Ionisierungsstrahlung und das Leben
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Ionisierungsstrahlung und das Leben Anhand eines Papers von Lewis R. Dartnell Ionisierende Strahlung ● ● Strahlen: Ausbreitung von Teilchen und Wellen Strahlen die genügend Energie besitzen um Atome und Moleküle zu ionisieren. → d.h. Aus neutralen Atomen positiv bzw. negativ geladene Teilchen zu erzeugen ● Ist die Energie, die beim Durchgang durch Materie hoch, so kann es zu massiven Schäden führen. Quellen auf der Erde ● ● Zerfall vorhandener radioaktiver Isotope auf der Erde Fluss der kosmischen Strahlen Einfluss von kosmischer Strahlung auf das Leben ● Sternenbildung ● Einfluss auf die Astrochemie ● Synthese von organischen Molekülen ● Möglicherweise Unterstützung der Biosphäre Kosmische Strahlung (CR) ● Bestehen aus: elektromagnetischen Hintergrundstrahlen und einer Korpuskularstrahlung (Teilchenstrahlung) ● Hauptsächlich aus Protonen aufgebaut ● Zwei Arten: – Solar cosmic rays (SCR = Solar energetic particles (= SEP = Solar energetic particles), primär Protonen, Quelle: Sonne) – Galactic cosmic rays (GCR, Quelle: Unbekannt) SEP und GCR CR in der Atmosphäre der Erde ● Primäre CR - Partikel produzieren „massive Regen“ von sekundären Partikeln, wenn sie in die Erdatmosphäre kommen. Biologische Auswirkungen ● Direkt und indirekt schädlich – Direkt: Energie regt Elektronen innerhalb einen Biomoleküls an → Folge: Ionisierung oder Radiolyse – Indirekt: Zellen sind zu einem hohen Prozentsatz aus Wasser und die Strahlung interagiert primär mit diesem. → bestrahltes Wasser produziert freie Radikale ● Folgen – Mutationen, Auswirkungen auf Evolution und natürliche Selektion Kosmische Strahlung und Sternentstehung ● ● ● ● Schockwellen der Supernova beschleunigen die Partikel der kosmischen Strahlung GCR beeinflusst das Verhalten von Gas gegenüber Magnetfeldern Magnetfelder stabilisieren die molekularen Wolken Gaswolken und Magnetfelder „interagieren“ → Sternentstehung Kosmische Strahlung und biogene Elemente ● ● ● Leichte Isotope wie H, H-2, He-3, He-4 und Li-7 bildeten sich wahrscheinlich durch die primordiale Nukleosynthese* Schwere Elemente entstehen über die Kernreaktionen in Sternen (stellare Nukleosynthese) CR ist essentiell für die Entstehung von leichtem LiBeB – Bor ist in der Biochemie grundlegend und hat möglicherweise eine Schlüsselrolle in der Entstehung des Lebens gespielt. Biogene Elemente: ● – – ● C,H, O, S,P (Na, K, Mg, Ca, Cl) * primordiale Nukleosynthese – physikalische Theorie der Entstehung der ersten Atomkerne Rolle der CR in der Astrochemie und präbiotischen Molekülen ● ● ● Viele essentielle Moleküle werden in den molekularen Wolken gebildet CR spielt eine wesentliche Rolle in dieser „Astrochemie“ „Nukleotidherstellung“ → Versuch mit künstlichen interstellaren Staubkörnern die Nukleoside und Phosphate beinhalten → durch energiereiche Bestrahlung konnten Nukleotide hergestellt werden. Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten ● Astrosphäre – Sphäre die einen Stern umgibt – – z.B. Heliosphäre bei der Sonne: Mindert den Eintritt von GCR in das Sonnensystem bietet Schutz ● Magnetosphäre - Sphäre die einen Planeten (und auch einige Monde) vor CR schützt – Mehr GCR kann zu einem Verlust der Ozonschicht führen (in den polaren Regionen der Erde) Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten ● Interaktion von CR und der Atmosphäre – Atmosphäre (planetar) ist ein Bestandteil der Geosphäre und umgibt den Himmelskörper und ist die „letzte Instanz“ bei den Schutzschildern vor CR. – Absorption der CR resultiert in Anregung und Ionisierung von molekularen Spezies innerhalb der Atmosphäre – Ionosphäre – entsteht durch die Ionisierung der Atmosphäre (enthält Ionen und freien Elektronen) (Für uns interessant, da diese Kurzwellen reflektiert → relevant für den weltweiten Funkverkehr.) Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten ● CR und das Klima – – Langanhaltende Diskussionen ob CR das globale Klima beeinflusst oder nicht Es existieren plausible Argumente dafür, aber noch keine eindeutigen Beweise. z.B. Zusammenhang zwischen Wolkenbildung und CR ● Produktion von orangischen Stoffen durch CR und der Atmosphäre → Projekt: Gasgemisch (C, N, Wasser) mit energiereichen Protonen bestrahlt → Entstehung von Uracil Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten ● Venus Atmosphäre der Venus ist dichter, als jene der Erde - kein Magnetfeld, sodass CR tiefer in die Atmosphäre können potenzielle Habitable Zone ist in der mittleren Wolkendecke (enthält Wasser in Form von lang anhaltenden Tropfen) ● Titan Atmosphäre in ihrer Chemie wahrscheinlich ähnlich der ursprünglichen der Erde Undurchlässig gegenüber UV. Hat kein eigenes Magnetfeld → dadurch können CR wesentlich tiefer dringen als UV Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten ● Sterilität von Mars´ Oberfläche – Ungefilterter Fluss von CR → – Fehlen von einem Magnetfeld – Dünne Atmosphärenschich t - kaum Schutz vor UV ● Biosphäre der Europa Annahme eines Ozeans unter der Eiskruste schwaches Magnetfeld Unterschiedliche Theorien zu Leben auf Europa Einfluss von CR auf die Bewohnbarkeit von Planeten ● Panspermie ● Abbau von „Biosignaturen“ Theorie die besagt, dass sich einfache Lebensformen durch das Universum bewegen können (Entstehung des Leben auf der Erde) (- Substanzen die Leben, vergangen oder präsent, repräsentieren.) Während des „Planetenwechsel“, wären die Migroorganismen völlig ohne Schutz (SEP und GCR ausgeliefert). Möglichkeit Spuren zu finden begrenzt Wahrscheinlichkeit gegeben, dass CR Biosignaturen vernichtet hat. – Spuren selbst noch vorhanden? – Geräte möglicherweise durch CR gestört Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen ● Supernova – Löst die Aufspaltung von N2 aus – Entstehung von NOx (meist NO und NO2) → diese wirken katalytisch bei der Zerstörung von O3 – Schutz vor UV fehlt → schädlich gegenüber DNA und Photosynthesepigm ente ● Gammablitze – Unglaublich hohe Energie, potentielle Gefahr für Biosphären – Theorie, dass Gammablitze ein Massenaussterben auf der Erde ausgelöst haben Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen ● Superflares (Strahlungsausbruch) – Energiereiche Explosionen bei Sonnenähnlichen Sternen. – „Carrington event“ - schwerste geomagnetische Sturm der letzten 150 Jahre Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen ● Global cooling ● → Global dimming z.B. NO2 – Supernovoas, Superflares und GRB – NO2 ist ein braunes Gas, welches stark absorbierend wirkt Saurer Regen – Gammablitze können eine starke Zunahme von stickstoffreichen Gasen in der Erdatmosphäre bewirken → begünstigen Abbau von Ozon ● Saurer Regen kann als „Abfallprodukt“ des Stickstoffteppichs entstehen – kann eine pHMinderung des Wasser erzeugen Hohe Strahlungsvorfälle und ihre Auswirkungen ● Ultraviolettes Licht – – ● Aktiver galaktischer Kern Zeitepochen reagieren „unterschiedlich“ – Annahme, dass die Energiequelle ein schwarzes Loch ist (z.B. Proterozoikum) – Erscheinungen wie Radiogalaxien, sehr strahlungsstrark – Strahlungsreichweite etwa wie unser Sonnensystem Kurz- und langfristige Schäden/Veränder ungen (z.B. in der DNA) Quellen ● ● Paper: Ionizing Radiation and Life - Lewis R. Dartnell http://wattsupwiththat.com/2009/03/15/cosmic-ray-flux-and-neutron-monitors-suggestwe-may-not-have-hit-solar-minimum-yet/ ● www.nextbigfuture.com ● http://abenteuer-universum.de/sterne/sternentwick.html ● www.astroteilchenphysik.de ● www.weltderphysik.de ● Wikipedia
