-zemli-i-veneryi.html
http://www.astronautica.ru/solnechnaya-sistema/planeta-venera/455.html#:~:text=Очевидно%2C%20что%20у%20Венеры%20конвекции,закручиваются%20и%20генерируют%20магнитное%20поле
https://www.vokrugsveta.ru/vs/article/595/
https://dzen.ru/media/rgo/drevnie-sibirskie-vulkany-vyzvali-krupneishee-vymiranie-na-planete-5ef1bdfa17ce5161df20fe2f
https://humaninside.ru/vokrug-nas/72082-permskoe_vyimiranie_chto_252_milliona_let_nazad_sterlo_80_jizni_na_zemle.html
https://www.pnp.ru/social/uchenye-nasa-globalnaya-katastrofa-mogla-unichtozhit-zhizn-na-venere.html
http://kosmos-x.net.ru/news/modelirovanie_pokazalo_venera_mogla_na_protjazhenii_pochti_3_milliardov_let_byt_prigodnoj_dlja_zhizni/2020-09-15-6163
https://habr.com/ru/company/selectel/blog/563658/
https://russian.rt.com/science/article/499844-venera-zhizn-oblaka-atmosfera
https://cyberleninka.ru/article/n/kontseptsiya-mir-rnk-teoriya-i-praktika#:~:text=Так%20на%20основе%20мира%20РНК,к%20эволюции%20мир%20доклеточной%20жизни
https://yeolka1.livejournal.com/142368.html
https://wikipredia.net/ru/Iron–sulfur_world_hypothesis