Un hominid care a murit in urma cu 90.000 de ani a avut o mama Neanderthal si un tata Denisovan, conform analizei genomului extras dintr-un os descoperit intr-o pestera din Siberia. Este prima data cand s-a descoperit un individ apartinand doua grupuri umane distincte. Rezultatele studiului au fost publicate in revista Nature pe 22 august 2018.

“Descoperirea unei persoane de origine mixta este absolut incredibila”, spune geneticianul Pontus Skoglund de la Institutul Francis Crick din Londra.

Echipa condusa de paleontologii Viviane Slon si Svante Paabo de la Institutul Max Planck din Leipzig, Germania, a efectuat analiza genomului dintr-un singur fragment de os descoperit in Pestera Denisova din Multii Altai, din Rusia. Numele Denisovanilor provine de la denumirea pesterii Denisova unde au fost descoperite primele fosile. Insa regiunea Altai a fost, de asemenea, populata si de Neanderthalieni.

Avand in vedere variatia genetica a oamenilor moderni si primii oameni, geneticienii stiau deja ca si Denisovienii si Neanderthalii au convietuit impreuna – de asemenea si cu Homo sapiens. Insa pana acum nimeni nu a gasit descendenti de prima generatie avand astfel de legaturi.

Echipa lui Paabo a descoperit pentru prima data ramasitele lui Denny acum cativa ani, uitandu-se printr-o colectie de peste 2000 de fragmente osoase neidentificate. Au folosit datarea cu radiocarbon pentru a determina ca osul a apartinut unui hominid care a trait cu mai mult de 50.000 de ani in urma (limita superioara a tehnicii de datare cu radiocarbon, iar analiza genetica ulterioara a estimat ca individul a trait acum 90.000 de ani). Apoi au secventiat ADN-ul mitocondrial al specimeniului si au comparat datele cu secventele altor oameni primitivi. Aceasta analiza a aratat ca ADN-ul mitocondrial al specimenului provenea dintr-un Neanderthal.

Insa era doar jumatate din imaginea intreaga. ADN-ul mitocondrial este mostenit de la mama si reprezinta doar o singura linie de mostenire, lasand necunoscuta identitatea tatalui si stramosii acestuia.

In ultimul studiu, echipa a incercat sa obtina o intelegere mai clara a stramosilor prin secventierea genomului si comparand variatia ADN-ului cu cea a unui Neanderthal, a unui Denisovan, ambele descoperite tot in pestera Denisova si cu ADN-ul unui om din Africa. Aproximativ 40% din ADN s-au potrivit cu ADN-ul de Neandethal – dar alte 40% au corespuns cu cel Denisovan. Prin secventierea cromozomilor, cercetatorii au stabilit de asemenea ca fragmentul provine de la o femeie, iar grosimea osului sugereaza ca avea o varsta de cel putin 13 ani atunci cand a murit.

Avand un ADN similar cu ADN-ul Denisovanilor si Neanderthalilor in proportii egale, specimenul parea sa aiba un parinte Denisovan iar celalalt Neanderthal. Dar exista si o alta posibilitate: parintii lui Denny ar fi putut apartine unei populatii de hibrizi Denisovan-Neanderthal, adica Denny sa nu fi fost prima generatie rezultata dintr-un Denisovan si un Neanderthal.

Pentru a determina care dintre aceste posibilitati este mai probabila, cercetatorii au examinat diferentele dintre genomurile de Neanderthal si Denisovan. In peste 40% din cazuri, un fragment de ADN se potrivea cu genomul de Neanderthal, in timp ce altul se potrivea cu cel Denisovan. Asta arata clar ca Denny descinde dintr-un parinte Denisovan si unul Neanderthal.

Harris spune ca intalnirile dintre Neanderthali si Denisovani ar fi putut fi destul de frecvente. Acest lucru ridica o intrebare interesanta: daca Neanderthalii si Denisovanii s-au imperecheat frecvent, de ce au ramas cele doua populatii de hominide distincte din punct de vedere genetic pentru cateva sute de mii de ani? Harris sugereaza ca urmasii Neandethal-Denisovan au fost infertili sau aveau alte probleme biologice, impiedicand astfel combinarea celor doua specii.

„Intalnirile dintre Neanderthali si Denisovani ar fi putut avea si unele avantaje, chiar daca exista alte costuri”, spune Chris Stringer, un paleoantropolog de la Muzeul de Istorie Naturala din Londra. Neanderthalii si Denisovanii nu erau atat de similari din punct de vedere genetic precum sunt rasele umane de astazi si astfel incrucisarea ar fi putut oferi o modalitate de “completare” a propriilor genomi cu putina variatie genetica suplimentara.

Studiul ridica, de asemenea, intrebari cu privire la modul cum se intampla imperecherea intre diferite grupuri umane – de exemplu, daca au fost sau nu consensuale.

Cu o mama Neanderthal si un tata Denisovan, cum ar trebui sa numim noul specimen? “Evitam sa mentionam cuvantul hibrid”, spune Paabo. Termenul implica ca cele doua grupuri sunt specii distincte, in timp ce, in realitate, limitele intre ele nu sunt bine conturate.

“Definirea unei specii noi nu este intotdeauna clara”, spune Harris si este interesant sa vedem dezbateri cu privire la cum este aplicata clasificarea organismelor, dar de data asta, aplicata oamenilor.

Lucrarea poate fi citita aici: https://www.nature.com

Expresia latină “creatio ex nihilo” înseamnă “creație din nimic” și ține în mare parte de domeniul teologiei, filozofiei și mitologiei datorită principiului întâi al termodinamicii, care este de fapt o particularizare a legii conservării energiei la procesele în care intervine mișcarea termică a materiei.

Acest principiu spune că energia nu poate fi nici creată, nici distrusă.

Cum influențează acest principiu materia? Albert Einstein a argumentat că materia și energia sunt interschimbabile. Materia ocupă spațiu, are masă și compune cea mai mare parte din universul vizibil. Energia, pe de altă parte, are forme multiple și este, în esență, forța care face ca lucrurile să se întâmple. Conform lui Einstein și a primei legi a termodinamicii, în univers există o cantitate fixă de energie și materie.

Atunci când se ciocnesc doi protoni în acceleratorul de particule “Large Hadron Collider”, aceștia se rup în particule subatomice numite quarcuri și gluoni (particulă elementară care intermediază interacțiile tari dintre quarcuri). Chiar și atunci când materia și antimateria se anihilează, se produce energie, sub formă de fotoni.

Dacă am construi o moleculă din atomi, practic nu am crea materie. Un atom este materie – dar așa sunt și particulele subatomice din interiorul lui. Este ca și cum am lua făină și am folosi-o pentru a face o prăjitură. De fapt luăm un produs alimentar și realizăm din el un alt produs alimentar mai complicat.

Însă se poate crea materie, dar nu din nimic, ci din energie. Pentru a crea materie într-un mod care să adere la principiul întâi al termodinamicii, trebuie să convertim energia în materie. Aceasta conversie a avut loc și acum 13 miliarde de ani, la o scară cosmică, in momentul Big Bang-ului. Big Bang-ul a constat în întregime din energie iar materia a apărut odată cu răcirea rapidă.

În laborator, crearea materiei implică o reacție de perechi, numită așa deoarece transformă un foton într-o pereche de particule: un electron și un pozitron. Atunci când electronii se deplasează într-un câmp electric puternic se generează radiații gamma, deoarece o mare parte din energia acestora este convertită în radiații electromagnetice. Fotonii de mare energie care rezultă în acest mod interacționează cu fasciculele laser și generează perechi electron-pozitron. Într-un sens mai larg, putem spune că procesul invers al anihilării particulelor poate fi numit crearea de materie.

Atunci când un pozitron cu o energie redusă se ciocnește cu un electron de joasă energie, are loc procesul de anihilare electron-antielectron, generându-se doi fotoni din spectrul radiațiilor gamma. Acest proces are loc conform principiului echivalenței masă-energie al lui Albert Einstein.

Datorită legii de conservare a impulsului, nu poate apare o pereche de fermioni (particule de materie) dintr-un singur foton. Totuși, crearea materiei este permisă de aceste legi în prezența unei alte particule (alt boson sau chiar a unui fermion) care poate împărți impulsul fotonului primar. Astfel, materia poate fi creată din doi fotoni.

Legea conservării energiei stabilește o energie minimă a fotonilor necesară pentru crearea unei perechi de fermioni: această energie minimă trebuie sa fie de cel puțin 2m_ec² = 2 × 0.511 MeV = 1.022 MeV (m_e este masa unui electron, c – viteza luminii în vid, eV – electronvolt). Crearea unei perechi mult mai masive, precum un proton și un antiproton, necesită fotoni cu o energie mai mare de 1,88 GeV.

Primele calcule referitoare la coliziunile foton-foton au fost efectuate de Lev Landau în 1934.

În acceleratoarele de particule s-au produs o varietate de particule elementare exotice. Deci, da, oamenii pot crea materie. Putem transforma lumina în particule subatomice, dar nu putem crea ceva din nimic.

Bibliografie:

Ferlic, Kenneth. „The Phenomenon of Pair Production.” 2006.(July 14, 2010)

În cartea și filmul Îngeri și Demoni, profesorul Langdon încearcă să salveze orașul Vatican de o bombă cu antimaterie. În Star Trek, Enterprise folosește antimateria pentru a călători mai repede decât viteza luminii. Dincolo de științifico-fantastic, antimateria este reală. Particulele de antimaterie sunt aproape identice cu omologii lor de materie, cu excepția că antimateria are o sarcină opusă particulei de materie și spin diferit.

Atunci când o particulă intră în coliziune cu antiparticula sa, cele două se anihilează, emițând raze gamma, fotoni de înaltă energie.

Chiar dacă bombele cu antimaterie și navele spațiale alimentate cu antimaterie țin doar de science fiction, există multe aplicații reale ale antimateriei.

Antimateria ar fi trebuit să anihileze toată materia în univers după Big Bang.

Big Bang-ul ar fi trebuit să creeze materie și antimaterie în cantități egale. Atunci când materia și antimateria se întâlnesc, se anihilează, lăsând în urmă doar energie. Deci, în principiu, nici unul dintre noi nu ar fi trebuit să existe.

Dar noi existam pentru că, în final, a existat o particulă de materie în plus pentru fiecare miliard de perechi de materie-antimaterie. Fizicienii încearcă să explice această asimetrie.

Antimateria este mai aproape de tine decât crezi.

Cantități mici de antimaterie continuă să cadă constant pe Pământ sub formă de raze cosmice. Aceste particule de antimaterie ajung în atmosfera noastră într-o cantitate de una până la 100 de particule pe metru pătrat. Oamenii de știință au observat, de asemenea, dovezi ale producției de antimaterie deasupra furtunilor.

Dar alte surse de antimaterie sunt chiar mai aproape de casa noastră. De exemplu, bananele produc antimaterie, eliberând un pozitron (antielectron) – echivalentul antimateriei a unui electron – la fiecare 75 de minute. Asta se întâmplă deoarece bananele conțin o cantitate mică de potasiu-40. Deoarece Potasiul-40 se dezintegrează, în timpul procesului scapă un pozitron. Și nu doar în banane găsim Potasiu-40, ci și în corpul nostru.

Oamenii au creat doar o cantitate mică de antimaterie

Anihilarea materiei-antimaterie are potențialul de a elibera o cantitate imensă de energie. Un gram de antimaterie ar putea produce o explozie de dimensiunea unei bombe nucleare. Cu toate acestea, oamenii au produs doar o cantitate infimă de antimaterie.

Toți antiprotonii creați la acceleratorul de particule Tevatron cântăresc doar 15 nanograme. La CERN s-au produs aproximativ 1 nanogram de antiprotoni.

Toată antimateria realizată de oameni nu ar fi suficientă pentru a încălzi o ceașcă de ceai. Problema constă în eficiența și costul producerii și stocării antimateriei. Un gram de antimaterie necesită aproximativ 25 de milioane de miliarde de kilowați-oră de energie și un cost de peste 1 milion de miliarde de dolari.

Există capcane de antimaterie

Pentru a studia antimateria, aceasta trebuie împiedicată să intre în contact cu materia. Oamenii de știință au creat modalități pentru a face asta. Particulele de antimaterie, precum pozitronii și antiprotonii, pot fi ținute în dispozitive numite capcane Penning. Acestea sunt asemănătoare cu acceleratoarele de particule mici. În interior, particulele se învârt în jurul lor, iar câmpurile magnetice și electrice le împiedică să se ciocnească cu pereții “capcanei”.

Însă capcanele Penning nu funcționează asupra particulelor neutre, cum ar fi antihidrogenul, deoarece sunt particule fără sarcină electrică. În schimb, pot fi suspendate în capcane Ioffe (capcane magnetice), care crează o regiune din spațiu în care câmpul magnetic devine treptat mai mare în toate direcțiile. Astfel particula rămâne blocată în centru, în zona cu cel mai slab câmp magnetic, asemănător cu o bilă care rămâne în partea de jos a unui bol rotund.

Gravitația ar putea avea efect și asupra antimateriei

Particulele de materie și antimaterie au aceeași masă, dar au proprietăți diferite, cum ar fi sarcina electrică și spinul. Modelul standard prezice că gravitația ar trebui să aibă același efect asupra materiei cât și antimateriei; totuși, acest lucru nu a fost încă observat. Experimentele AEGIS, ALPHA și GBAR sunt în căutarea unui răspuns.

Observarea efectului gravitației asupra antimateriei nu este la fel de ușoară precum observarea căderii unui măr dintr-un copac. Aceste experimente trebuie să mențină antimateria suspendată sau să o încetinească prin răcirea acesteia la temperaturi aproape de zero absolut. Și pentru că gravitația este cea mai slabă dintre forțele fundamentale, fizicienii trebuie să folosească particule neutre de antimaterie pentru a preveni interferența cu forțele electrice mai puternice.

Antimateria este studiată în deceleratoarele de particule

CERN găzduiește o mașină numită “decelerator de antiprotoni”, un inel de stocare care poate capta și încetini antiprotoni pentru a studia proprietățile și comportamentul.

Neutrinii ar putea fi propriile lor antiparticule

O particulă de materie și partenera sa de antimaterie au sarcini electrice opuse, făcându-le ușor de distins. Neutrinii, particule aproape fără masă, care rareori interacționează cu materia, nu au sarcină. Oamenii de știință cred că neutrinii ar putea fi particule Majorana, o clasă ipotetică de particule în care acestea sunt și propriile lor antiparticule.

Proiecte precum “Majorana Demonstrator” și “EXO-200” au scopul de a determina dacă neutrinii sunt particule Majorana, căutând un comportament denumit dublă dezintegrare beta-neutrino.

Unele nuclee radioactive se dezintegrează simultan, eliberând doi electroni și doi neutrini. Dacă neutrinii ar fi propriile lor antiparticule, ei s-ar anihila unul pe celălalt, iar oamenii de știință ar observa doar electroni.

Descoperirea neutrinilor Majorana ar putea explica de ce există o asimetrie între cantitatea de materie și antimaterie de astăzi. Ipoteza spune că particulele Majorana pot fi grele sau ușoare. Cele ușoare există astăzi, iar cele grele au existat imediat după Big Bang. Neutrinii mari s-au dezintegrat asimetric, ducând la excesul de materie care a permis universului nostru să existe.

Antimateria este folosită în medicină

TEP (tomografia cu emisie pozitronică) folosește pozitroni pentru a produce imagini de înaltă rezoluție ale corpului. Izotopii radioactivi (precum cei găsiți în banane) se atașează substanțelor chimice precum glucoza care sunt utilizate în mod natural de către organism. Acestea sunt injectate în sânge, unde sunt dezintegrate, eliberând pozitroni ce sunt anihilați când întâlnesc electronii. Anihilarea produce raze gamma ce sunt folosite pentru a construi imaginile.

Oamenii de știință de la CERN din proiectul ACE au studiat antimateria ca potențial candidat pentru terapia cancerului.

Antimateria care ar fi trebuit să ne împiedice existența ar putea exista încă

O modalitate prin care oamenii de știință încearcă să rezolve problema asimetriei este de a căuta antimateria rămasă în urma Big Bang-ului.

Pe Stația Spațială Internațională există în partea de sus montat un detector de particule numit AMS (Alpha Magnetic Spectrometer). Acest detector poate separa materia de materie și identifică particulele în timp ce trec prin detector.

Coliziunile razelor cosmice produc pozitroni și antiprotoni, dar probabilitatea de a crea un atom de antiheliu este extrem de scăzută din cauza cantității mari de energie de care va avea nevoie. Asta înseamnă că observarea chiar și a unui singur nucleu de antiheliu ar fi o dovadă puternică pentru existența unei cantități mari de antimaterie în altă parte a Universului.

Oamenii studiază cum să realizeze nave spațiale folosind antimaterie

Doar o mână de antimaterie poate produce o cantitate imensă de energie. Propulsia rachetelor cu ajutorul antimateriei este posibilă ipotetic; limitarea majoră constă în obținerea unei cantități de antimaterie suficiente pentru a face acest lucru.

În prezent, nu există tehnologia necesară pentru producerea în cantități mari sau stocarea ei. Cu toate acestea, Ronan Keane și Wei-Ming Zhang, au efectuat studii cu privire la propulsia și stocarea antimateriei. Într-o zi, dacă găsim o modalitate de a crea sau a colecta cantități mari de antimaterie, studiile lor ar putea face ca navele spațiale bazate pe antimaterie și călătoriile interstelare sa devină realitate.

Traducere și adaptare dupa Symmetry Magazine.

Atunci când unii oameni se gândesc la evoluție, își imaginează că un organism evoluează într-un alt tip – precum peștii în animale terestre sau primele primate în oameni. Cu toate acestea, pentru oamenii de știință, evoluția înseamnă ceva mai subtil: frecvența apariției anumitor variații genetice în cadrul unei populații. Și – într-un alt contrast cu ideea populară despre evoluție – astfel de schimbări sunt determinate de mulți factori, nu doar de selecția naturală: mutațiile, migrația și șansele sunt mecanisme ale evoluției.

O problemă a devenit foarte controversată în acest domeniu: care sunt procesele de evoluție care duc la apariția de noi specii? Genetica ne poate explica evoluția speciilor, chiar și a acelor specii care au dispărut deja; oamenii de știință se bazează pe fosile pentru a compara ADN-ul rudelor în viață cu ADN-ul speciilor dispărute.

De ce apar noi specii?

Se pare că există cel puțin o condiție necesară pentru apariția unei specii: un anumit grad de separare între populațiile unei specii existente. Aceasta poate fi o separare fizică – o barieră geografică, cum ar fi o zonă montană sau o izolare pe o insulă – sau poate fi una ce ține de dietă sau preferințe diferite de împerechere. De-a lungul timpului, mutațiile ADN-ului în cadrul a două populații diferite vor face în cele din urmă dificilă sau imposibilă împerecherea dintre doi indivizi aparținând acestor două populații – și astfel, vor deveni specii diferite.

Cazuri ale acestui fenomen sunt abundente. Atunci când muștele de fructe sunt ținute în incinte separate într-un laborator, muștele din grupuri diferite în cele din urmă ajung să nu mai fie capabile să se încrucișeze sau să producă descendenți unul cu celălalt. Exemplul Darwinian de speciație este cinteza din Insulele Galapagos. În acest caz, separarea ține atât de dietă cât și de mediu și a condus la apariția unor specii diferite, cu ciocul diferit, reflectând adaptări la dieta lor individuală.

În ultima epocă glaciară, multe populații de animale din Europa au devenit izolate din punct de vedere geografic atunci când s-au refugiat în alte regiuni mai calde. Atunci când ghețarii s-au topit, în urmă cu aproximativ 10.000 de ani, populațiile care au fost separate în tot acest timp au intrat din nou în contact, deoarece acum puteau să migreze și să repopuleze continentul. Dar datorită separării lor timp de mai multe mii de ani, populațiile au dobândit câteva variante genetice specifice fiecăruia, ceea ce a făcut mai greu ca acestea să se poată reproduce din nou.

De exemplu, așa s-a întâmplat cu cioara europeană (Corvus corone) în perioada erei glaciare, când au apărut două tipuri vizibil diferite: corbul cornus (Corvus corone corone) în vest și cioara grivă (Corvus corone cornix) în est. Astăzi, în Italia, unde se întâlnesc ciori de ambele tipuri, cele două specii se pot împerechea și pot da naștere puilor, deși cu un succes mai mic decât în cadrul propriei populații. Analizând genomul ciorilor din zona hibridă și comparându-le cu genomii celor două specii, oamenii de știință au reușit să identifice secvențe de ADN care sunt găsite într-o populație dar nu și în cealaltă.

Procesele moleculare studiate de zeci de ani evidențiază natura universală a proceselor evolutive. Aceste procese nu diferă de cele care apar la microorganisme – precum la virusul Ebola. Principalul factor care separă aceste exemple este timpul: gradul de schimbare genetică care a avut loc în Ebola de-a lungul a câțiva ani a durat mii de ani la păsări. În cazul ciorilor sau a cintezelor, aceste mutații duc în cele din urmă la o incompatibilitate din punct de vedere reproductiv și, astfel, la o nouă specie.

Distribuția speciilor

Diversitatea vieții este uluitoare. Aproximativ 250.000 de specii de plante, 100.000 de specii de ciuperci și 1 milion de specii de animale au fost descrise și clasificate, fiecare ocupând propria nișă ecologică; iar recensământul este departe de a fi complet. Unele specii, precum oamenii, pot trăi aproape oriunde pe Pământ. Altele sunt uimitor de adaptate doar locului unde trăiesc. De exemplu, gândacii Aphaenops cronei sunt găsiți numai în unele peșteri din sudul Franței. Musculița Drosophila carcinophila trăiește doar pe anumite insule din Caraibe. Aproximativ 2000 de specii din genul Drosophila se găsesc acum în întreaga lume și aproximativ un sfert dintre acestea trăiesc numai în Hawaii.

Insulele sunt adevărate ateliere naturale ale evoluției. Peste 1000 de specii de melci și alte moluște se găsesc doar în Hawaii. Insulele Hawaii sunt departe de continent și pe baza dovezilor geologice nu au fost niciodată alipite de continent. Primii colonizatori n-au găsit nicio specie de mamifere aici, cu excepția unei specii de lilieci. Insulele Hawaii nu sunt mai puțin primitoare decât alte părți ale lumii, dar multe specii de organisme nu au ajuns niciodată pe acestea datorită izolării geografice.

Dacă evoluția este reală, de ce nu mai evoluăm și astăzi?

Evoluția este un proces extrem de lent pentru a putea fi observată de-a lungul a câtorva generații, dar este totuși vizibilă dacă știm unde să ne uităm. De exemplu, bacteriile devin rezistente la antibiotice, dar acestea au și o viteză de multiplicare foarte mare; la fiecare 20 de minute apare o nouă generație. (Credit foto: Don Smith / Alamy)

Nici noi nu suntem scutiți de mutații. Climatul ne-a modelat nasul, schimbarea dietei a dus la toleranță la anumite alimente, am căpătat protecție împotriva anumitor infecții, inuiții s-au adaptat la temperaturi extrem de scăzute, iar calugării tibetanii la aerul mai sărac în oxigen din munții Himalaya.

De la dinozauri la păsări și înapoi

Evoluția păsărilor din dinozauri a fost un proces continuu, fără schimbări bruște. Dacă un paleontolog ar putea să călătorească în timp și să poată urmări evoluția păsărilor din ultimii 100 de milioane de ani, nu ar observa niciun moment sau eveniment special să poată spune cu certitudine unde se opresc dinozaurii și de unde încep păsările.

Astfel de schimbări evolutive a speciilor sunt uneori numite “macroevoluție”, spre deosebire de modificările genetice pe care le putem observa în cadrul unei specii (uneori numită “microevoluție”). Din nefericire, această dihotomie sugerează că există două tipuri diferite de evoluție sau că evoluția este condusă de mecanisme diferite în macroevoluție față de microevoluție. Dar este fals, deoarece atât macroevoluția cât și microevoluția se bazează pe aceleași mecanisme. Există doar o evoluție, determinată de mutație, migrație, selecție și poate și șansă.

Bibliografie:
https://www.scienceinschool.org
http://journals.plos.org
https://www.medicalnewstoday.com
Foto: Adam Fenster / Reuters

Primele idei despre nucleosinteza spuneau ca elementele chimice au fost create la inceputul Universului, insa nu a fost gasit nici un scenariu rational pentru a sustine aceasta ipoteza. Cu timpul a devenit clar ca hidrogenul si heliul este mult mai abundent decat alte elemente. Toate celelalte elemente constituie mai putin de 2% din masa sistemului nostru solar sau a altor sisteme stelare. In acelasi timp era clar ca oxigenul si carbonul reprezinta urmatoarele elemente din punct de vedere al abundentei. Astazi stim ca nu toate elementele chimice au fost produse in momentul Big Bang-ului.

Nucleosinteza Big Bang nu a putut produce elemente mai grele decat litiul datorita unui blocaj: absenta nucleelor stabile cu 8 sau 5 nucleoni. In stele, acest blocaj este eliminat de coliziunile triple ale nucleilor helium-4, producand carbon. Acest proces este foarte lent si are nevoie de zeci de mii de ani pentru a transforma cantitati semnificante de heliu in carbon.

In regiuni bogate cu protoni, litiu-6, beriliu-9 si bor-11 au fost produse de reactiile ⁴He(D,γ)⁶Li, ⁷Li(T,n)⁹Be, ⁷Li(D,γ)⁹Be, ⁷Be(T,p)⁹Be, and ⁹Be(T,n)¹¹B. Carbon-12 a fost produs atunci cand bor-11 a capturat un neutron sau un deuteron, permitand formarea nitrogenului si oxigenului in ciclul CNO (carbon-nitrogen-oxigen).

In anul 1920, Arthur Stanley Eddington a sugerat ca stelele isi obtin energia prin fuziunea hidrogenului rezultand heliul si a aratat ca elementele grele ar putea fi formate in interiorul stelelor. Ideea nu a fost acceptata in mod general deoarece mecanismul nuclear nu era inteles. In anii ce au urmat, imediat dupa Cel De-al Doilea Razboi Mondial, Hans Bethe a elucidat pentru prima data aceste mecanisme nucleare prin care hidrogenul fuzioneaza, rezultand heliul.

Acum, putini biochimisti si biologi moleculari se indoiesc ca viata poate lua nastere in mod natural din nonviata. Corpul uman este facut din aproximativ 7,000,000,000,000,000,000,000,000,000 atomi (7 octilioane) iar majoritatea sunt atomi de hidrogen – cel mai abundent element in Univers, produs in Big Bang, acum 13.8 miliarde de ani. Restul atomilor au fost “forjati” in stelele care au explodat acum miliarde de ani si un numar mai mic, pot fi atribuiti razelor cosmice.

Universul timpuriu s-a terminat cu perioada nucleosintezei Big Bang, cuprinzand intervalul de timp de la 3 pana la 15 minute dupa Big Bang. Nucleosinteza a fost impartita in era cuantica, era inflationara, era quarqurilor, era hadronica si era leptonica.

In domeniul astrofizicii, nucleosinteza este procesul de creare a noi tipuri de nuclee de elemente chimice ca urmare a reactiilor termonucleare din interiorul stelelor.

Pentru a intelege mai bine de unde provine fiecare ingredient din care suntem alcatuiti, Jennifer A. Johnson, astronom la Universitatea de Stat din Ohio, a realizat un nou tabel periodic (click pe imagine pentru marire) unde se pot vedea elementele chimice potrivit originii lor: Nucleosinteza Big Bang,  fuzionarea stelelor neutronice, explozia stelelor masive, moartea stelelor cu masa mica, si explozia stelelor pitice albe (white dwarf).

Fundalul fiecarui element din tabel este colorat in functie de cat la suta din respectivul element este rezultatul unui specific eveniment cosmic.

De exemplu, elemente precum oxigenul (O), magneziul (Mg) si sodiul (Na) au rezultat din exploziile gigantice ale supernovelor atunci cand acestea au ramas fara „combustibil” sau au acumulat prea multa materie.

Elementele mai „ciudate” precum borul (B) si beriliul (Be) precum si anumiti izotopi ai litiului (Li) au o origine deosebita deoarece sunt rezultatul particulelor de energie inalta, numite si raze cosmice. Razele cosmice atunci cand intalnesc anumiti atomi, dau nastere unor noi elemente.

Asadar, elementele mai grele precum carbonul, azotul, oxigenul, fierul etc nu au fost create in Big Bang. Si singura cale prin care ar fi putut ajunge in corpurile noastre este ca aceste stele sa fi avut amabilitatea sa explodeze, imprastiindu-si compozitia in cosmos, astfel incat intr-o zi sa se reuneasca intr-o planeta albastra de mici dimensiuni situata in apropierea unei stele pe care o numim Soare. Pe parcursul istoriei galaxiei noastre, au explodat cam 200 de milioane de stele.

Asa cum a spus Carl Sagan intr-un episod din “Cosmos”, nitrogenul din ADN-ul nostru, calciul din dintii nostri, fierul din sangele nostru, carbonul din placintele noastre cu mere, au fost produse in interiorul stelelor aflate in colaps. Noi suntem facuti din materie stelara.

Bibliografie:
http://blog.sdss.org/2017/01/09/origin-of-the-elements-in-the-solar-system/
http://www.sciencealert.com/this-awesome-periodic-table-shows-the-origins-of-every-atom-in-your-body
„Universul din nimic”, Lawrence M. Krauss.
Foto: NGC 7293 Nebuloasa Helix. Credit: NASA, ESA.

Nu toate elementele din tabelul periodic au fost create în universul timpuriu, după Big Bang. De fapt, la începutul universului au fost create doar câteva elemente chimice: hidrogenul, heliu și într-o cantitate mai mică, litiul, dar și câțiva izotopi (precum deuteriul, un izotop de hidrogen).

Primii atomi

Big Bang-ul nu a putut produce atomi mai grei decât litiul datorită unei probleme: absența unui nucleu stabil cu 8 sau 5 nucleoni. Acest deficit de atomi mai mari a limitat cantitățile de litiu-7 produse în timpul nucleosintezei. În stele, acest blocaj este depășit datorită setului de reacții numit “procesul triplu-alfa” în care trei nuclee de heliu-4 sunt transformate în carbon (număr atomic 8).

Atunci când Universul s-a extins, materia a început să se răcească. Deoarece temperatura este o unitate de măsură a energiei, sau a vitezei cu care se agită atomii, aceasta răcire a universului a avut un efect important: la temperaturi foarte înalte, particulele se mișcă atât de repede încât acestea pot scăpa de orice atracție, dar o data cu răcirea universului (deci cu scăderea energiei), protonii și neutronii nu au mai avut suficientă energie pentru a scăpa de atracția forței nucleare tari și au putut să formeze atomii de deuteriu (izotop de hidrogen).

Universul era o plasmă opacă. După 47.000 de ani, în timp ce se răcea, universul începea să fie dominat mai degrabă de materie decât de radiații. Universul devenea în sfârșit suficient de rece pentru ca atomii neutri să se recombine. În perioada numită “Dark age”, ce a durat de la 377.000 de ani până la aproximativ 1 miliard de ani după Big Bang, norii de hidrogen au început încet să colapseze sub forța gravitației.

În următorul milion de ani, universul a continuat să se extindă, fără a se întâmpla prea multe. Universul a continuat să se răcească, dar, în regiunile unde materia era mai concentrată, expansiunea a fost încetinită de atracția gravitațională. Aceasta a oprit în cele din urma expansiunea și a făcut ca materia să sa se rotească ușor, dând naștere într-un final galaxiilor și a stelelor.

Cele mai simple elemente chimice

Fiecare element chimic are un număr unic de protoni (particule subatomice cu sarcină pozitivă) și neutroni (fără sarcină electrică). Toți atomii conțin neutroni, cu excepția unuia: atomul de hidrogen. Hidrogenul este cel mai simplu element chimic având un singur proton și un singur electron (sarcină electrică negativă), ceea ce explică și faptul de ce este cel mai abundent în Univers. Abundența unui element chimic scade exponențial cu greutatea atomică.

Numărul atomic al unui element chimic este de fapt numărul de protoni din respectivul element. De exemplu, aurul are numărul atomic 79. Acest lucru ne spune că un atom de aur are 79 de protoni în nucleul său. Ceea ce este interesant, este că fiecare atom de aur conține 79 de protoni. Dacă un atom nu are 79 de protoni, acesta nu poate fi un atom de aur. Adăugarea sau eliminarea protonilor din nucleul unui atom creează un element chimic diferit. De exemplu, îndepărtarea unui proton dintr-un atom de aur va crea un atom de platină, iar adăugarea unui proton va crea unul de mercur.

Numărul neutronilor este în general egal cu numărul protonilor. Dacă numărul de neutroni diferă de numărul de protoni, spunem despre acel element că este un izotop.

Toate elementele mai grele decât litiul (în imagine) au fost create mult mai târziu, în stele, prin nucleosinteză. În interiorul stelelor, atomii de hidrogen fuzionează pentru a crea atomii de heliu (având doar 2 protoni, 2 neutroni și 2 electroni) – al doilea element cel mai comun în Univers. Împreună, heliul și hidrogenul formează aproximativ 98% din materia cunoscută în Univers.

Oxigenul este cel de-al treilea element din punct de vedere al abundenței, însă într-o cantitate de aproximativ 1000 de ori mai mică decât hidrogenul. Atomul de oxigen conține 8 protoni și 8 neutroni. Practic, cu cât numărul atomic este mai mare, cu atât elementul chimic este mai rar găsit.

Compoziția Pământului este însă diferită, de exemplu, oxigenul este cel mai abundent element chimic după greutate (46%), urmat de siliciu (28%), aluminiu (8,2%), fier (5,6%), calciu (4,2%), sodiu (2,5%), magneziu (2,4 %), potasiu (2 %) și titan (0,61 %). Restul elementelor există pe Terra într-un procent de sub 0,15%. În corpul uman, cel mai comun element chimic este oxigenul, urmat de carbon și hidrogen.

Cele mai grele elemente chimice

Primele 94 de elemente chimice din tabelul periodic, până la plutoniu, apar în mod natural. Elementele chimice care au mai mult de 94 de protoni au fost create artificial. Deși tabelul periodic conține 118 tipuri de atomi, este posibil ca numărul lor să crească în viitorul apropiat.

Deoarece protonii au o sarcină pozitivă, aceștia au tendința să se respingă. Ceea ce ține protonii și neutronii laolaltă este o forță misterioasă numită interacțiunea tare, care este de 100 de ori mai puternică decât forța electromagnetică. Un atom cu peste 94 de protoni este extrem de instabil și se dezintegrează foarte rapid. Cel mai greu atom realizat în laborator este Oganesson și are 118 protoni și o durată de viață de 0,89 milisecunde.

Distribuția elementelor chimice

Sistemul nostru solar este rezultatul colapsului gravitațional al unei mici părți de nor gigantic. Compoziția sistemului nostru solar este asemănătoare cu alte sisteme din vecinătatea noastră, însă există mici variații în cantitățile de hidrogen și heliu pe de-o parte, și carbon și elemente mai grele, pe de altă parte. Hidrogenul și heliul sunt “relicve” ale Big Bang-ului în timp ce elementele mai grele rezultă din reacțiile nucleare din stele.

Carbonul și elementele mai grele tind să fie mai prezente în centrul galaxiilor mari (precum galaxia noastră) decât la periferia lor sau în galaxii mici.

În cazul elementelor mai ușoare decât fierul (masă atomică 56), fuziunea nucleară eliberează energie în timp ce fisiunea o consumă. Elementele precum fierul sau mai grele decât fierul, fuziunea nucleară consumă energie iar fisiunea nucleară o eliberează. Elementele chimice până la fier sunt produse în nucleosinteza stelară obișnuită, în timp ce elementele mai grele sunt produse numai în nucleosinteza supernovelor.

Distribuția și cantitățile elementelor chimice se schimbă în timp. Abundența anumitor elemente chimice sunt precum ridurile de pe fețele noastre, un fel de ceas galactic care arată cât mai are de trăit un sistem. Există o relație între vârsta unei stele și abundența fierului: în medie, stelele vechi conțin mai puțin fier decât cele tinere. Pe de altă parte, abundența elementelor chimice precum fierul sau alte elemente mai grele crește în mediul interstelar o dată cu timpul, o dată cu trecerea mai multor generații de stele.

Ciclul organic – materia vie

Materia vie este capabilă să își obțină elementele chimice necesare și să se reproducă. Aceste condiții sunt probabil universale, indiferent de mediul în care trăiește. Pe Pământ, ciclul organic include cele 11 elemente: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, CI, K și Ca, care formează cea mai mare parte a materiei vii. Toate aceste elemente chimice au un număr atomic mic și aparțin celor mai mici 20 de elemente ale tabelului periodic. Aceste elemente sunt, de asemenea, cele mai abundente în Univers.

Cele mai puțin necesare dintre elementele ușoare, excluzând gazele nobile, sunt Li, Be, B (borul este esențial pentru unele plante) și Al. În plus, există o serie de elemente care au fost recunoscute ca esențiale pentru animalele cu sânge cald: F, Si, V, Cr, Mo, Fe, Ni, Cu, Zn, Se, Mo, Sn, I și W. Niciun element dincolo de tungsten (număr atomic 74) nu s-a arătat ca ar avea vreo utilitate din punct de vedere biologic.

Datele observate în regiunea noastră cosmică sunt atribuite principiului antropic. Adică observațiile din universul fizic trebuie să fie compatibile cu viața conștientă care le observă. Poate că universul este așa cum este pentru că dacă ar fi fost altfel, n-am mai fi aici pentru a-l observa.

Norii interstelari sunt adevărate fabrici de elemente grele. Foarte multe molecule utilizate în biochimie se găsesc în mediul interstelar, în alte atmosfere, pe alte planete, comete, asteroizi și meteoriți. Viața așa cum o știm, (H-C-N-O), poate apărea oriunde condițiile îi permit. Procesul primordial care transformă norii enormi de praf cosmic în planete a fost observat recent. O protoplanetă ce se află în jurul stelei LkCa15, la o distanță de 450 de ani lumină, ar putea fi un nou Pământ. Pe lângă aceasta, alte mii de planete au fost observate în locații unde viața ar putea să existe.

Bibliografie:
https://www.livescience.com
https://arxiv.org
http://www.chemeurope.com
https://en.wikipedia.org

Este greu să ne imaginăm o lume fără culori pentru că pur și simplu, culorile sunt peste tot în jurul nostru. Toată materia este alcătuită din atomi, dar te-ai întrebat vreodată, dacă atomii au culoare? Răspunsul depinde de felul cum definim cuvântul „culoare”. Culoarea se referă la lumina vizibilă cu o anumită frecvență sau o combinație de frecvențe. Lumina este o sursă de radiații electromagnetice de diferite lungimi de undă și intensități, adică, o suprapunere de radiații monocromatice. Lumina atunci când e prezentă, o putem descrie ca având o anumită culoare și intensitate.

Reflecție, refracție și absorbție

Noi vedem obiectele datorită reflecției, refracției si absorbției luminii de către respectivele obiecte. Aceste trei efecte fac parte din același mecanism fizic: interacțiunea unui fascicul de lumină extern cu mai mulți atomi în același timp. Atunci când lumina albă, care conține toate culorile, atinge suprafața unui măr roșu, undele portocalii, galbene, verzi și albastre sunt absorbite de atomii din coaja mărului și se transformă în căldură, în timp ce undele roșii sunt reflectate în cea mai mare parte înapoi, către ochii noștri.

Reflecția, refracția și absorbția constituie un fenomen în care fiecare fascicul de lumină interacționează cu zeci până la milioane de atomi în același timp. Acest lucru se datorează faptului că lumina vizibilă are o lungime de undă care este aproximativ de 1000 de ori mai mare decât un atom. Un fascicul de lumină are o lungime de undă de la 400 nanometri până la 700 nanometri, în funcție de culoare, iar atomii au o lățime de aproximativ 0,2 nanometri. Această diferență este motivul pentru care nu putem vedea un singur atom utilizând un microscop optic. Atomii sunt mult mai mici decât grosimea unui fascicul de lumină folosit pentru a observa un atom.

Culoarea unui obiect care rezultă din reflexia în masă, refracția și absorbția este, prin urmare, rezultatul modului în care mai mulți atomi sunt legați împreună și aranjați, și nu un rezultat al culorii reale a atomilor individuali. De exemplu, dacă luăm niște atomi de carbon putem obține un diamant incolor, dar dacă schimbăm legăturile dintre aceeași atomi de carbon putem obține grafit. Felul cum atomii crează legături determină culoarea unui material, nu tipul atomului.

Culoarea obiectelor din jurul nostru este dată de reflexia în masă, refracția și absorbția. Acest mecanism este atât de comun și intuitiv încât am putea crede ca este normal ca orice obiect să aibă o culoare. Dar un singur atom este prea mic pentru a avea o culoare.

Radiația termică

Dacă încălzim suficient de mult o bară de fier, aceasta se va înroșii. Prin urmare, am putea spune că o bară de fier fierbinte este roșie. Însă culoarea roșie se datorează radiației termice, care este un mecanism diferit de reflecția în masă, refracția și absorbția. În mecanismul de radiație termică, atomii unui obiect se agită atât de puternic încât emit lumină. Mai exact, coliziunile fac ca electronii și atomii să treacă la stări de energie mai mari, iar apoi electronii și atomii să emită lumină când trec înapoi în stări de energie mai mici. Interesant este că, culoarea sa este mai mult rezultatul temperaturii obiectului și ține mai puțin de tipul materialului. Fiecare material solid va înroșii dacă îl încălzim la temperatura potrivită pentru a reacționa chimic.

Radiația termică este deci o proprietate emergentă a interacțiunii a mai multor atomi. Ca atare, un singur atom nu poate emite radiații termice, deci nu poate avea o culoare.

Dispersia Rayleigh

Dispersia Rayleigh este numită astfel după fizicianul britanic Lord Rayleigh și se referă la împrăștierea elastică a luminii de către particule de dimensiuni mult mai mici decât lungimea de undă a radiației (de exemplu atomi sau molecule). Culoarea albastră a cerului senin se datorează împrăștierii Rayleigh a luminii solare în atmosfera Pământului. Câmpul electric oscilant al undei de lumină acționează asupra încărcăturii unei particule, făcându-le să se miște la aceeași frecvență. Prin urmare, particula devine un dipol mic radiant ale cărei radiații le vedem ca lumină dispersată.

Deoarece mecanismul este atât de diferit, dispersia Rayleigh a luminii albe din particule creează întotdeauna aceeași gamă de culori, albastru și violet fiind cele mai puternice.

Prin urmare, un singur atom are o culoare în sensul că participă la dispersia lui Rayleigh. De exemplu, atmosfera pământului este compusă mai ales din molecule de oxigen și azot. Atunci când lumina soarelui lovește moleculele de aer izolate, se împrăștie în funcție de dispersia lui Rayleigh, transformând cerul într-un albastru-violet. Culoarea împrăștierii Rayleigh ține mai mult de interacțiunea în sine decât de tipurile de atomi implicați. Doar pentru că cerul este albastru nu înseamnă că atomii de azot sunt albaștrii. Dispersia Raman este mult mai rară decât dispersia Rayleigh, dar este aproape identică în acest context. Dispersia Raman este diferită prin faptul că o parte din energia incidentă a luminii este pierdută intern în particule, astfel încât lumina împrăștiată este deplasată mai jos în frecvență.

Descărcarea în gaze

Descărcarea în gaz este probabil mecanismul care ne arată că atomii pot avea culoare. Această descărcare se întâmplă atunci când atomii, izolați unul de celălalt într-un gaz rarefiat, sunt excitați folosind curent electric. Atunci când atomii sunt dezexcitați, emit lumină vizibilă care este strâns legată de tipul atomului implicat. Spectrul de frecvență al unui atom în timpul descărcării gazului este considerat “amprenta” de culoare a acelui tip de atom. De exemplu, neonul pur emite lumină roșie, argonul o lumină violet, iar atomii de mercur emit o lumină albastră. Multe dintre culorile generate de lămpile numite “neon” sunt obținute prin amestecarea a mai multor gaze diferite.

Există multe moduri în care un obiect sau un material poate emite sau reflectă lumină vizibilă; cum ar fi prin electroluminescență (în LED-uri), radiația Cherenkov, reacțiile chimice, radiația sincrotronică sau sonoluminiscența; dar toate acestea implică interacțiunea a mai multor atomi și astfel nu sunt relevante pentru subiectul nostru.

Pe scurt, în sensul reflexiei, refracției, absorbției și radiației termice, atomii individuali sunt invizibili. În sensul dispersiei Rayleigh și a descărcării electrice în gaze, atomii au culoare.

Bibliografie:
https://www.zmescience.com/
http://wtamu.edu/
https://ro.wikipedia.org

S-ar putea să fi auzit că doi fulgi de zăpadă nu sunt identici. Acest lucru nu este în totalitate adevărat, deși e puțin probabil să găsești doi fulgi identici.

Oamenii de știință au estimat că șansele ca doi fulgi de zăpadă să fie identici sunt de aproximativ 1 din 1 milion de trilioane (un 1 urmat de 18 zerouri) și probabil există 1 trilion de trilioane de trilioane (1 urmat de 36 de zerouri) de tipuri de fulgi diferiți.

Un fulg de zăpadă are trei ingrediente de bază: cristale de gheață, vapori de apă și praf. Cristalele de gheață se formează pe măsură ce vaporii de apă îngheață pe un praf microscopic.

Particulele de praf pot proveni din multe locuri, incluzând polenul de flori, cenușa vulcanică și chiar corpurile celeste, cum ar fi meteorii.

Zăpada se formează în nori foarte reci, care conțin picături de apă și cristale de gheață. Pe măsură ce picăturile de apă se atașează de cristale de gheață, acestea îngheață, creând un cristal mai mare. În orice cristal, moleculele se aliniază într-o anumită formă, dar în cristalele de gheață, moleculele de apă se aliniază și formează o formă cu șase fețe numită hexagon. Acesta este motivul pentru care toți fulgii de zăpadă au șase colțuri.

Un fulg de zăpadă este construit din apă, moleculă cu moleculă. O moleculă de apă conține un atom de oxigen în centru și doi de hidrogen în lateral, precum în imaginea alăturată. Unghiul dintre cele două brațe ale moleculei este de 104,5 grade, calculat pentru prima dată în anul 1930 prin tehnicile de difracție cu raze X.

Atomul de oxigen are o atracție deosebit de puternică față de norii electronilor celor doi atomi de hidrogen.

Aceasta lasă cele două capete de hidrogen încărcate pozitiv, iar centrul „V” încărcat negativ. Forțele puternice dintre părțile încărcate negativ și cele încărcate pozitiv le determină să se unească într-un model tridimensional, simetric, cu șase laturi. Fiecare moleculă de apă care alcătuiește fulgii de zăpadă reflectă acest model până când în cele din urmă putem observa forma macroscopică cu șase fețe.

Temperatura norilor determină forma unui cristal de gheață iar cantitatea de umiditate din nor determină dimensiunea cristalului de gheață. Mai multă umiditate (mai multe molecule de apă) va crea un cristal mai mare. Atunci când mai multe cristale de gheață se lipesc, ele formează un fulg de zăpadă.

Pe măsură ce fulgii de zăpadă se mișcă prin aer, fiecare fulg cade și trece prin nori cu diferite temperaturi și niveluri de umiditate diferite, făcând ca fiecare fulg de zăpadă să fie unic. Chiar dacă doi fulgi se formează în același nor, aceștia vor urma căi ușor diferite până vor ajunge pe Pământ – și astfel se confruntă cu condiții atmosferice ușor diferite de-a lungul drumului. Prin urmare, deplasarea lor spre sol va afecta forma și mărimea lor, dându-le o identitate proprie.

Foto: Alexey Kljatov

Ne-am aștepta ca masa unui proton să fie dată de suma exactă a masei particulelor elementare din care este alcătuit. Dar oare este așa?

Protonii sunt alcătuiți din particule mai mici, numite cuarcuri. Dacă am aduna masa tuturor cuarcurilor dintr-un proton ne-am aștepta să ne dea masa protonului. Însă doar 9% din masa unui proton este dată de cuarcuri iar restul masei provine din efectele complicate care apar în interiorul protonului.

Cuarcurile primesc masă printr-un proces legat de bosonul Higgs, o particulă elementară descoperită pentru prima dată în 2012. Fizicianul Keh-Fei Liu de la Universitatea Kentucky se întreabă din ce anume mai este alcătuit protonul având în vedere că masa cuarcurilor dintr-un proton este atât de mică. Un studiu publicat în Physical Review Letters explică unde se află această masă lipsă.

Pe lângă cele 9 procente din masa protonilor care este dată de cuarcuri, alte 32% provin din energia lor, așa cum a arătat Liu și colegii săi în lucrarea publicată. Alți constituenți ai protonului, sunt gluonii – particule fără masă – care țin cuarcurile împreună și contribuie cu alte 36 procente datorită energiei lor.

Restul de 23% se datorează efectelor cuantice care apar atunci când cuarcurile și gluonii interacționează în moduri complicate în proton.

Conform relativității speciale, masa unui obiect crește atunci când are mai multă energie (de exemplu, când se mișcă mai repede). Când vorbim despre masa cuarcurilor ne referim la masa lor atunci când nu se mișcă. Masa de repaus a trei cuarcuri nu se adaugă la masa de repaus a unui proton. Diferența provine din energia care ține cuarcurile împreună în interiorul protonului.

În primele momente ale universului, aproape toate particulele nu aveau masă, călătorind cu viteza luminii într-o supă primordială foarte fierbinte. La un moment dat în această perioadă, apare câmpul Higgs, trecând prin materie și dând masă particulelor elementare.

Câmpul Higgs a schimbat mediul, modificând modul în care particulele se comportă. Unele dintre metaforele cele mai comune compară câmpul Higgs cu un sirop gros, care încetinește unele particule în timp ce acestea călătoresc. Alții și-au imaginat câmpul Higgs ca niște paparazzi aflați la o petrecere numeroasă. În timp ce unii oameni trec pe lângă, celebritățile sunt înconjurate de aceștia, încetinindu-le, iar chipurile mai puțin cunoscute trec prin mulțime neobservate. În acest caz, popularitatea este sinonimă cu masa – cu cât sunt mai populari, cu atât interacționează mai mult cu mulțimea și cu atât sunt mai „masivi”.

Dar ce a pornit câmpul Higgs? Știm că acest câmp este o proprietate a spațiu-timpului. De ce unele particule interacționează mai mult cu câmpul Higgs decât altele? Răspunsul scurt este: nu știm.

Imediat după Big Bang, câmpul Higgs a fost zero, dar pe măsură ce universul s-a răcit și temperatura a scăzut sub o valoare critică, câmpul a crescut. Cu cât o particulă interacționa mai mult cu acest câmp cu atât obținea mai multă masă. Ca toate câmpurile fundamentale, câmpul Higgs are o particulă asociată – bosonul Higgs. Bosonul Higgs este manifestarea vizibilă a câmpului Higgs, precum o undă pe suprafața apei.

Câmpul Higgs dă masă particulelor elementare (precum cuarcurile). Dar acestea reprezintă doar o mică parte din masa universului. Restul masei provine din protoni și neutroni. Aceste particule sunt formate din cuarcuri care sunt legate între ele de gluoni, particule care poartă forța nucleară tare. Energia acestei interacțiuni între cuarcuri și gluoni este ceea ce dă o parte din masa protonilor și neutronilor.

„Atunci când pui trei cuarcuri împreună pentru a crea un proton, vei ajunge să legi o densitate enormă de energie într-o mică regiune în spațiu”, spune John Lajoie, fizician la Universitatea de Stat din Iowa.

Un proton este alcătuit din două cuarcuri up și unul down; un neutron este alcătuit din două cuarcuri down și unul up. Compoziția lor similară face ca masa pe care o obțin din forța nucleară tare să fie aproape identică. Cu toate acestea, neutronii sunt ceva mai masivi decât protonii – și această diferență este crucială. Procesul neutronilor care se dezintegrează în protoni ajută chimia și implicit, viața. Dacă protonii ar fi mai grei, ei s-ar dezintegra în neutroni, și nu invers, iar universul așa cum îl știm nu ar mai exista.

„După cum s-a observat, cuarcurile down interacționează mai puternic cu câmpul Higgs, deci au o masă puțin mai mare”, spune Andreas Kronfeld, fizician teoretic la Fermilab. Acesta este motivul pentru care există o mică diferență între masa protonului și cea a neutronului.

Bibliografie:
https://www.sciencenews.org
https://journals.aps.org
https://www.symmetrymagazine.org
https://home.cern/science/physics

La nivel fundamental, universul nostru este alcătuit din spațiu-timp, particule, forțe și din interacțiunile dintre acestea. Spațiu-timpul alcătuiește terenul de joc al cosmosului iar particulele sunt jucătorii. Particulele se pot lega, ciocni, anihila, respinge, atrage sau pot interacționa în conformitate cu legile fizicii.

Ce lipsește din alcătuirea universului din ce am enumerat mai sus? Lipsesc constantele fundamentale care descriu forțele tuturor interacțiunilor și proprietățile fizice ale tuturor particulelor. Sunt necesare 26 de constante fundamentale pentru a alcătui universul nostru cunoscut, dar chiar și cu acestea, imaginea nu este completă.

Gândiți-vă la orice particulă și cum ar putea interacționa cu alta. Un electron, de exemplu, ar putea interacționa cu un alt electron. Are o sarcină fundamentală asociată cu ea, q_e,  și o masă fundamentală m_e. Electronii se vor atrage reciproc gravitațional, proporțional cu forța gravitațională G și se vor respinge unul pe celălalt electromagnetic, invers proporțional cu puterea permitivității spațiului liber, ε₀.

Există și alte constante care joacă un rol major în modul în care se comportă aceste particule, cum ar fi viteza luminii, c, și constanta asociată tranzițiilor cuantice: constanta lui Planck, ħ.

Dar fizicienilor nu le place să folosească aceste constante (c, ħ) atunci când descriu universul, deoarece aceste constante au dimensiuni și unități arbitrare pentru ele. De exemplu, nu trebuie sa folosim neapărat metrul pentru măsurarea lungimii, kilogramul pentru greutate sau secundă pentru timp. Am putea lucra folosind orice unitate de măsura iar legile fizicii s-ar comporta exact la fel. De fapt, putem să explicăm universul fără a defini o unitate fundamentală precum „masă”, „timp” sau „distanță”. Am putea descrie legile naturii în întregime, folosind doar constante care nu sunt dimensionate.

Acest concept este unul simplu: înseamnă că o constantă este doar un număr pur, fără metri, kilograme sau alte „dimensiuni”. Dacă mergem pe această cale ar trebui să reiasă în mod natural toate proprietățile măsurabile pe care ni le putem imagina. Acestea includ lucruri precum masa particulelor, puterea de interacțiune, limitele de viteză cosmică și chiar proprietățile fundamentale ale spațiu-timpului.

Dacă vrem să descriem universul cât mai simplu și mai complet posibil, este nevoie de 26 de constante adimensionale. Acesta este un număr destul de mic, dar nu neapărat așa de mic cum ne-ar plăcea. Într-o lume ideală, cel puțin din punctul de vedere al majorității fizicienilor, am vrea să credem că aceste constante apar de undeva din punct de vedere fizic, dar nicio teorie actuală nu le prezice.

Cu astea fiind spuse, iată cele 26 de constante care ne dau universul așa cum îl știm.

1 – Constanta structurii fine

Constanta structurii fine sau puterea interacțiunii electromagnetice este un raport al sarcinii elementare (de exemplu, un electron) a cărei expresie este:

Dacă punem aceste constante împreună, vom obține un număr adimensional. La energiile prezente în universul nostru, acest număr este 1 / 137,035999070, deși puterea acestei interacțiuni crește odată cu creșterea energiei particulelor ce interacționează.

2 – Constanta de cuplare puternică

Această constantă definește forța care ține împreună protonii și neutronii. Deși modul în care funcționează interacțiunea tare este foarte diferită de forța sau gravitația electromagnetică, puterea acestei interacțiuni poate fi parametrizată de o singură constantă de cuplare. Această constantă își schimbă puterea odată cu energia.

Toate quarcurile și gluonii interacționează prin intermediul forței tari, aceasta fiind caracterizată de această constantă.

3 – 17 – Masa celor șase quarcuri, șase leptoni și trei bosoni masivi

Aceste 15 constante sunt puțin dezamăgitoare. Avem 15 particule în modelul standard: 6 quarcuri, 6 leptoni, W, Z și bosonul Higgs, toate având o masă de repaus substanțială. Deși este adevărat că antiparticulele lor au toate masa de repaus identică, speram să fi existat o relație, un model sau o teorie mai fundamentală care a dat naștere acestor mase, folosind mai puțini parametri.

S-ar putea să existe totuși, întrucât pot fi derivate unele relații stranii: dacă ciocnim un pozitron la 45 GeV cu un electron la 45 GeV, avem energia potrivită pentru a face un boson Z. Dacă ciocnim un pozitron la 45 GeV cu un electron în stare de repaus, avem energia necesară pentru a obține o pereche de muon / anti-muon. Din păcate, această relație este aproximativă și nu exactă. Energia pentru a crea un boson Z este mai aproape de 46 GeV iar energia pentru a obține o pereche de muoni / anti-muoni este mai aproape de 44 GeV. Dacă există o teorie subiacentă care descrie masele particulelor, aceasta trebuie descoperită.

Ca urmare, este nevoie de 15 constante pentru a descrie masele cunoscute. Vestea bună este că putem scăpa de o altă constantă. Prin scalarea acestor parametri de masă relativ cu constanta forței gravitaționale G, putem rămâne cu 15 parametri adimensionali fără a fi nevoie de un descriptor separat al forței gravitaționale.

18 – 21 Constantele quarcurilor – Matricea Cabibbo–Kobayashi–Maskawa

Avem 6 tipuri diferite de quarcuri deoarece există doua subseturi de 3 care au toate aceleași numere cuantice unul cu celălalt și se pot „amesteca” împreună. Dacă ați auzit despre forța nucleară slabă, dezintegrarea radioactivă sau încălcarea simetriei CP, toate aceste 4 constante sunt necesare pentru a le descrie.

22 – 25 Constantele neutrinilor

Similar constantelor pentru quarcuri, există 4 constante ce detaliază modul în care neutrinii se combină cu alți neutrini, dat fiind că cele 3 tipuri de specii de neutrino au același număr cuantic. Deși fizicienii sperau că neutrinii sunt fără masă și nu necesită alte constante adiționale, natura a avut altceva de spus. Problema neutrinilor proveniți de la Soare – unde doar o treime din neutrinii emiși ajungeau pe Pământ – a fost unul dintre cele mai mari enigme ale secolului 20.

Enigma a fost rezolvată când am realizat că neutrinii au totuși masă (deși foarte mică), se pot combina și pot oscila dintr-un tip în altul.

26 – Constanta cosmologică

S-ar putea să fi auzit că expansiunea universului accelerează datorită energiei întunecate, iar acest lucru necesită încă un parametru – o constantă cosmologică – pentru a descrie valoarea acestei accelerații. Energia întunecată ar putea deveni mai complexă decât o constantă, caz în care ar putea avea nevoie de mai mulți parametri, de aceea numărul de constante necesar pentru a descrie universul poate fi mai mare de 26.

Doar 26?

Dacă am da unui fizician legile fizicii, condițiile inițiale ale universului și aceste 26 de constante, el poate simula cu succes orice aspect al întregului univers. Și destul de remarcabil, ceea ce va ieși nu va fi diferit de universul pe care-l avem astăzi, de la microcosmos până la macrocosmos. Sau… pe aproape. Chiar și cu aceste constante există încă cel puțin 4 probleme care ar putea necesita alte constante pentru rezolvare.

Prima problema este cea a asimetriei dintre materie și antimaterie. Întregul univers observabil este format din materie și nu din antimaterie, dar nu înțelegem de ce este așa. Această problemă, cunoscută sub numele de bariogeneză, este una dintre marile probleme nerezolvate în fizica teoretică și poate necesita una (sau mai multe) noi constante fundamentale pentru a descrie soluția sa.

A doua problemă este cea a inflației cosmice. Aceasta este faza care a precedat Big Bang-ul și a fost verificată observațional. Este foarte probabil să apară și de aici alte constante.

Problema materiei întunecate cu siguranță va adăuga și mai multe constante. Având în vedere că aproape sigur există cel puțin un nou tip de particule masive, complexitatea materiei întunecate va determina numărul real de constante necesare.

Ultima problemă, cea a încălcării simetriei CP va necesita constante adiționale. Interacțiunea slabă este singura care încalcă simetria CP. Simetria CP este produsul a două simetrii: C pentru conjugarea sarcinii, ce transformă o particulă în antiparticula sa și P pentru paritate, ce creează imaginea în oglindă a sistemului fizic. Interacțiunea tare și interacțiunea electromagnetică par invariabile în cadrul operației de transformare CP combinată, însă această simetrie este ușor încălcată în timpul anumitor tipuri de interacțiune slabă.

Universul nostru este complicat și uimitor și cu cât învățăm mai multe despre univers, cu atât avem nevoie de mai mulți parametri pentru a-l descrie. Suntem departe de a știi totul, dar speranța unora este că universul este mai simplu decât îl cunoaștem în prezent. Chiar și cu aceste constante, din păcate, modelul standard este prea simplu pentru a funcționa. Universul nostru s-ar putea să nu fie atât de elegant.

S-a dovedit ca viata este mai inteligenta si mai adaptabila decat s-a presupus vreodata. Acesta este un lucru foarte bun, dupa cum vom vedea, pentru ca traim intr-o lume care, in ansamblu, nu pare sa ne vrea aici.

Viata asa cum o stim

Nu este deloc usor sa fii un organism. Din cate stim pana acum, in tot Universul exista un singur loc, un avanpost linistit al Caii Lactee, numit Pamant, unde organismele pot trai. Vom discuta mai tarziu daca suntem chiar atat de norocosi.

De pe fundul celor mai adanci fose oceanice pana la varful celui mai inalt munte, zona care reuneste aproape tot ce inseamna forma de viata nu depaseste o grosime de 20 km, ceea ce nu este deloc mult in comparatie cu vastitatea universului.

In cazul oamenilor aceasta suprafata este si mai restransa, fiindca intamplarea face sa apartinem acelei parti a fiintelor vii care acum 400 de milioane de ani, au luat decizia de a iesi taras din mari si de a deveni fiinte de suprafata, care respira oxigen. In consecinta, potrivit unei estimari, cel putin 99,5% din spatiul locuibil al Terrei, ca volum, este in principal inaccesibil pentru noi.

Nu numai pentru ca nu putem respira in apa, ci pentru ca nu putem rezista presiunii. Intrucat apa este de circa 1300 de ori mai grea decat aerul, presiunea creste cu repeziciune pe masura ce coboram – cam cu echivalentul unei atmosfere la fiecare 10 metri adancime.

Viata a aparut pe Pamant datorita catorva conditii prielnice. Ne aflam la o distanta potrivita fata de Soare, ne aflam pe tipul potrivit de planeta si am aparut in momentul potrivit.

Daca am fi fost prea aproape de Soare noi nu am mai fi existat. Daca soarele nostru ar fi fost de zece ori mai mare decat acum, s-ar fi epuizat dupa 10 milioane de ani in loc de 10 miliarde si de asemenea, noi nu am fi aparut. Daca ar fi fost prea departe, totul ar fi inghetat.

Planeta noastra are interiorul topit, fara magma ce clocoteste sub noi, nu ne-am afla aici. Pe langa multe altele, interiorul planetei a creat emisiile de gaze care ne-au ajutat sa avem o atmosfera si ne-a asigurat campul magnetic care ne protejeaza ca un scut de radiatiile cosmice. De asemenea, ne-a oferit placile tectonice care reinnoiesc si reincretesc continuu suprafata. Daca Pamantul ar fi plat, s-ar afla sub 4 kilometri de apa. In acea imensitate oceanica singuratica ar putea exista viata, dar sigur nu s-ar juca fotbal.

Nu in ultimul rand, Universul este un loc uimitor de instabil si periculos, iar existenta noastra in el este o minune. Daca o lunga si inimaginabil de complexa suita de evenimente, care se intinde pana la 4,6 miliarde de ani in urma, nu s-ar fi desfasurat intr-un anume fel si in anumite momente, daca, pentru a da un exemplu evident, dinozaurii nu ar fi fost rasi de pe fata pamantului, acum s-ar fi putut foarte bine sa aveti numai cativa centimetri lungime, ceva mustati si o coada.

Avem nevoie de fier pentru a produce hemoglobina, fara de care am muri. Cobaltul este necesar pentru producerea vitaminei B12. Potasiul si putin sodiu sunt literalmente bune pentru nervi. Molibdenul, magneziul si vanadiul ajuta la mentinerea fluxului de enzime. Am ajuns prin evolutie sa utilizam si sa toleram aceste lucruri – dar chiar si asa, traim in niste limite de toleranta destul de stricte. Seleniul este vital pentru noi, dar daca inghitim putin mai mult poate deveni ultimul lucru pe care il vom inghiti vreodata. Gradul in care organismele au nevoie sau tolereaza anumite elemente este o ramasita a evolutiei lor. Vacile si oile pasc acum la un loc, dar in realitate, ele au nevoie de elemente minerale diferite. Vacile moderne au nevoie de destul de mult cupru, pentru ca au evoluat in parti ale Europei si Africii in care exista cupru din abundenta. Pe de alta parte, oile au evoluat in zone sarace in cupru din Asia Mica. De regula, toleranta noastra fata de elemente este strict proportionala cu abundenta lor in scoarta Pamantului. Am evoluat astfel incat sa toleram, ba chiar sa avem nevoie, in unele cazuri, de micile cantitati de elemente rare care se acumuleaza in fibrele si in carnea pe care le consumam.

Motivul pentru care Pamantul pare miraculos de primitor tine in mare parte de faptul ca noi am evoluat astfel incat sa ne adaptam conditiilor sale. Magma topita, un Soare bine proportionat, distanta potrivita etc, ne par atat de minunate doar pentru ca am fost construiti sa ne bazam pe ele. S-ar putea sa existe lumi care sa adaposteasca fiinte recunoscatoare pentru lacurile lor argintii de mercur si pentru norii calatori de amoniu. Poate ca aceste vietuitoare sunt incantate ca planeta lor nu-i scutura zdravan cu placile sale casante sau nu scuipa lava. Ajunsi pe pamant, ar fi cu siguranta dezorientati sa vada ca traim intr-o atmosfera alcatuita din azot, un gaz posac, lipsit de orice chef de a reactiona cu altceva, si oxigen, care este un amic atat de apropiat al combustiei, incat trebuie sa ne presaram peste tot unitati de pompieri. Si chiar daca vizitatorii nostri ar fi fiinte bipede care respira oxigen, este putin probabil ca Pamantul sa li se pare un loc ideal. Nici macar nu am putea sa le dam ceva de mancare, pentru ca toata mancarea noastra contine urme de magneziu, seleniu, zinc sau alte particule si este sigur ca macar unele dintre acestea sa fie otravitoare pentru ei. S-ar putea ca Pamantul sa nu li se para deloc un paradis.

Forme de viata electrice ce se hranesc cu energie pura

Din mai multe motive, formele de viata din Univers sunt susceptibile de a fi bazate pe carbon, deoarece atomul de carbon este atat de potrivit pentru a forma un numar mare de compusi organici. Siliciul si germaniul au fost sugerate ca alternative, deoarece acestea ocupa acelasi grup in tabelul periodic cu carbonul, dar compusii lor sunt mai putini stabili.

Viata pe Pamant este bazata pe carbon si foloseste apa ca solvent. Metanul ar putea fi folosit de formele straine de viata, desi fara dovezi, este vorba de speculatii pure.

Dar nu trebuie sa privim departe in Univers pentru a descoperi forme ciudate de viata, ba chiar aici pe Pamant traiesc bacterii extraordinare care utilizeaza energia in cea mai pura forma – bacteriile mananca si respira electroni – si exista peste tot. Aceaste bacterii se numesc geobacterii.

Daca introducem un electrod in pamant si “pompam” electroni, bacteriile vor veni: celule vii care mananca electricitate. Cunoastem bacterii care supravietuiesc curentului electric, insa nici una nu este atat de ciudata ca aceasta. Ganditi-va la monstrul lui Frankenstein, adus la viata prin energie galvanica, cu exceptia faptului ca aceste “bacterii electrice” sunt reale si se extind peste tot.

Aceste creaturi au fost descoperite de Kenneth Nealson, iar echipa sa a identificat pana acum 8 specii diferite. Iata cum un tip de viata care a existat chiar sub nasul nostru si se afla peste tot, a fost descoperit abia recent.

Viata dincolo de Terra

Astronomii studiaza planetele din zona locuibila circumstelara – regiunea conditionata in spatiu, aflata la o distanta optima fata de stea pentru a asigura existenta apei in forma lichida – pentru a descoperi orice forma de viata, oricat de simpla ar fi. Dar cum ar arata viata pe aceste planete, dat fiind dimensiunile diferite dar si compozitia diferita a atmosferei?

Pe baza datelor oferite de telescopul Kepler, s-a estimat ca exista peste 40 de miliarde de exoplanete de dimensiunea Pamantului care orbiteaza in zonele locuibile ale stelelor in Calea Lactee. 11 miliarde dintre aceste planete se estimeaza ca orbiteaza in jurul unor stele identice Soarelui din sistemul nostru solar.

Cea mai apropiata planeta de acest fel este la o distanta de 12 ani lumina.

Pe o planeta mai mica decat Pamantul, plantele ar fi mult mai inalte si mai subtiri. Acestea ar avea, de asemenea, frunze mai mari deoarece o gravitatie mica ar permite tulpinilor sa sustina mai multa masa. Daca planeta ar fi mai masiva decat Pamantul, acest lucru ar putea face ca plantele sa fie mai scurte si mai largi, cu frunze mai mici.

O atmosfera subtire ar face ca orice briza de pe planeta sa fie extrem de slaba – asta ar insemna ca, evolutiv, plantele nu ar deveni deosebit de robuste. O atmosfera groasa ar produce plante care ar trebui sa fie mai groase si mai aproape de sol, pentru a rezista vanturilor puternice.

Plantele de pe Pamant sunt verzi pentru a capta lumina albastra si rosie pe care Soarele o emite, in timp ce reflecta lumina verde. Insa nu toate stelele opereaza in acest spectru de culori. O stea care emite o lumina verde sau albastra ar produce probabil plante de un rosu stralucitor.

Ross 128 b

Ross 128 b este o exoplaneta descoperita in 2017 si este a doua cea mai apropiata planeta de sistemul nostru solar (la o distanta de 11 ani lumina) ce poate sustine viata.

Planeta are aproximativ aceeasi dimensiune ca si Pamantul si poate avea o temperatura asemanatoare cu cea de pe Pamant. La fiecare 9,9 zile, planeta efectueaza o orbita completa in jurul stelei, Ross 128, o pitica rosie.

Ross 128 b se afla la o distanta de 20 de ori mai mica fata de stea decat este Pamantul de Soare, dar pentru ca steaua este mica, slaba si rece, planeta ramane la o temperatura confortabila.

Motivul pentru care astronomii sunt incantati de Ross 128 b este ca steaua este “linistita”. Alte pitice rosii, cum ar fi Proxima Centauri, au o tendinta de a bombarda cu radiatii ultraviolete si raze X toate planetele din jurul lor. Dar Ross 128 nu pare sa faca acest lucru, ceea ce inseamna ca planeta este un loc mai placut pentru aparitia vietii fara sa fie supus din cand in cand unor astfel de episoade violente si letale pentru viata.

Trappist-1

Avand in vedere schimbarile potentiale uriase pe care le-ar putea avea diferitele medii asupra plantelor, un aspect cheie al planificarii pentru explorarea spatiului se refera la adaptarea la aceste schimbari. Colonistii interplanetari vor trebui sa prezica atat tipul de viata pe care l-am putea gasi pe aceste planete, cat si modul in care ne-am adapta la aceste conditii.

Trei planete potential locuibile sunt adapostite in sistemul planetar Trappist-1, care se afla la aproximativ 39 de ani lumina distanta de Pamant si gazduieste in total sapte planete. Steaua Trappist-1 este una pitica, de aproximativ aceeasi marime ca si Jupiter, mult mai rece si produce o lumina mai slaba decat Soarele nostru.

Probabil cel mai spectaculos lucru vazut de vizitatorii sistemului Trappist-1 ar fi aparitia celorlalte sase planete pe cer. In unele cazuri, o planeta vecina poate sa apara de doua ori mai mare decat luna plina vazuta de pe Pamant.

Cele 7 planete sunt mai aproape de stea iar un an dureaza intre 1,5 si 12,4 zile. Acest lucru inseamna, ca planetele sunt lovite frecvent de vanturi stelare, ceea ce poate reprezenta o problema pentru viata.

Chiar daca un an este extrem de scurt, o zi este ca o eternitate pentru ca planetele sunt intr-o rotatie sincrona, adica perioada de rotatie a planetei este egala cu perioada orbitala in jurul stelei fata de care se roteste, si prin urmare, arata mereu aceeasi emisfera catre stea. Deoarece razele stelei ajung doar pe o singura parte a planetei, plantele ar creste cel mai probabil doar pe o singura parte.

Steaua Trappist-1 emana in cea mai mare parte caldura in infrarosu, capabila sa incalzeasca aerul pe suprafata planetei. Daca exista plante pe aceste planete, acestea au frunze mari pentru a capta cat mai multa lumina si ar fi putut dezvolta o metoda pentru a converti radiatia in infrarosu in energie.

Nu exista nicio garantie ca o planeta din zona locuibila poate gazdui apa lichida pe suprafata sa. Fara o atmosfera, apa nu va ramane lichida in spatiu.

Ideea ca viata ar putea exista pe o planeta cu o rotatie sincrona este destul de dezbatuta. Unele planete ar putea fi nelocuibile deoarece partea care sta cu fata spre stea ar deveni extrem de fierbinte, in timp ce cealalta ar fi extrem de rece. Dar unele modele arata ca, daca atmosfera planetei poate rispi caldura de-a lungul suprafetei planetei, atunci viata ar putea gasi o casa primitoare acolo.

Gliesse 667Cc

Planeta Gliesse 667Cc a fost declarata obiectul cel mai asemanator Pamantului cunoscut in afara sistemului nostru solar. Se afla la “numai” 22 de ani lumina fata de noi si orbiteaza o stea rosie pitica de tip M. Stelele de acest tip, numite si “pitice M” sunt investigate in prezent la Institutul de Astrofizica Teoretica. Cele mai multe stele care gazduiesc exoplanete sunt de asteptat sa fie de acest tip, ceea ce face cazul Gliesse 667Cc sa fie deosebit de interesant.

Cu o temperatura efectiva de 3400° C, gazda GJ667C este mult mai rece decat Soarele nostru, care are o temperatura a suprafetei de 5500° C. Aceasta stea pitica emite mai putine radiatii decat Soarele.

Planeta Gliesse 667Cc se afla la o distanta potrivita fata de stea si ar putea sustine viata. Planeta primeste un flux de radiatii care reprezinta aproximativ 90% din ceea ce primim de la Soarele nostru pe Pamant. Desi cea mai mare parte a radiatiei este emisa in infrarosu, este cel mai probabil suficient pentru a permite sa existe apa in forma lichida pe suprafata planetara. Temperatura exacta a suprafetei este totusi incerta. Temperatura ar putea fi una placuta de aproximativ 30° C daca vom presupune o atmosfera planetara asemanatoare cu cea a Pamantului. Cu toate acestea, o atmosfera mai masiva ar avea ca rezultat temperaturi mai ridicate si conditii asemanatoare Venusului, care sunt nefavorabile vietii.

Distanta mica fata de stea permite acesteia sa apara mult mai mare pe cer. Pitica rosie ar putea fi vazuta ca un disc rosu care, precum in imaginea alaturata (stanga – Soarele nostru, dreapta – GJ667C).

Experienta noastra pe Gliesse 667Cc ar fi cu siguranta una destul de diferita. Masa planetei este estimata a fi cel putin de 4,5 ori cea a Pamantului. La fel ca si Kepler-22b, Gliesse 668Cc este un Super-Pamant, adica  o planeta care este putin mai mare si mai grea decat Pamantul nostru.

Masa planetei a rezultat o acceleratie gravitationala cu pana la 60% mai mare decat ceea ce experimentam pe Pamant. Cu alte cuvinte, o persoana cu o greutate de 75 kg pe Pamant ar cantari 120 kg pe Gliesse 667Cc.

O planeta mai grea poate avea o atmosfera mai grea. Presiunea atmosferica pe suprafata planetei este probabil mai mare decat pe Terra.

Desi planeta este situata intr-o zona locuibila, conditiile de viata ar putea fi foarte diferite. Viata s-ar confrunta cu unele provocari care ar putea include conditii de lumina scazute, o presiune atmosferica mai mare precum si raze ultraviolete puternice.

Insa natura s-a dovedit a fi inventiva. Chiar si pe propria noastra planeta gasim specii care arata o abilitate uimitoare de a se adapta conditiilor extreme. Asa-numitele tardigrade (in imagine) care traiesc in izvoare calde sau chiar si in varful muntilor Himalaya. Acestia pot supravietui fara apa si supuse la o radiatie de peste 1000 de ori mai mare decat alte animale. Aceste creaturi au fost chiar aduse in viata din studii efectuate pe orbita joasa a Pamantului unde au fost expuse conditilor spatiale.

Chiar daca conditiile de pe Gliesse 667Cc ar putea sa nu fie favorabile pentru cele mai multe forme de viata terestre, cu siguranta lasa loc pentru imaginatie. Putem specula doar modul in care fauna si flora – daca ar fi prezente – ar evolua in conditii diferite.

Bibliografie
Despre toate, pe scurt – De la Big Bang la ADN, Bill Bryson, editura Polirom.
https://futurism.com/scientists-imagine-how-planets-will-look-like-on-alien-worlds/
https://www.space.com/35811-life-on-trappist-1-earth-like-exoplanets.html
https://www.space.com/33841-living-on-proxima-b.html
https://edition.cnn.com/2017/11/15/world/new-earth-size-exoplanet-life-potential/index.html
https://www.mn.uio.no/astro/english/research/news-and-events/news/astronews-2012-02-17.html
Foto: ESO/L. Calçada – http://www.eso.org/public/images/eso1214a/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=21693141

Instinctul nostru ne indeamna sa privim imposibilitatea de a descoperi si de a analiza totul drept frustranta si poate chiar dezarmanta, dar la fel de bine o putem vedea ca pe o provocare care ne impinge sa descoperim si sa cunoastem mai mult.

Abia am inceput sa intelegem cum functioneaza lumea, iar tehnologia actuala nu este – inca – suficient de avansata cat sa ne ofere raspunsuri la toate intrebarile noastre. Ne-a luat zeci de mii de ani pana sa descoperim curentul electric si sa-l stapanim, ce mai apoi a permis dezvoltarea tehnologiei de azi. Practic aproape toata tehnologia noastra a fost realizata in ultimul secol, extrem de recent in comparatie cu varsta noastra ca specie.

Fara tehnologia care sa ne extinda simturile noastre limitate – microscopul pentru a privi lumea microscopica sau telescopul pentru a privi in colturi indepartate ale galaxiei noastre – cunostintele noastre s-ar rezuma doar la lumea vizibila.

La nivel microscopic descoperim un univers nou. Fiinte atat de apropiate de noi, intime chiar, precum acarienii de pat, ne-au scapat neobservate pana acum cativa zeci de ani. Nici nu este de mirare ca aceasta lume la scara redusa ne este aproape necunoscuta. Daca iesi in padure si iei o mana de pamant, in acel moment vei tine in palma pana la zece miliarde de bacterii, unele necunoscute stiintei. Poate un milion de tipuri de drojdie, sute de mii de fungi parosi, zece mii de protozoare precum amiba si alte creaturi microscopice cunoscute si sub denumirea de criptozoare.

Daca exista atatea vietati diferite intr-o gramajoara de pamant, cate altele asteapta sa fie descoperite in alte habitate, radical diferite? Inca mai avem multe de descoperit aici pe Pamant, dar cum ramane cu alte planete? Exista viata pe alte planete? Si daca da, de ce n-am descoperit viata extraterestra pana acum?

Nu cautam unde trebuie

In “The Diversity of Life”, Edward Wilson descrie cum un botanist a petrecut cateva zile rascolind zece hectare de jungla din Borneo si a descoperit o mie de noi specii de plante cu flori – mai multe decat se gasesc in intreaga America de Nord. Iar plantele nu erau deloc greu de gasit. Doar ca nimeni nu mai cautase acolo pana atunci. In ansamblu, padurile tropicale acopera doar 6% din suprafata Pamantului, insa adapostesc mai bine de jumatate din viata animala si circa doua treimi din plantele cu flori de pe planeta.

Este posibil sa indreptam telescoapele unde nu trebuie, dar chiar daca am descoperi o planeta ce da semne de viata, nu avem tehnologia necesara pentru a ajunge acolo, pentru a studia acele forme de viata, sau macar pentru a le fotografia de la distanta.

Chiar daca am cauta unde trebuie, e posibil sa nu putem detecta viata cu tehnologia actuala. Si chiar daca am detecta-o, cu siguranta ar arata diferit de cum ne-am fi imaginat. Studii recente (link) arata ca doua dintre cele mai importante caracteristici ale supravietuirii unei specii nu se afla la Homo sapiens. Nu suntem toleranti la schimbarile climatice si nici nu ne reproducem la intervale scurte de timp. Cu alte cuvinte, suntem exact tipul opus de creaturi considerate a fi primele supravietuitoare.

Lipsa tehnologiei

Cele mai apropiate planete care ar putea sustine viata se afla la zeci de ani lumina distanta de noi. Practic sunt la o aruncatura de bat de sistemul nostru solar daca ne gandim la dimensiunea galaxiei noastre. Cu toate acestea, teoretic, putem detecta in mod indirect daca exista sau nu viata pe planeta, pe baza compozitiei atmosferei (spre exemplu metanul absoarbe mai multa lumina modificand spectrul luminos) sau a anumitor conditii precum distanta planetei fata de stea. Descoperirea e una, iar intalnirea e alta. Nu avem nici tehnologia necesara si nici noi nu suntem facuti pentru o asemenea plimbare prin Univers. Am evoluat pe Pamant, deci doar aici putem supravietui.

Planetele extrasolare au fost descoperite cu ajutorul telescopului Hubble, insa NASA planuieste sa duca planul mai departe. In 2020 va fi lansat telescopul James Webb, cel mai puternic telescop spatial pentru observari astronomice construit vreodata si va inlocui telescopul Hubble in misiunile de explorare a lumilor extraterestre. Telescopul James Webb va fi un observator orbital in infrarosu cu scopul de a vedea cele mai indepartate obiecte din Univers, chiar obiecte mai indepartate de 8 miliarde de ani lumina. La acest proiect participa nu mai putin de 15 natiuni si institutii precum Agentia spatiala europeana.

In cautarea unei surori a Pamantului

In 1990 Carl Sagan a facut un test unde a provocat oamenii de stiinta sa dovedeasca daca exista viata pe Pamant. El si cativa colegi au folosit sonda Galileo, care era in drum spre Jupiter, pentru a analiza Pamantul pentru a gasi dovezi ale vietii.

Instrumentele au detectat mult mai mult oxigen, metan si oxid de azot in atmosfera Pamantului decat ar avea o planeta fara viata. Alte ingrediente importante ale vietii descoperite de Galileo au fost apa sub forma solida, lichida si gazoasa.

Rezultatele sunt in concordanta cu activitatea biologica de pe Pamant, insa alte forme de viata de pe alte planete ar ajunge la aceleasi concluzii? Prezenta oxigenului nu inseamna neaparat ca exista viata, pentru bacterii de exemplu, oxigenul este toxic.

Pamantul are mai mult de 4,5 miliarde de ani, iar viata s-a schimbat mult de-a lungul timpului. Daca astronomii extraterestri ar privi planeta noastra acum un miliard de ani, oare ce ar observa?

Intr-o lucrare din 2018 din Science Advances, Olson si colegii sai au simulat cum atmosfera Pamantului s-a schimbat in timp. Chiar si acum 3 miliarde de ani, extraterestrii ar fi fost capabili sa deduca viata datorita metanului si a dioxidului de carbon din atmosfera timpurie. Dar amosfera noastra moderna se afla in parametri actuali de aproximativ 500 de milioane de ani. Omul de astazi n-ar fi putut trai in acea atmosfera timpurie.

Este posibil ca viata sa existe in medii cu totul neasteptate si foarte diferite fata de cele existente pe Pamant.

Datele oferite de telescopul Kepler arata ca exista aproximativ 40 de miliarde de planete similare Pamantului doar in galaxia noastra care orbiteaza steaua la o distanta favorabila existentei vietii.

Problema sincronizarii

Atunci cand privim o planeta aflata la 1 milion de ani distanta lumina de noi, o vedem asa cum arata ea acum 1 milion de ani, cand noi practic nici nu existam. Poate ca inteligenta este o calitate recenta a materiei. Homo sapiens are o fereastra destul de ingusta cat sa evolueze si sa paraseasca planeta inainte ca aceasta sa nu mai fie locuibila. Poate ca suntem prima specie inteligenta din galaxia noastra. Dar in acelasi timp e posibil ca viata sa fi aparut in nenumarate colturi ale universului si sa fi disparut o data cu steaua ce hranea planeta cu energie. Durata de supravietuire a unei specii este foarte mica, mult mai mica decat durata de viata a planetei, deci nu doar distanta este o bariera, ci si perioada. Poate ca viata a aparut si s-a stins de nenumarate ori in multe locuri din univers si datorita distantei, nu este exclus sa privim la un moment dat o planeta plina de viata, dar care s-a stins acum milioane de ani.

Universul nostru este plin de obiecte misterioase si fenomene uimitoare. Toate corpurile ceresti se rotesc intr-o directie sau alta. De exemplu, planetele se rotesc atat in jurul propriei axe cat si in jurul stelei. Si stelele la randul lor se rotesc in jurul propriei axe, dar si in jurul centrului galaxiei; si poarta cu ele, prin Univers, planetele din jurul lor. Mergand mai departe si galaxia se roteste in jurul axei sale. Te-ai gandit vreodata de ce se rotesc aceste corpuri?

Stelele si planetele sunt formate din colapsarea unor nori imensi de gaz si praf interstelar. Materialul din acesti nori se afla intr-o miscare permanenta si orbiteaza sub forta gravitationala a galaxiei. Aceasta rotatie poate fi descrisa ca un moment cinetic.

Momentul cinetic al unui punct material sau al unui corp in raport cu un punct fix intr-un sistem de referinta inertial este momentul impulsului punctului material sau al corpului in raport cu acel punct la o anumita distanta.

Conservarea momentului cinetic explica de ce un patinator pe gheata se roteste mai repede atunci cand isi trage bratele pe langa corp. In timp ce bratele sale se apropie de axa sa de rotatie, viteza creste si invers, viteza rotatiei scade atunci cand isi extinde bratele.

Atunci cand un nor interstelar colapseaza sub propria forta gravitationala, acesta se fragmenteaza in bucati mai mici, fiecare bucata colapsandu-se in mod independent si fiecare transporta o parte din impulsul cinetic initial. Norii rotativi se aplatizeaza si formeaza discuri protostelare, din care mai apoi apar stelele si planetele.

Practic intregul sistem solar are o rotire inerenta inca de la inceputul sau. Acest lucru se datoreaza gravitatiei, ce trage toate particulele din respectivul sistem. Planetele continua sa se roteasca in jurul stelei si in jurul propriei axe pentru ca nu exista niciun motiv sa se opreasca: in spatiu este vid (deci nimic care sa opuna rezistenta) si isi vor pastra momentul cinetic.

Potrivit acestui impuls unghiular (momentul cinetic) putem spune ca orice obiect a carui marime sau raza scade, se va roti cu o viteza cinetica mai mare. Acum, daca ne gandim la originea planetelor si a stelelor, putem obtine raspunsul. Soarele si planetele noastre au fost formate dintr-un nor mare gazos, numit nebuloasa. Motivul pentru care planetele din sistemul nostru solar sunt in acelasi plan (ecliptic) si se invartesc in aceeasi directie in jurul Soarelui este ca toate s-au format din acelasi disc.

Fiecare stea si sistem planetar se formeaza dintr-un astfel de nor foarte mare compus din molecule de gaze. Norul gazos colapseaza datorita propriei gravitatii, ceea ce va duce la micsorarea dimensiunii. Densitatea norului care colapseaza continua sa creasca si in cele din urma, rezulta stelele si planetele. Dar in timp ce colapseaza, raza sa scade, ceea ce va duce la cresterea vitezei cinetice, precum in exemplul de mai sus cu patinatorul.

Fiecare molecula are un moment unghiular (moment cinetic). Dar sa presupunem ca impulsurile unghiulare ale tuturor moleculelor se anuleaza reciproc iar rezultatul este fix zero. Chiar si atunci exista alte cai care pot introduce o cantitate mica de impuls unghiular. Sa presupunem ca exista doi nori de gaz, ar putea fi posibil ca un nor de gaz sa atraga gravitational un capat al celuilalt nor de gaz. Deci, acest lucru va produce o rotatie asupra celui de-al doilea nor de gaze.

In sistemul nostru solar, planetele gazoase (Jupiter, Saturn, Uranus si Neptun) se rotesc cu o viteza mai mare decat celelalte. Soarele se roteste si el, efectuand o rotatie completa o data la aproximativ 25 de zile. Toate planetele se invartesc in jurul Soarelui in aceeasi directie, insa nu este o regula ca si sensul de rotatie in jurul propriei axe sa fie in aceeasi directie. Venus si Uranus se rotesc in jurul axei lor in sens invers fata de celelalte planete din sistemul solar, datorita unor coliziuni ce au avut loc tarziu in formarea planetelor.

Bibliografie:

https://www.scientificamerican.com/article/why-and-how-do-planets-ro/
https://spaceplace.nasa.gov/review/dr-marc-earth/earth-rotation.html
http://astro-interest.com/2014/10/why-do-planets-spin/

Foto: Wikipedia

Distanta pana la obiectele astronomice din apropiere, precum planetele din sistemul nostru solar, se poate calcula folosind un radar, insa pentru corpuri mai indepartate, aceasta metoda nu mai functioneaza.

Cea mai apropiata stea, Proxima Centauri, se afla la o distanta de 4,24 ani lumina. Un an lumina are 9,44 trilioane km iar o calatorie pana acolo ar dura 43.000 de ani. Deci cum putem masura distanta pana la stele?

Raspunsul ni-l da trigonometria. Tine mana intinsa si inchide un ochi. Acum deschide ochiul si inchide-l pe celalalt. Vei observa ca mana s-a miscat fata de fundal. Cei doi ochi si mana ta formeaza un triunghi. Daca stim distanta dintre ochi si unghiul cu care mana s-a miscat, putem calcula lungimea bratului. Unghiul cu care se misca mana se numeste paralaxa.

Desigur, noi putem masura lungimea bratului folosind un metru, insa metoda paralaxei este utila pentru a calcula distante mari. In locul ochilor, ca baza a triunghiului, astronomii folosesc planeta noastra, in 2 perioade diferite ale anului (cand se afla in parti opuse ale sistemului solar).

Astronomii efectueaza cate o fotografie la un interval de 6 luni pentru a masura, in raport cu stelele indepartate, deviatia stelelor. Aceasta metoda de masurare a distantei este buna pentru stelele situate la cateva sute de ani-lumina. Dincolo de aceasta distanta, aceasta metoda nu mai functioneaza deoarece unghiul masurat este prea mic pentru a putea fi masurat cu precizie.

In imagine, linia de observare la stea in decembrie este diferita fata de cea din iunie cand Pamantul se afla pe partea cealalta a Soarelui. Jumatatea din unghiul rezultat este paralaxa, iar paralaxa scade o data cu distanta.

Deoarece chiar si cele mai apropiate stele se afla la o distanta foarte mare, cele mai mari paralaxe masurate sunt foarte mici; mai putin de o arcsecunda. De exemplu, cea mai apropiata stea, Proxima Centauri, are o paralaxa de 0,722 – arcsec, cea mai mare paralaxa observata.

Pentru distante mai mari se foloseste metoda paralaxa fotometrica – se observa lumina galaxiilor si cu cat tinde spre rosu in spectrul electromagnetic (galaxiile care se indeparteaza de noi tind spre rosu iar cele care se apropie spre albastru). Astfel putem calcula distanta cu ajutorul efectului Doppler.

Pentru a masura distanta pana la alte galaxii, se folosesc cefeidele. Cefeidele sunt stele variabile ce au o corelatie stransa intre perioada de oscilatie si luminozitate. Relatia dintre oscilatie si luminozitate s-a putut stabili pe baza cefeidelor aflate destul de aproape de noi pentru a folosi metoda paralaxei. Apoi, astronomii au trebuit doar sa masoare luminozitatea aparenta si perioada de oscilatie pentru a afla distanta. Metoda cefeidelor se poate aplica atat in galaxia noastra cat si in cele apropiate.

O stea cu un paralax de o arc-secunda se afla la o distanta de 3,26 ani lumina. Aceasta distanta a devenit cunoscuta sub numele de „paralaxa unei secunde”, sau pe scurt, parsec.

Bibliografie:
http://planetary-science.org
http://astrofotografieluna.blogspot.ro

Isaac Asimov spunea că „atunci când oamenii au crezut că Pământul e plat, s-au înșelat. Când oamenii au crezut că Pământul e sferic, s-au înșelat. Dar dacă tu crezi că a considera Pământul sferic e la fel de greșit ca a-l considera plat, atunci viziunea ta e mai greșită decât cele două laolaltă.”

Mai exact, planetele sunt sferoide, adică turtite la poli și bombate la ecuator. Asta se datorează forței centrifuge, datorită rotației planetelor. Cea mai sferică planetă din Sistemul Solar este Venus. Ea se învârte atât de încet încât nu există forță centrifugă atât de mare încât să o bombeze la ecuator și să o turtească la poli. Pe de alta parte, cea mai „plată” planetă din Sistemul Solar este Saturn: datorită densității sale mici și a vitezei mari de rotație, diametrul ecuatorial e cu 10% mai mare decât cel polar.

De aici se poate naște următoarea întrebare: ar putea o planetă să se învârtă destul de rapid încât să devină plată, precum un disc? Foarte improbabil. Până să ajungă la forma respectiva, planeta pur și simplu s-ar dezintegra.

Forța gravitațională a unei planete trage materia spre centru. Materia atrasă de gravitația unui obiect va căuta mereu să ajungă cât mai aproape de centrul de greutate al acelui obiect, iar singura modalitate de a aduce toată masa cât mai aproape de centrul de greutate al planetei, este de a forma o sferă. Acest proces se numește „ajustare izostatică”. Însă multe dintre corpurile mici ale sistemului solar (precum cometele sau asteroizii) nu sunt rotunde, deoarece forța lor gravitațională este prea mică.

Pentru a scăpa de gravitația Pământului (care are o masă de 6 x 10 ^ 24 kg), trebuie să zburam cu aproximativ 11 km / secundă, sau aproximativ 40.000 km / oră. Pentru a scăpa de gravitația lui Comet 67P este nevoie de o viteză de doar 1 metru / secundă. Cometa 67P (în imagine) nu este deloc rotunda și are un diametru de 4,1 km x 3,3 km x 1,8 km.

Un corp mai mare de câteva sute de kilometri în diametru devine mai rotund.

Legile mecanicii clasice ale lui Newton afirmă că un corp în mișcare tinde să rămână în mișcare, iar cât de rotundă este o planetă depinde de masă, dimensiune și viteza ei de rotație.

Bibliografie:
https://www.britannica.com/story/why-are-planets-round
https://alexdoppelganger.com/planete-sferice/
https://www.livescience.com/32185-why-are-planets-round.html

Foto: https://nasa.tumblr.com/

NASA a acordat prioritate misiunilor dedicate căutării vieții în sistemul nostru solar și în afara acestuia, iar acest lucru reflectă și interesul public. Descoperirea vieții extraterestre ne-ar modifica viziunea asupra umanității și a locului nostru în Univers. Nimic nu contribuie mai mult la obiectivul NASA de a explora cosmosul, de a inspira și a educa urmatoarea generație de studenți în știință, decât căutarea vieții extraterestre. Însă ar fi cel mai nefericit caz dacă am cheltui resurse considerabile și să n-o recunoaștem atunci când o găsim.

Căutarea vieții extraterestre a început practic de curând, o dată cu descoperirea undelor radio și a continuat printr-un efort susținut începând cu anii 80. Căutarea vieții în sistemul nostru solar s-a bazat pe un model geocentric, presupunând că viața ar avea caracteristici similare cu cele de pe Pământ.

Viața pe Pământ folosește apa ca solvent, este alcatuită din celule, se bazează pe grupul carbonil (compus dintr-un atom de carbon dublu legat de un atom de oxigen) și folosește o arhitectură cu doi biopolimeri care utilizează acizii nucleici pentru a efectua funcțiile genetice și catalitice. Pe lângă acestea, viața mai are o caracteristică importantă: utilizează energia rezultată din reacțiile chimice, în special acelea în care legăturile care unesc carbonul și hidrogenul sunt transformate în legături între carbon și oxigen sau hidrogen și oxigen.

În consecință, cele mai multe misiuni ale NASA s-au concentrat asupra locațiilor unde ar putea exista apă în stare lichidă pentru a găsi structuri similare cu cele de pe Pământ, sau molecule care ar putea fi produse de un metabolism bazat pe grupul carbonil. Este posibil oare ca viața să se bazeze pe structuri moleculare diferite de cele cunoscute pe Pământ?

De ce este nevoie ca viața să apară?

Înainte de a începe să căutăm viață pe alte planete, trebuie să știm exact ce căutăm.

Dacă viața este posibilă folosind alți solvenți decât apa lichida, atunci numarul de planete ce pot susține viața este mult mai mare. În sistemul nostru solar știm că există apă pe Marte, în mediile subterane ale sateliților lui Jupiter (Europa, Ganymede și Callisto), poate chiar și pe Enceladus.

Solvenții solizi ar putea, totuși, să fie prezenți și în alte medii planetare. Unul dintre aceste locuri ar putea fi Titan și ar fi mai accesibil pentru misiunile spațiale decât să forăm în subsolul planetei Marte, acolo unde există apă.

Teoria, datele și experimentele arată că viața necesită urmatoarele lucruri (în ordinea descrescătoare a certitudinii):

• Un neechilibru termodinamic
• Un mediu capabil să mențină legături covalente, în special între carbon, hidrogen și alți atomi
• Un mediu lichid
• Un sistem molecular care să sprijine evoluția.

Viața pe Pământ folosește energia solară, geotermală și chimică pentru a menține starea de neechilibru constantă. Pentru ca sistemul să se mențină într-o stare de neechilibru constantă, schimbul de entropie trebuie să fie negativ și egal cu entropia produsă prin procesele interne, ca în cazul metabolismului.

Energia este folosită și pentru a menține legăturile covalente dintre carbon, apă și alți atomi. Viața care prezintă aceste caracteristici poate fi gasită oriunde gasim apă și energie. Dar avem vreun motiv să credem că viața poate apărea doar acolo unde există apă? Din cunoștințele noastre în chimia organică, apa nu este neapărat necesară. Interacțiunile dipolare sunt în general mai puternice în solvenți neapoși, nepolari, decât în apă.

Este evoluția o caracteristică necesară a vieții?

Multe dintre definițiile vieții includ expresia că viața este “supusă evoluției Darwiniste”. Schimbările și adaptarea fenotipică sunt necesare pentru a exploata condițiile instabile ale mediului înconjurator, pentru a funcționa optim și pentru a oferi un mecanism de creștere a complexității biologice. Caracteristicile vieții sunt capacități inerente de adaptare la condițiile de mediu.

Modificările evolutive au fost sugerate de Cairns-Smith chiar și pentru ipoteza cristalelor minerale din argilă, sugerând că acestea au contribuit la organizarea de molecule organice în structuri ordonate.

Ar putea un sistem chimic ce se auto-replică să fie capabil de transformări chimice în mediul inconjurător? Dacă compușii chimici nu sunt vii, atunci replicarea nu este o caracteristică numai a vieții.

Selecția naturală este cheia evoluției iar această selecție este prezentată ca o caracteristică în multe definiții ale vieții.

Evoluția este mecanismul-cheie al mutațiilor și transmiterii de gene către urmași în rândul unei populații. Cu toate acestea, deși mutația și selecția naturală sunt procese importante, ele nu sunt singurele mecanisme folosite în achiziționarea de noi gene. Studiind viața pe Pământ, am descoperit că transferul de gene între specii este un mecanism vechi și eficient de creare rapidă a diversității și a complexității.

Selecția naturală bazată doar pe mutații probabil nu este un mecanism adecvat pentru ființele complexe. Mai important, transferul de gene între specii și endosimbioza sunt probabil cele mai evidente mecanisme pentru crearea unui genom complex. Existența virusurilor este importantă, deoarece, în vremurile timpurii ale Terrei, virusurile au putut fi sursa a multor inovații genetice datorită replicarii lor rapide, a frecvenței ridicate a mutațiilor și a inserțiilor genetice în celulele gazdă.

Este evoluția o trăsătură esențială a vieții? Celulele reprezintă mult mai mult decât informațiile codificate în genomul lor; celulele fac parte dintr-un sistem biologic și chimic și sunt critice pentru crearea și operarea acestui sistem.

Unitatea biochimiei pune accentul pe capacitatea organismelor de a interacționa cu altele pentru a forma comunități, pentru a dobândi și a transmite gene, pentru a folosi genele vechi în moduri noi, pentru a exploata noi habitate și, cel mai important, pentru a realiza mecanisme pentru a ajuta la „controlul” propriei evoluții. Aceste caracteristici sunt susceptibile de a fi prezente și vieții extraterestre, chiar dacă au avut o origine și o biochimie total diferită față de cea de pe Pământ.

Cum ar arăta viața pe alte planete?

Deoarece avem doar un exemplu de structuri biomoleculare și pentru că mintea umană întâmpină dificultăți în a crea idei cu adevărat diferite de ceea ce știe deja, este dificil să ne imaginăm cum ar putea arăta viața într-un mediu foarte diferit de ceea ce găsim pe Pământ.

Căutarea vieții în cosmos începe cu înțelegerea vieții pe Pământ. Deși viața pe Pământ este clasificată în mod convențional în milioane de specii, studiile asupra structurii moleculare a biosferei arată că toate organismele au un strămoș comun. Planeta noastră este plină de nenumărate specii dar există și multe medii de viață extrem de diferite – unele chiar prea ostile pentru oameni. O lecție învățată din studiile biochimice arată că viața pe care o cunoaștem are nevoie de apă lichidă. Oriunde se găsește o sursă de energie și apă lichidă, acolo se găsește și viață. Această observație a contribuit deja la îndrumarea misiunilor NASA în căutarea vieții în sistemul nostru solar. După cum a observat și Carl Sagan, nu este surprinzător faptul că organismele bazate pe carbon care inspiră oxigen și conțin 60% apă ar concluziona că viața trebuie să se bazeze pe carbon, apă și să inspire oxigen.

Tindem să credem că viața se bazează pe carbon deoarece viața de pe Pământ se bazează pe carbon. Dar chimia ne arată că putem avea reacții chimice și viață fără a implica carbonul, folosind alți solvenți în locul apei, sau folosind reacții de oxidare-reducție fără dioxigen. De exemplu, viața ar putea obține energie din NaOH + HCI (hidroxid de sodiu + acid clorhidric). Este posibil să existe alte forme de viață care nu sunt bazate pe carbon?

Dar despre asta, vom vorbi în articolul următor.

Bibliografie:
„The Limits of Organic Life in Planetary Systems” by the National Research Council.
http://cadredidactice.ub.ro
https://www2.jpl.nasa.gov/

Foto: Openminds.tv

Există probabil peste 100 de miliarde de planete în galaxia noastră, iar Pamantul, un avanpost singuratic aflat pe unul din brațele spiralate ale galaxiei, este singura planetă cunoscută capabilă să susțină viață. Am început de câteva secole să privim spre stele, spre alte lumi și chiar am analizat compoziția atmosferei lor prin disecarea acelor urme firave de lumină provenite de la ele, încercand să descoperim dacă conține compușii chimici ce stau la baza vieții.

Însă viața pe alte planete poate fi foarte diferită față de ce găsim pe Pământ. O astfel de formă de viață ar putea folosi un alt element chimic decât carbonul sau să nu folosească apa ca solvent. Unele caracteristici ale vieții de pe Terra sunt universale, în special cerința de neechilibru termodinamic. Însa alte criterii nu sunt neapărat necesare.

(Foto: concepție artistică cu privire la modul în care ar putea arăta o planetă cu viață pe baza de amoniac).

Organismele vii cunoscute pe Pământ utilizează compușii de carbon pentru a forma funcțiile structurale și metabolice, folosesc apa ca solvent și ADN-ul și ARN-ul pentru stocarea instrucțiunilor necesare vieții. Dacă există viață pe alte planete, e posibil să fie similară din punct de vedere chimic cu viața de pe Terra; este, de asemenea, posibil să existe organisme cu o chimie destul de diferită – de exemplu, implicând alți compuși sau folosind un alt solvent în locul apei.

Siliciul a fost propus ca o alternativă ipotetică la carbon. Siliciul se află în aceeași grupă cu carbonul în tabelul periodic și, la fel precum carbonul, siliciul este tetravalent, deși compușii acestora sunt mai puțin stabili. Alternativele la apă ca solvent includ amoniacul, care, la fel ca apa, este o moleculă polară; și solvenți nepolari de hidrocarburi, precum metanul și etanul, care sunt prezenți în formă lichidă pe suprafața Titanului.

Pe Pământ, ființele vii au nevoie de carbon, însa Carl Sagan spune că nu putem fi siguri că viața funcționează la fel peste tot în Univers. El a considerat siliciul și germaniul drept alternative pentru carbon, dar, pe de altă parte, a observat că atomii de carbon par mai versatili din punct de vedere chimic și sunt mai abundenți în Univers.

Biochimia vieții pe Pământ

Pentru a forma elemente chimice, atomii trebuie să formeze molecule, iar pentru asta, trebuie să existe o legătură chimica între ei, mai exact, o legătură covalentă.

Legătura covalentă este atracția electrostatică dintre o pereche de electroni pusă în comun de doi atomi. De cele mai multe ori, o legătură covalentă e reprezentată printr-o linie între cei doi atomi. La molecule mai simple, precum dihidrogenul (adesea scris ca H – H, sau H2), o singură linie reprezintă perechea de electroni care formează o singură legatura între cei doi atomi de hidrogen.

Un model structural complet al unei molecule arată și pozițiile electronilor care nu sunt implicați în legătura covalentă. De exemplu, formahelida (cunoscută și sub numele de formol) este reprezentată precum în imaginea alăturată – cu 4 puncte.

Distribuția sarcinii și proprietatile fizice ale moleculelor

Electronul este o particulă subatomica fundamentală cu sarcina electrică negativă; iar protonul are o sarcină pozitivă. Unele particule nu au un număr egal de protoni și electroni. În acest caz, molecula are o sarcină electrică nenula și se numește ion. Un atom neutru din punct de vedere electric are un număr de electroni egal cu numărul de protoni și se poate ioniza prin schimbarea acestui echilibru. De exemplu, în clorura de sodiu, ionul de sodiu are o sarcină pozitivă, iar ionul de clor are o sarcină negativă.

Dacă pierde unul sau mai mulți electroni devine un ion pozitiv, numit și cation pentru că este atras de catod (electrodul negativ). Dacă primește unul sau mai mulți electroni devine ion negativ, numit și anion pentru că este atras de anod (electrodul pozitiv).

În general, atomii cu electronegativități similare împart aceeași electroni. Carbonul și hidrogenul au electronegativități similare. Fiecare dintre cei doi atomi pune în comun cate un electron și fiecare atrage la fel de mult perechea astfel formată. Acest tip de legătură covalentă se numește legătură nepolară.

Legătura nepolară apare la atomii din aceeași specie sau la atomii din specii diferite care au electronegativități foarte apropiate.

Legătura polară există doar între atomi ai nemetalelor din specii diferite. Fiecare dintre cei doi atomi pune în comun câte un electron, dar atomul care are electronegativitatea mai mare atrage mai puternic perechea formată.

Natura și distribuția sarcinii sunt caracteristicile dominante în determinarea proprietăților fizice ale structurii moleculare. Știind că o moleculă este un ion, este, în general, o informație mai importantă decât aproape oricare alta pentru întelegerea comportamentului fizic al moleculei.

Una dintre caracteristicile importante ale moleculelor polare și ale speciilor ionice este capacitatea lor de a se dizolva in solvenți polari. Apa, la rândul său, este unul dintre solvenții polari, deoarece distribuția electronilor este destul de diferită de aranjamentul spațial al protonilor; atomul de oxigen al H2O are mai multă sarcină negativă, în timp ce atomii de hidrogen poartă o încărcătură mai mare.

Ca o consecință, apa dizolvă multe săruri și molecule care au momente mari de dipol. Moleculele nepolare care conțin mai multe unități carbon-hidrogen și carbon-carbon se numesc hidrocarburi și sunt cunoscute sub denumirea de uleiuri și grăsimi. Nepolaritatea lor este și motivul pentru care uleiul și apa nu se amestecă.

Distribuția sarcinii poate fi dedusă din structura moleculelor

Polaritatea moleculelor poate fi dedusă din structura moleculară. Electronegativitatea atomilor este cheia pentru efectuarea acestor deduceri. De exemplu, se poate prezice că glucoza, a cărei structură moleculară prezintă multe legături carbon-oxigen și oxigen-hidrogen, este polară și ușor dizolvabilă în apă, chiar dacă nu este un ion. Astfel de molecule se numesc hidrofile (iubitoare de apă). Pe de altă parte, octanul este nepolar și nu este solubil în apă, dar este solubil în alte uleiuri. Aceste molecule se numesc hidrofobe.

Reactivitatea moleculelor – avantajele și dezavantajele folosirii apei ca solvent

Moleculele care conțin doar legături covalente carbon-carbon sau carbon-hidrogen sunt relativ nereactive la temperaturi normale. Reactivitatea este un concept diferit și nu are legătură cu rezistența legăturii, ci deseori depinde de mediu, deoarece atomii care nu mai sunt legați pot forma legături în altă parte.

Apa prezintă atât un atom de oxigen cât și doi atomi de hidrogen. Acest lucru are avantaje și dezavantaje pentru un biosolvent. În primul rând, din cauza disponibilității hidrogenului, reacțiile în apă se întâmplă mereu. Astfel, reacțiile care necesită echivalentul unui H+ pot găsi întotdeauna unul în apă. Dezavantajul este ca multe molecule sunt instabile în apă, multe dintre ele fiind necesare în metabolismul organismelor. În unele cazuri, moleculele se descompun prin reacție în apă iar apoi este nevoie ca metabolismul sa le înlocuiască.

Multe erori genetice includ depurarea, care apare atunci cand legătura care leagă o purină cu zahărul este ruptă de o moleculă de apă, rezultând o nucleotidă liberă de purină care nu poate acționa ca un șablon în timpul replicarii ADN-ului. Tot prin reacția cu apa, se poate produce deaminarea, adică pierderea unei grupari amino dintr-o nucleotidă. Majoritatea acestor erori sunt corectate prin procesele de reparare a ADN-ului. Dar dacă acest lucru nu se întâmplă, o nucleotidă care se adaugă la fașia nou sintetizată poate deveni o mutație permanentă.

Influența temperaturii asupra stabilității moleculare

Legăturile dintre atomi sunt, fără îndoială, o caracteristică universală, valabil atât pe Pământ cât și în Univers. Temperatura până la care viața bazată pe carbon, hidrogen, oxigen și azot este posibilă poate ajunge până la 327° C – ceva mai mult decât temperatura unui cuptor din bucătăria noastră. Acest lucru este valabil la nivelul mării, deoarece reacțiile de descompunere sunt semnificativ mai lente la presiuni mai mari. Dar indiferent de presiune, putem să considerăm că viața nu poate exista la temperaturi mai mari de 500° C.

Carbohidrații sunt foarte solubili, chiar și la temperaturi cu mult sub punctul de fierbere al apei. Aceasta instabilitate rezulta din faptul ca ele conțin o unitate C = O (un grup carbonil). Datorită acestei instabilități, unii cercetători au sugerat că carbohidrații nu au fost de prea mare ajutor în perioada timpurie a vieții. Cel mai simplu carbohidrat care a fost observat în mediul interstelar este formaldehida, cunoscut și sub numele de formol.

Metabolismul

Compușii construiți exclusiv din carbon și hidrogen nu reacționează usor – și din punct de vedere biologic – compușii organici care conțin numai atomi de carbon și hidrogen nu sunt ușor metabolizați.

Heteroatomii, precum oxigenul, azotul, nitrogenul și sulful, creează oportunități de reactivitate prin activarea legăturilor carbon-carbon și carbon-hidrogen. Viața de pe Pământ folosește oxigenul și azotul în acest scop. Metabolismul exploatează carbonul electrofil dublu legat de azot sau de oxigen.

Metabolismul nu poate aparea într-un sistem care se află într-un echilibru termodinamic. Sinteza moleculelor și construirea structurilor celulare necesită energie pe care un organism trebuie să o obțină din mediul înconjurator și care trebuie cuplată cu procesele din organism, iar apoi disipată sub formă de caldură sau utilizată pentru a stimula formarea de substanțe nereactive. Cu excepția situației neobișnuite în care compușii energetici sunt utilizați imediat, această energie trebuie stocată într-o formă chimică, ca nucleotida (adenozin trifosfat).

Unele forme de viață de pe Pământ folosesc ca sursă de energie fotonii proveniți de la Soare, iar altele, energia termică a Pământului. Fotosinteza este procesul primar pentru obținerea energiei de la Soare. Pe de altă parte, organismele non-fotosintetice trebuie să-și obțină energia din compușii consumați.

Plantele obțin energie din lumina provenită de la Soare, iar carbonul și-l obține din CO2 (dioxid de carbon) care este compus dintr-un atom de carbon și 2 atomi de oxigen.

Catalizatorii

Catalizatorii sunt esențiali pentru viață, în procesul de biosinteză proteică, în respirație, sau în procesul de obținere a energiei din hrană. Fără catalizatori anumite reacții chimice ar fi foarte lente sau nu ar avea loc.

Acești catalizatori eficienți sunt produși chiar de organism, sunt de natură proteică și poartă numele de enzime. Enzimele se pot defini drept proteine cu acțiune catalitică; aproape toate moleculele-enzimă cunoscute până acum, dintre care multe obținute sub formă cristalină au structură proteică. Numarul enzimelor este de ordinul miilor, deoarece, în lumea vie, fiecărei molecule organice existente trebuie să-i corespundă cel puțin o enzimă, care să participe la sinteza și / sau degradarea ei.

Relația dintre apă și biomolecule

Viața pe Pământ folosește apa ca solvent. Așa cum era de așteptat, biomoleculele nu doar că sunt compatibile cu apa, ba chiar o exploatează. ADN-ul are un schelet format din două lanțuri din zahar-fosfat, iar acest lucru face ca ADN-ul să fie solubil în apă. Nucleobazele care codifică informațiile genetie sunt hidrofobe. De aceea, ele se află în interiorul dublu helix-ului, izolate, departe de apă.

Biochimia bazată pe siliciu

Atomul de siliciu a fost propus ca alternativă pentru sistemele biochimice, deoarece siliciul are multe proprietăți chimice similare cu cele ale carbonului și se află în același grup în tabelul periodic cu carbonul. Elementele care creează grupuri funcționale organice cu carbonul includ hidrogenul, oxigenul, axotul, fosforul, sulful și metale precum fierul, magneziul și zincul. Siliciul, pe de altă parte, interacționează cu foarte puține tipuri de atomi. Mai mult, chiar și cu cele cu care interacționează, siliciul creează molecule care au fost descrise de biochimistul Norman R. Pace ca fiind “monotone în comparație cu universul complex al macromoleculelor organice”. Acest lucru se datorează faptului că atomii de siliciu sunt mult mai mari, având o masă mai mare și astfel au dificultăți în formarea de legături duble.

Silanul (tetrahidrura de siliciu), care este un compus chimic al hidrogenului și siliciului sunt analogi hidrocarburilor alcaline, este foarte reactiv cu apa și se descompun spontan. Moleculele care încorporează polimeri de atomi de siliciu și oxigen, în loc de legături directe între siliciu, sunt mult mai stabile. S-a sugerat că substanțele pe bază de siliciu ar fi mai stabile decât hidrocarburile echivalente într-un mediu bogat în acid sulfuric, așa cum este întâlnit pe multe planete din afara sistemului nostru solar.

Dintre moleculele descoperite în mediul interstelar începând cu 1998, 84 se bazează pe carbon, în timp ce numai 8 se bazează pe siliciu. Mai mult, din acești 8 compuși, doar 4 includ carbonul în ele. Carbonul este mult mai abundent în univers și poate creea o mare varietate de compuși complecsi. Chiar dacă Pământul și alte planete sunt bogate în siliciu și sărace în carbon, viața terestră este bazată pe carbon. Acest lucru poate fi o dovada care arată cât de puțin versatil este siliciul în formarea compușilor complecsi.

Chiar și asa, este posibil ca primele organisme să fi folosit siliciul, potrivit ipotezei lui A. G. Carins-Smith, în care a arătat că mineralele din apă au jucat un rol esențial în abiogeneza: puteau să replice structurile lor cristaline, au interacționat cu compușii de carbon și au fost precursori ai vieții bazate pe carbon.

Compușii de siliciu pot fi utili din punct de vedere biologic. Polisilanul, compușii chimici de siliciu corespunzători zaharurilor, sunt solubili în azot lichid, sugerând că aceștia pot juca un rol în biochimie la o temperatură foarte scazută.

Biochimia bazată pe alte elemente

Boranul, numit și trihidrura de bor, se aprinde spontan dacă intră în contact cu aerul, însă ar putea fi mai stabil pe alte planete.

Diferite metale, împreună cu oxigenul, pot forma structuri foarte complexe și stabile din punct de vedere termic, care rivalizează cu cele ale compușilor organici; acizii heteropoli sunt o astfel de familie.

Unii oxizi metalici sunt asemănători cu carbonul în capacitatea lor de a forma atât structuri precum nanotuburile cât și cristale de diamant. Titanul, aluminiul, magneziul și fierul sunt mai abundente în crusta Pământului decât carbonul. Viața bazată pe oxid de metal ar putea fi, prin urmare, o posibilitate în anumite condiții, inclusiv cele în care viața bazată pe carbon ar fi puțin probabilă (de exemplu la temperaturi înalte).

Sulful este, de asemenea, capabil să formeze catene (mai mulți atomi se leagă între ei formând lanțuri). Utilizarea biologică a sulfului ca alternativă la carbon este pur ipotetică, în special deoarece sulful formează de obicei numai lanțuri liniare, nu ramificate.

Arsenicul ca alternativă la fosfor

Arsenicul este similar cu fosforul din punct de vedere chimic, dar în general este otrăvitor pentru formele de viață de pe Pământ. Unele alge marine includ arsenic în moleculele organice, cum ar fi în arsenozaharuri și arsenobetaine. Ciupercile și bacteriile pot produce compuși ai arsenului metilic. Reducerea și oxidarea arsenicului au fost observate la microbi (Chrysiogenes arsenatis). În plus, unele procariote pot utiliza arsenicul ca acceptor de electroni în timpul creșterii anaerobe, iar alții îl pot folosi ca donator de electroni pentru a genera energie.

S-a speculat că cele mai vechi forme de viață de pe Pământ ar fi putut utiliza arsenicul în locul fosforului pentru realizarea structurii ADN-ului.

Autorii unui studiu de geomicrobiologie realizat în anul 2010, susținut de NASA, au arătat că o bacterie, numită GFAJ-1, colectată în sedimentele din lacul Mono din California, poate folosi arsenicul pentru realizarea structurii ADN-ului atunci când bacteria este cultivată într-un mediu fără fosfor. (Link: http://www.nasa.gov)

Solvenții – alternative la apă

Viața terestră necesită apa ca solvent. Acest lucru a dus la discuții despre faptul dacă apa este singurul lichid capabil să îndeplinească acest rol. Ideea că o formă de viață extraterestră s-ar putea baza pe un alt solvent decât apa a fost luată în serios de către biochimistul Steven Benner. Solvenții alternativi includ amoniacul, acidul sulfuric, formamida, hidrocarburile și, la temperaturi și presiuni mult mai mari decât cele de pe Pământ, azotul lichid sau hidrogenul sub formă de fluid supercritic.

Substanțele la o temperatură și o presiune mai mare decât punctul lor critic nu mai prezintă distincție între faza lichidă și faza gazoasă – acesta este un fluid supercritic.

Cercetarea în spațiu

Orice set de reacții interconectate, compatibile cu un mediu geochimic specific, se pot califica drept punct de plecare pentru un metabolism. Deși este posibil să existe doar o singură solutie, anume, viața asa cum o știm pe Pământ, nu există niciun motiv să credem că nu pot exista și alte forme de viață total diferite.

Instrumente pentru detectarea vieții au fost inițial planificate ca parte a încărcăturii roverului Athena, ce a avut ca destinație planeta Marte, însă au fost ulterior eliminate. Un instrument de analiză a carbonului a fost livrat de Beagle 2, dar aceasta misiune a eșuat. Nici Opportunity și Spirit nu au reușit să confirme prezența compusilor organici simpli, chiar dacă locațiile pe care le-au vizitat ar fi putut să conțină.

Poate că satelitul TESS ne va arăta ca nu suntem singuri în Univers. Arthur Clarke spunea că „există două posibilități: fie suntem singuri în Univers fie nu suntem. Ambele sunt la fel de înspăimântătoare”.

Bibliografie:
https://www.nature.com
http://www.nasa.gov
https://en.wikipedia.org
– „The universal nature of biochemistry”. Pace, NR (2001). Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 98 (3): 805–8.
– „The Limits of Organic Life in Planetary Systems” by the National Research Council.
Foto: https://wikimedia.org/

Astronomii au bănuit în ultimii 20 de ani unde se ascunde materia lipsă a universului. Dar de ce a durat atât de mult să o găsim?

Universul se joaca de-a v-ați ascunselea. Uneori însă, chiar și atunci când astronomii au o bănuială unde se poate ascunde ceea ce caută, le poate lua decenii de căutări pentru a o confirma. Cazul materiei lipsă din univers – un caz care pare a fi închis astăzi – este o astfel de situație.

În anii 1980, oamenii de știință știau ca pot observa doar o mică fracțiune din materia atomică – sau materia barionică. Știm ca materia reprezintă aproximativ 5% din univers – restul este energie întunecată și materie întunecată. Dar dacă ar număra toate lucrurile pe care le puteau vedea în univers – stele și galaxii – cea mai mare parte a materiei obișnuite tot ar lipsi.

Cât de multă materie lipsea și unde se putea ascunde, au fost întrebări care nu-și găsiseră un răspuns. În acest timp, astronomul David Tytler de la Universitatea din California, San Diego, a venit cu o modalitate de a măsura cantitatea de deuteriu din lumina unor quasari îndepărtați, folosind noul spectrograf la telescopul Keck din Hawaii. Datele lui Tytler au ajutat pe cercetători să înțeleagă câți barioni lipsesc în universul de astăzi, odată ce toate stelele și gazele vizibile sunt reprezentate: 90%!

Aceste rezultate au declanșat o furtună de controverse. Romeel Dave, un astronom de la Universitatea din Edinburg a spus că Tytler ar putea avea dreptate.

În 1998, Jeremiah Ostriker și Renyue Cen, astrofizicieni de la Universitatea Princeton, au creat un model cosmologic care a urmărit istoria universului încă de la începuturile sale. Modelul a sugerat că materia dispărută ar putea să existe sub formă de gaz difuz (și să fie nedetectabilă la acea dată) între galaxii.

Dave ar fi putut fi primul care să spună unde se găsesc barionii lipsă, înaintea lui Ostriker și Cen. Cu câteva luni de zile înainte de a-și publica lucrarea, Dave a făcut primul set de simulări cosmologice, care au făcut parte din doctoratul său. Teza sa asupra distribuției barionilor a sugerat că materia ar putea fi ascunsă în plasma dintre galaxii.

Au apărut tot mai multe instrumente mai sofisticate, iar în anul 2003, WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), a măsurat densitatea barionică a universului, așa cum era ea acum 380.000 de ani după Big Bang. S-a dovedit a fi aceeași densitate cu cea indicată de modelele cosmologice. Un deceniu mai târziu, satelitul Planck a confirmat aceste rezultate.

Odată cu eșecul de a găsi stele și galaxii ascunse unde ar putea să se ascundă materia nedetectată, atenția s-a îndreptat către spațiul dintre galaxii – mediul intergalactic distribuit pe miliarde de ani lumină, dar cu o densitate foarte scăzută. Acest spațiu a fost numit WHIM (warm-hot intergalatic medium). Materia lipsă se ascundea în filamentele dintre galaxii.

Unul dintre motivele pentru care a durat atât de mult descoperirea materiei lipsă este faptul că densitatea materiei între galaxii este extrem de scăzută. Celălalt motiv este că temperatura înaltă a filamentelor face ca elementul cel mai abundent (hidrogenul) să fie aproape complet ionizat – ceea ce înseamnă că nu are electroni care să producă caracteristici spectrale care ar putea fi folosite pentru detectarea acestuia. Cu toate acestea, ar putea exista urme de elemente mai grele, cum ar fi oxigenul, în care sunt legați câțiva electroni. Acești ioni pot produce caracteristici spectrale detectabile (dar extrem de slabe), de obicei în regiunile cu raze X și / sau ultraviolete ale spectrului electromagnetic.

Nicastro și alți colaboratori au observat razele X emise de un tip special de obiect astronomic cunoscut ca obiect BL Lacertae. Acestea sunt în mod obișnuit extrem de strălucitoare și nu au caracteristici spectrale intriseci (sau foarte puține) – cea ce face ușor detectarea oricărei absorbții a emisiilor altor obiecte aflate între acestea și Pământ, cum ar fi filamentele din rețeaua cosmică.

Obiectul studiat este numit 1ES 1553 + 113, și se află la peste 2.200 megaparseci distanță. Nicastro au observat acest obiect cu Telescopul Spațial XMM-Newton al Agenției Spațiale Europene timp de 20 de zile. Au obținut astfel un spectru cu un raport semnal-zgomot extrem de ridicat, care le-a permis să efectueze spectroscopie de înaltă rezoluție a caracteristicilor spectrale foarte slabe.

Acest tip de observare, care necesită mai mult de un milion de secunde de timp de expunere (aproximativ 20 zile) împinge cu adevărat limitele instrumentelor disponibile. Misiunile spațiale propuse, cum ar fi Universe Baryon Surveyor și Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, vor avea spectrometre mult mai sensibile la razele X și vor putea oferi o hartă completă a barionilor în această rețea cosmică uriașă. (Foto: Nature.com)

O altă abordare pentru detectarea materiei constă în folosirea unui fenomen cunoscut sub numele de efectul Sunyaev-Zel’dovici, în care electronii de înaltă energie împrăștie fotoni în fundalul cosmic de microunde, distorsionând astfel ușor spectrul CMB. Electronii cu energie înaltă din afara galaxiilor și, probabil, și în filamentele rețelei cosmice, ar putea produce o distorsiune, dând un semnal care indică prezența barionilor. În același timp, constatările lui Nicastro și colegii lui oferă o minunată privire a unde se ascunde materia lipsă.

Bibliografie:

https://www.nature.com/
https://medium.com/

Isaac Newton a descris în anul 1687 efectele gravitației, însă nu a propus și un mecanism care să explice cum funcționează. Avea să mai treacă ceva timp până să se nască omul care avea să ne schimbe felul în care înțelegem gravitația.

În anul 1915 Albert Einstein a venit cu ideea că obiectele masive curbează spațiul-timpul. În teoria relativității generale, Einstein nu descrie gravitația ca o forță, ci ca o consecință a curburii spațiu-timpului cauzată de distribuția inegală a masei / energiei. Această curbură a spațiu-timpului dictează mișcarea materiei în univers, iar corpurile masive aflate în accelerare produc ondulații ale continuului spațiu-timp numite unde gravitaționale.

Teoria relativității generale a condus la o serie de predicții care au susținut verificarea experimentală. O predicție a acestei teorii este că undele gravitaționale sunt prezente peste tot în univers, dar Einstein credea că sunt prea mici pentru a putea fi detectate. Abia în anul 2016 undele gravitaționale au fost descoperite experimental, iar acest lucru ne oferă o nouă metodă de explorare a universului.

În forma curentă, teoria relativității generale este incompatibilă cu mecanica cuantică – iar asta poate fi un semn că ne așteaptă în curând o schimbare majoră în felul cum înțelegem universul.

Efectele gravitației

Gândește-te pentru un moment la efectul gravitației asupra corpului tău. Dacă ridici o mână simți efectul gravitației; gravitația este mereu pretutindeni – este stabilă, permanentă și neschimbată. Sau nu este așa?

Timp de sute de ani am putut anticipa efectele gravitației dar nu aveam nicio idee despre cum funcționează până când Einstein a schițat o imagine ciudată și neintuitivă a gravitației. În opinia lui Einstein, gravitația este departe de a fi o „forță” statică, constantă – ci este o parte fundamentală a universului care curbează spațiul-timpul în timp ce obiectele masive se mișcă prin el.

Predicțiile teoriilor lui Einstein au fost validate de nenumărate ori, iar acum, la 100 de ani de la formularea teoriei relativității, a fost validată o altă predicție: existența undelor gravitaționale.

Undele gravitaționale au fost descoperite în ciuda convingerii sale că vom putea vreodată să detectăm aceste unde.

Pentru a înțelege mai bine gravitația, să ne întoarcem puțin la Isaac Newton și la primele legi ale gravitației.

Newton – primele legi ale gravitației

Newton a publicat în anul 1687 una dintre cele mai celebre lucrări științifice numită „Principia”. În această lucrare Newton a descris că forța care trage obiectele în jos spre pământ este aceeași forță care se află și în spatele mișcării planetelor și stelelor.

Pentru a ajunge la această concluzie, Newton și-a imaginat că ia un obiect și îl aruncă departe în sus. Dacă îl arunca cu un impuls prea mic, cădea înapoi pe Pământ, prins de gravitație precum suntem și noi. Dacă îl arunca cu un impuls prea mare, se va îndepărta de Pământ și va ajunge în spațiu unde-și va începe călătoria cosmică fără a se mai întoarce pe Pământ. Dar cu impulsul potrivit, poate fi aruncat pe orbită astfel încât să cadă continuu în jurul Pământului, rămânând legat de planetă precum o remorcă.

La o altitudine și o viteză potrivită, obiectul este acum pe orbită în jurul Pământului – la fel ca Luna, sau ca Pământul în jurul Soarelui.

Newton a formulat această perspectivă într-o ecuație matematică, cunoscută astăzi drept legea gravitației universale. Când este combinată cu geometria și alte ecuații de mișcare ale sale, o putem folosi pentru a face predicții despre mișcarea planetelor, despre căile cometelor sau despre câtă forță este necesară pentru a trimite o rachetă pe Lună.

Newton nu este cunoscut doar pentru ideea sa, ci pentru că a formulat acea idee într-o ecuație care a făcut posibil predicții cu o precizie mai mare ca oricând. Cu toate acestea, ecuațiile lui Newton au produs preziceri incorecte și, cel mai important, nu a descris modul în care funcționează gravitația. Newton era conștient de acest lucru când a spus:

„Gravitația trebuie să fie cauzată de un agent care acționează în mod constant în conformitate cu anumite legi; dar dacă acest agent este material sau imaterial, am lăsat în seama cititorilor mei.”

Distorsiuni ale spațiu-timpului

Timp de mai bine de 200 de ani de la publicarea lucrării „Principia”, lumea nu înțelegea mecanismul gravitației. Asta până când s-a născut Albert Einstein – un om care avea să schimbe lumea în multe feluri. Dar înainte de a ajunge la munca sa, va trebui să mai facem un mic ocol.

În anul 1632, înainte ca Newton să publice lucrarea, Galileo Galilei a scris despre mișcarea relativă a obiectelor familiare în perioada sa: vapoarele.

Dacă te afli într-o cameră închisă pe o navă care navighează cu o viteză constantă și marea este perfect liniștită, obiectele din cameră se comportă la fel ca pe uscat. Nu există un experiment fizic pe care să-l poți face pentru a spune dacă te miști sau staționezi (presupunând că nu privești pe fereastră și nu ai nici GPS). Aceasta este ideea principală din spatele relativității și este același motiv pentru care nu simțim mișcarea planetei noastre în jurul soarelui sau mișcarea sistemului nostru solar prin galaxie.

Spațiul și timpul sunt legate

După aproape 300 de ani după Galileo, Einstein a realizat consecințele relativității în contextul unui factor important: viteza luminii. Nu era singurul care se gândea la aceste subiecte – dar alți fizicieni erau la acea vreme conștienți de faptul că erau întrebări fără răspuns.

Einstein a formulat o teorie (teoria relativității restrânse) pentru a explica fenomenele existente și pentru a crea noi predicții. La început, relativitatea restrânsă nu părea să aibă prea mult de-a face cu gravitația, dar a fost o cărămidă esențială pentru Einstein pentru înțelegerea gravitației.

Ceasurile în mișcare se mișcă mai greu

Experimentele din vremea lui Einstein au arătat că viteza luminii este constantă. Indiferent cât de repede ai încerca să o prinzi, ea se va îndepărta de tine cu aproape 300.000.000 metri pe secundă. De ce este acest aspect important? Ei bine, să ne imaginăm construirea unui ceas folosind lumina. Două oglinzi sunt poziționate față în față, una cu fața în sus și alta în jos, iar o bătaie a ceasului reprezintă timpul cât îi ia unei particule de lumină să călătorească până la cealaltă oglindă și înapoi.

Acum să ne imaginăm un astronaut, care se află pe o navă spațială ce trece pe lângă Pământ, că are și el un astfel de ceas. Pentru astronaut, ceasul pare să funcționeze normal – particulele de lumină călătoresc între cele două oglinzi în sus și în jos iar timpul se desfășoară în mod obișnuit. Dar din punctul tău de vedere, uitându-te la trecerea navei, lumina se mișcă atât în sus cât și în jos, cât și în lateral o dată cu nava. Lumina călătorește mai mult cu fiecare bătaie.

Dacă pentru astronaut lumina călătorește cu 300.000.000 m / s, dar trebuie să călătorească doar în sus și în jos; iar pentru tine lumina călătorește tot cu aceeași viteză, dar efectuează o distanță mai mare (pe diagonală, pentru că nava se află în mișcare), perioada bătăii ceasului este mai mare. Acest efect se numește dilatarea timpului. Cu cât călătorim cu o viteză mai mare prin spațiu, cu atât mai lent călătorim prin timp.

Perspectiva contează

Dar al cărui timp este într-adevăr încetinit? Al tău, pe Pământ, sau al astronautului? În mod ciudat, ambele sunt valide – dar numai în timp ce ambele sunt în mișcare constantă.

Pentru a ilustra acest aspect, să presupunem că atunci când astronautul a părăsit Pământul, atât observatorul de pe Pământ cât și astronautul aveau aceeași vârstă. Când pleacă, nava spațială accelerează îndepărtându-se de Pământ. Când se întoarce, nava încetinește pentru a putea ateriza. Și la plecare și la întoarcere, astronautul poate simții accelerația și încetinirea. Experimentele efectuate în interiorul navei spațiale în timpul accelerației și a decelerării ar arăta că nava își schimbă sistemul de referință. În fizică, sistemul de referință descrie mișcarea, fiind reperul în raport cu care se descrie mișcarea sau repausul. O persoană care călătorește într-o mașină se află într-un cadru de referință diferit decât cineva care călătorește într-o mașină cu o viteză sau o direcție diferită.

Asta distruge simetria, iar când nava spațială se întoarce pe Pământ, astronautul va fi cu adevărat mai tânăr decât observatorul de pe Pământ. Efectele sunt perceptibile doar dacă călătorește cu adevărat, foarte, foarte repede.

Cele patru dimensiuni ale spațiu-timpului

În urma teoriilor menționate mai sus, nu ne mai putem gândi la trei dimensiuni ale spațiului plus una distinctă a timpului, ci putem considera spațiul-timpul ca o singură dimensiune. Cu cât călătorim mai repede prin spațiu, cu atât ne deplasăm mai lent în timp și invers.

O altă consecință a relativității restrânse este aceea că obiectele care se mișcă cu o viteză mare par să se contracte în dimensiune, în direcția mișcării lor.

Acest lucru rezultă din distorsionarea timpului – contracția lungimii este un fizic real și nu doar un rezultat al măsurătorilor imprecise. Spre deosebire de diferențele de vârstă care pot apărea din timpul dilatării timpului, nu există efecte secundare datorate contracției lungimii odată ce obiectul aflat în mișcare se oprește sau ajunge la aceeași viteză cu observatorul.

Descrierea lui Einstein a gravitației a dus la situații bizare precum relativitatea specială – asta include și călătoriile în timp (dacă se poate numi așa)!

Accelerația și gravitația sunt de nedistins

Imaginează-ți că te trezești într-o navă spațială, accelerând spre spațiu. Vei fi împins așa cum suntem în scaunul unei mașini atunci când accelerează. Efectul este același ca și pe Pământ. Simțim forța accelerației așa cum simțim și forța gravitației.

Există un experiment fizic pe care l-am putea face în limitele navei pentru a spune dacă într-adevăr am accelerat prin spațiu (presupunând că nu avem ferestre prin care să privim) sau dacă, am fi într-o navă spațială staționară pe Pământ? Einstein a spus nu – așa cum Galileo și-a imaginat imposibilitatea de a distinge între o persoană în interiorul unui vapor și o persoană pe uscat, Einstein și-a dat seama că efectele accelerației și ale gravitației nu puteau fi distinse. Acestea se numește principiul echivalenței.

Spațiul se curbează la accelerare

Odată ce Einstein a formulat principiul echivalenței, gravitația a devenit mai puțin misterioasă. A putut să aplice cunoștințele de accelerare pentru a înțelege mai bine gravitația.

S-ar putea să știi că accelerația nu înseamnă întotdeauna o schimbare a vitezei, ca atunci când acceleram într-o mașină, împingându-te în scaun. De asemenea, poate însemna o schimbare în direcție, precum în cazul în care trecem prin-trun un sens giratoriu, determinându-ne să ne aplecăm spre partea laterală a mașinii.

Gravitația este curbarea spațiu-timpului

Principiul echivalenței ne spune că efectele gravitației și ale accelerației sunt de nedistins, însă mișcarea accelerată poate curba spațiul-timpul. Aici Einstein a ajuns la concluzia că gravitația este de fapt curbura a spațiu-timpului. Gravitația este cauzată de corpuri masive care determină calea pe care obiectele din jur călătoresc, iar această curbură a spațiu-timpului este dinamică, mișcându-se o dată cu aceste obiecte.

Teoria relativității generale prezice totul, de la orbitele stelelor până la ciocnirea asteroizilor.

Spațiu-timpul prinde masa, spunându-i cum să se miște – masa prinde spațiu-timpul, spunându-i cum să se curbeze (John Wheeler).

Predicțiile lui Einstein, oricât ar fi de ciudate și neintuitive, au trecut testul timpului și au fost validate de nenumărate ori.

Bibliografie:

http://www.einstein-online.info
http://curious.astro.cornell.edu
https://www.science.org.au
http://web.hep.uiuc.edu

În fiecare moment se întâmplă unul dintre cele mai importante lucruri din viața ta: diviziunea celulelor din corpul tău. Începem viața ca o singură celulă, dar până la maturitate, ajungem să fim alcătuiți din trilioane de celule. Acest număr depinde de mărimea persoanei, dar biologii au estimat că suntem alcătuiți din aproximativ 37 de trilioane de celule.

Atunci când ne rănim sau ne tăiem într-un obiect ascuțit pielea se vindecă în doar câteva zile. Cum este posibil asta și cum știu celulele când să se oprească din diviziune? Vom vedea asta puțin mai târziu.

Atunci când celulele se divid, ele crează celule noi. O singură celulă se împarte pentru a face două celule, iar aceste două se divid din nou pentru a forma 4 celule și așa mai departe. Acest proces este numit „diviziune celulară” și „reproducere celulară”, deoarece celulele noi se formează atunci când celulele vechi se divizează. Această capacitate a celulelor de a se diviza este prezentă doar la organismele vii.

De ce se divid celulele?

Celulele se divid din mai multe motive. De exemplu, atunci când cazi și te rănești la genunchi, celulele încep să se dividă pentru a înlocui celulele vechi, moarte sau deteriorate. De asemenea, celulele se divid astfel încât organismele să poată crește dar și pentru a înlocui celulele moarte. Atunci când organismele cresc, celulele nu devin din ce în ce mai mari, ci se divid mai des, pentru a produce tot mai multe celule. La oameni, aproape 2 trilioane de celule se divid în fiecare zi.

În funcție de tipul de celulă, există două tipuri de diviziune celulară: o diviziune vegetativă, în care fiecare celulă copil va fi identică din punct de vedere genetic cu celula părinte (proces denumit mitoză) și o diviziune celulară reproductivă, în urma căreia numărul cromozomilor din fiecare celulă fiică este redus la jumătate pentru a asigura producerea unor gameți haploizi (proces denumit meioză). Cel de-al doilea proces este important pentru reproducerea sexuată și asigură diversitatea genetică.

Cum știe o celulă să se oprească din diviziune?

Mecanismele de semnalizare intercelulară au existat cu mult înainte să apară organismele pluricelulare. Celulele comunică prin intermediul a sute de molecule semnalizatoare ce includ proteine, peptide mici, aminoacizi, nucleotide, steroizi, retinoizi, derivați ai acizilor grași și chiar gaze dizolvate precum oxidul de azot și monoxidul de carbon. Majoritatea acestor molecule semnalizatoare sunt secretate de celula semnalizatoare prin exocitoză. Altele sunt eliberate prin difuzie prin membrana plasmatică în timp ce unele rămân strâns legate de membrana plasmatică și influențează doar celulele care vin în contact cu celula semnalizatoare.

Indiferent de natura semnalului, celula țintă răspunde prin intermediul unei proteine specifice numite receptor. Aceasta leagă molecula semnalizatoare și inițiază un răspuns în celula țintă. Multe dintre moleculele extracelulare semnalizatoare acționează în concentrații foarte mici (în general mai puțin de 10-8M) iar receptorii care le recunosc, le leagă cu o afinitate foarte mare (constanta de afinitate Ka > 108 litri/mol). În cele mai multe cazuri, receptorii sunt proteine transmembrane situate la suprafața celulei țintă. Receptorii se activează când se leagă molecula extracelulară semnalizatoare (ligandul), generând o cascadă de semnale intracelulare care alterează comportamentul celulei. În unele cazuri, receptorii sunt situați în interiorul celulei și ligandul semnalizator trebuie să pătrundă în celulă pentru a o activa.

Atunci când ne tăiem, un întreg lanț de evenimente este pus în mișcare. Corpurile noastre se pot repara singure, cu condiția ca rănile să nu fie foarte grave. Dacă pielea nu s-ar putea vindeca, cel mai probabil am sângera până la moarte, chiar și din tăieturi foarte mici. Totodată, pielea este o barieră foarte bună împotriva virusurilor și a bacteriilor.

Când pielea este tăiată, celulele deteriorate eliberează mai multe substanțe chimice. Aceste substanțe chimice fac ca vasele de sânge din zona din apropiere să devină mai mari astfel încât fluxul de sânge în zonă crește iar lichidele din sânge sunt eliberate în țesuturile deteriorate. Acesta este motivul pentru care tăieturile devin adesea roșii și umflate. Acesta este un lucru important, deoarece sângele nostru conține trombocite care opresc sângerarea (homeostază), iar acesta este primul pas pentru vindecare. După ce celulele albe din sânge dezinfectează rana, urmează ultima fază de vindecare, proces ce implică regenerarea celulelor: unirea pielii și repararea țesutului deteriorat, inclusiv vasele de sânge. Corpul începe să creeze un țesut fibros ce oferă flexibilitate și rezistență ce va deveni mai întâi o cicatrice.

Celulele deteriorate sau moarte atrag trombocitele (prin eliberarea unui compus organic numit adenozindifosfat), iar trombocitele, la activare, eliberează o multitudine de mediatori biologici precum diverse citokine, chemokine și factori de creștere, inclusiv CXCL12. Mediatoarele derivate de trombocite induc și modulează pe rând activarea fibroblastelor, atragerea de leucocite iar apoi neutrofilele urmate de macrofage, care elimină celulele moarte și resturile celulare.

Practic acești mesageri chimici fac ca celulele din jur să se dividă și să înlocuie celulele moarte. Procesul de vindecare se oprește după ce celulele deteriorate sunt eliminate de macrofage și prin urmare, în lipsa lor, trombocitele nu mai sunt atrase și activate.

Bibliografie:

http://www.bloodjournal.org/content/122/15/2550
https://askabiologist.asu.edu/cell-division
https://www.futurity.org/cell-size-1015542-2/
http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=3069