Asal-usul Bumi, Laut dan Kehidupan di

Laut

Pertemuan ke-2The big bang theory

1

Outline kuliah hari ini

1. Asal-usul alam semesta (Universe)

3. Asal-usul Bumi

2. Matahari dan Tata Surya

a. Skala waktu geologib. Asal-usul Atmosfer dan Samuderac. Awal Benuad. Bulane. Bentuk kehidupan di laut

a. Galaksi dan bintangb. Elemen penyusun

asalod 2

Beberapa Istilah:• Star (bintang): ‘bola’ masiv berupa gas pijar yg

terlihat banyak di langit

• Galaxy: Kumpulan bintang, debu, gas dan debu angkasa lainnya yang berotasi dan berada bersama oleh gaya tarik gravitasi.

• Universe atau cosmos (Alam semesta): kumpulan galaxy. Kira2 terdapat 100 juta galaxy yang teramati dg teleskop kita.

• Planet berada satu sistem dengan bintang dan bergerak mengitarinya

• Satelit, benda angkasa yang mengelilingi planet, misal Bulan.

• 1 Tahun Cahaya: Kec. cahaya (~3.105 km/s) x 1 tahun (31536000 s) = 9.8 . 1012 km

asalod 3

asalod 4

Galaxy Milky Way: • Galaxy dimana tata surya kita berada• Diameter cakram: 100,000 tahun cahaya (TC); tebal

cakram 10,000-15,000 TC• Tata surya beserta ke-9 planetnya berada sekitar 2/3 dari sisi luar Galaxy ini.

• Tata surya mengikuti pergerakan Galaxy MW dengan kec. ~ 280 km/s

• Di dalam Galaxy MW terdapat ~1011 bintang, yg mana puluhan juta binang itu memiliki planet dan makhluknya.

Planet yang terdekat dg matahari lebih kecilKarena emisi partikel dari mthari yg terionisasi dan pemanasan internal planet itu sendiri

asalod 5

b. Orbit planet dari Tata Surya

a. Ukuran relatif planet dan surya

Tata Surya(Solar System)

• 9 planet• Terdekat:

Merkurius• Terjauh: Pluto

asalod 6

Dengan mengamati energi cahaya yang memancar dari galaxy, para ahli astronomi dapat menentukan bahwa hampir semua galaxy sedang menjauhi satu sama lainnya, pada kecepatan ~240,000 km/s (3/4 kec cahaya !).

Saling menjauhnya galaxy 2 tersebut diduga sebagai pergerakan serpihan2 hasil dari suatu ledakan, yang kemungkinan berasal dari satu massa yang sama. Jika hal ini benar, maka waktu yang diperlukan dari ledakan tsb sampai keadaan saat ini adalah ~15 milyar tahun.

Teori Big Bang

Mengarah ke

Asal-usul Alam Semesta: teori BB Teori Big Bang

adalah penjelasan ilmiah yang berlaku tentang asal-usul alam semesta.Bahwa pada satu waktu semua materi itu terkonsentrasi kedalam satu badan tunggal dan sangat padatKemudian ~15 milyar tahun lalu, sebuah ledakan dahsyat melemparkannya keluar ke ruang angkasa

1 billion=109asalod 7

Dasar Utama ttg Teori BB

a) Energi cahaya yang hasil radiasi galaxi, makin jauh makin rendah energi (shifting spektrum)

b) Galaxi saling menjauhi karena ada ledakan

c) Apa semua pernah berkumpul, tidak pasti?

d) Waktu untuk sampai posisi sekarang ~15 miliar tahun

asalod 8

Urutan waktu “Big Bang”

9

Pem

om

paan

Cair

an b

btu

k pir

ing

berm

uata

n lis

trik

Pem

beku

an

Pem

isahan

bag

ian

Gala

ksi pert

am

a

Ala

m S

em

est

a

modern

Bukti2 terhadap teori Big Bang• Galaksi2 bergerak menjauhi kita dg kec

sebanding dg jaraknya. Hal ini disebut dg Hukum Hubble, karena Edwin Hubble (1889-1953) yang menemukan fenomena ini tahun 1929.

• Melimpahnya “elemen cahaya” hidrogen dan helium yang ditemukan di alam semesta, diperkirakan mendukung model asal-usul Big Bang.

• Adanya Radiasi latar kosmik yang diramalkan oleh kosmologi George Gamov 1948 dan ditemukannya oleh Arno Penzias & Robert Wilson dari Bell Labs 1965.

asalod 10

Formasi ElemenDalam bbrp menit, alam semesta mengembang menjadi ukuran besar dan cukup dingin yg menjadikan proton dan neutron berpadu membentuk inti atom. Proses ini dikenal sebagai Nukleosida-Sintesis.

Hanya dalam waktu sehari, Nukleosida-Sintesis menghasilkan hampir semua inti hidrogen dan helium seperti keadaan sekarang

Hidrogen dan Helium merupakah unsur paling ringan dan paling melimpah di alam semesta

Unsur yang lebih berat mengandung hanya ~0.1% dari semua elemen di alam semesta

11

Penggelembungan Alam Semesta

• Permulaan Alam Semesta telah terus menggelembung seperti awan gas panas.

•Selama milyaran tahun berikutnya, gaya gravitasi telah memadatkan kumpulan gas2 tsb menjadi bintang2 dan galaksi2.

12

asalod 13

Galaksi2 dan Bintang2

Bintang : ‘bola’ masif berbentuk gas pijar

• Galaksi: Kumpulan bintang, debu, gas, dan benda angkasa lainnya, yang berotasi secara bersamaan karena adanya gaya gravitasi

• Alam Semesta memiliki sebanyak 50 milyar galaksi, dimana setiap galaksi memiliki hampir 50 milyar bintang

asalod 14

asalod 15

Pembentukan Elemen yang lebih berat• Hampir semua bintang membakar Hidrogen untuk

menghasilkan Helium dan Energi. Empat atom Hidrogen bergabung membentuk atom Helium. • Dalam proses ini, sejumlah keciI materi diubah menjadi sejumlah besar energi.

• Setelah bintang terbakar, sebagian besar Hidrogennya meluruh/berkurang.

• Bila terjadi dalam jumlah besar, bintang yang meluruh lalu membakar Helium, membentuk elemen yang lebih berat (Karbon dan Oksigen).

• “Raksasa Merah” (bintang besar) mengalami siklus tersebut: pembakaran/peluruhan beberapa kali, membentuk Silikon, Magnesium, dan elemen berat lainnya.

asalod 16

Supernova• Bila energi semua bintang besar terpakai, maka

akan terjadi peluruhan yang tiba-tiba, lalu meledak secara dahsyat yang dikenal sebagai Supernova, menyebarkan banyak material ke angkasa.

• Kekuatan Supernova menghasilkan Neutron yang menumbuk atom lainnya dari bintang yang meledak, membentuk elemen lebih berat, yang menyebar di angkasa sebagai debu angkasa.

asalod 17

Asal-Usul Tata Surya

• Matahari dan planet2nya dari tata surya memiliki asal-usul yang sama, semuanya berasal dari Solar Nebula , awan dan debu angkasa yang berotasi, yang diperkaya dengan elemen berat yang dilepaskan oleh Supernova.

• Rotasi Nebula menjadikannya memipih (flatten), dan gaya gravitasi memadatkan material dekat dengan pusat rotasi menjadi protosun. • Material yang jauh dari pusat rotasi terakumulasi menjadi planet-planet.

asalod 18

Solar Winds (Angin Surya)

• Bila suhu internal dari Protosun meningkat sampai titik dimana atom Hidrogen terfusi menjadi Helium, maka saat itu Matahari terbentuk.• Angin surya yang intensif terbentuk bila matahari melepaskan seluruh gas dari dalamnya.

• Elemen yang bertahan membentuk Bumi adalah Oksigen, Silikon, Besi, Alumunium, Kalsium, Magnesium, Sodium, dan Potasium; elemen tersebut dimiliki batuan bumi sekarang.

asalod 19

Evolusi BumiPlanet kita terbentuk dari material angkasa melalui

akresi (penumpukan)Partikel dan gas ukuran sentimeter terkondensasi membentuk Planetesimal berukuran kilometer (proto-planet kecil).

Planetesimal terbawa satu sama lainnya karena gravitasi dan berfusi menjadi sebuah planet.

asalod 20

Diferensiasi Interior Bumi

• Komposisi bumi awalnya seragam seluruh bagiannya.

• Lalu pada tahap akresi (penggumpalan), tumbukan yang sering terjadi dengan meteor dan material angkasa lainnya menyebabkan permukaan planet menjadi panas.

• Tambahan pemanasan berasal dari peluruhan elemen radioaktif di dalam bumi menyebabkan seluruh bumi meleleh.• Gravitasi menarik elemen berat besi kearah dalam untuk membentuk mantel dan inti (core).

• Material yang lebih ringan (Silikon, Mg, Al, dan senyawa oksigen) berpindah kearah luar (permukaan).

• Sekitar 4.6 milyar tahun lalu, permukaan keras pertama terbentuk terkristalisasi menjadi kerak bumi (crust).

asalod 21

Skala-Waktu Geologi

• Para Ilmuwan telah mencatatkan sejarah Bumi sampai 4.6 milyar tahun ke belakang, pada Skala-Waktu Geologi.• Skala ini dibagi secara meningkat kedalam sekumpulan hirarki dari satuan waktu yang lebih kecil, seperti eons, eras, periods, epochs, dan ages.

asalod 22

asalod 23

asalod 24

Atmosfer Awal• Atmosfer mulai terbentuk sekitar 4.4 milyar tahun lalu

selama periode Precambrian.

• Letusan gunung berapi dan gempa yang sering terjadi menyebabkan Karbondioksida, Nitrogen, dan gas2 lainnya terperangkap di dalam planet terlepas ke atmosfer.

• Perubahan menjadi gas dari komet di permukaan bumi, juga melepaskan sejumlah besar gas amonia, metan, dan uap kedalam atmosfer.

asalod 25

Komposisi Atmosfer

• Taraf kandungan karbondioksida sebesar 1000 kali dari taraf sekarang.

• Karena oksigen secara cepat bersenyawa dengan logam di kerak bumi membentuk oksida, tidak ada oksigen di atmosfer awal.

• Uap air sangat melimpah di atmosfer awal dari pelepasan gas yang mana tekanan atmosfer beberapa kali lebih besar dari kondisi sekarang.

asalod 26

• Energi matahari merontokkan atmosfer

pertama.

• Atmosfer kedua terbentuk dari gas2 yang

berasal dari erupsi gunung berapi.

• Atmosfer primitif: CO2, uap air, atmosfer

tipis terdiri dari CO, N2, H2, HCl, and traces

of NH3 and CH4 (3.5 billion year ago)

asalod 27

Planet Biru• Setelah beberapa jutaan tahun, atmosfer mendingin

yang cukup untuk mengkondensasi uap air menjadi awan tebal yang melingkupi seluruh planet.

• Hujan mulai turun dari langit, mendinginkan permukaan bumi.• Air hujan terkumpul di cekungan2 dan basin2, dimana air tsb menguap, mendingin, dan jatuh kembali.

• Periode hujan lebat tersebut dialami planet selama 10 juta tahun.• Ketika hujan berhenti dan langit bersih, Bumi tampak sebagai sebuah planet biru dihampari oleh samudera yang dalamnya sekitar 2 mil, ditaburi oleh pulau2 gunung berapi.

asalod 28

Pembentukan Samudera

1. Pelepasan gas uap air dan gas lainnya dari gunung berapi

2. Proses Kondensasi (uap air air)

3. Hujan

asalod 29

Benua

• Awalnya, massa daratan benua itu mungkin kecil

• Terbentang di bawah laut adalah lapisan kerak samudera tebalnya sekitar 8 km, utamanya terbentuk dari basal, batuan kaya besi dan berat yang berasal dari gunung berapi.

• Kerak benua adalah lebih tebal (20-70 km), dan tersusun dari batuan granit yang lebih ringan, terisi dari material mantel bumi dan kerak samudera.

• Kerak benua pertama mungkin berasal dari beberapa busur pulau yang terisolasi, dan terakumulasi menjadi massa daratan yang luas seperti sekarang ini.

• Penjelasan tentang asal-usul dan evolusi benua masih diperdebatkan.

(detailnya nanti akan dibahas di teori plate tektonik) asalod 30

Super Kontinen pertama

• Sampai akhir periode Prekambrian, sekitar 700 juta tahun lalu, seluruh massa daratan bersatu membentuk Super kontinen Rodinia tunggal, dikelilingi oleh samudera Panthalasik.

asalod 31

Bulan• Pasang surut samudera utamanya adalah hasil

interaksi gaya bumi dan bulan.

Teori yang cukup sahih ttg asal-usul bulan adalah hipotesis dampak dahsyat.Pada waktu Bumi terbentuk, benda planet yang lebih kecil lainnya juga terbentu di sekitarnya.

Salah satu dari benda tersebut, sekitar 1/3 sampai ½ ukuran Bumi, melanggar Bumi pada akhir proses perkembangannya. Serpihan dari tumbukan tersebut masuk kedalam orbit mengitari Bumi dan dan terbentuklah bulan.

asalod 32

Bulan dan Bumi

• Bulan, terbesar dalam tata surya relatif terhadap planet induknya, dapat menstabilkan sudut kemiringan sumbu rotasinya, sehingga terjadinya perubahan musim.

• Tanpa Bulan, Bumi mungkin mengalami fluktuasi cuaca dan iklim yang sangat ekstrim, seperti terjadi di Mars.

asalod 33

• Kehidupan bermula sejak sekitar 3.5 milyar tahun lalu.

• Molekul organik (C, H, O, N, P, S) melimpah di laut dangkalTahap 1: Sintesis abiotik dari molekul

organik seperti protein, asam amino, dan nukleotid.

Asal-Usul Kehidupan di Bumi

asalod 34

Tahap 2: penggabungan molekul kecil (monomer) menjadi molekul besar.

asalod 35

Tahap 3: Awal mula pembelahan molekul yang mungkin akhirnya terjadi

asalod 36

Tahap 4: pengelompokkan molekul2 tersebut menjadi pra-sel, tetesan molekul dengan membran yang menjaga kimiawi internalnya

asalod 37

1. Thomas Huxley- Mencari asal-usul kehidupanBathybiasheckalii- primordial ooze (sedimen yg lunak)

2. Wyville Thompson: Ekspedisi HMS Challenger (1872-1876) menemukan diatom ooze yang berekasi juga dengan airlaut dan ethyl alkohol, menggugurkan teori Forbes ttg azoik (1868-1870).

asalod 38

3. Miller & Urey (1953)- mencampurkan uap air,, NH3, CH4, H2

+ percikan listrik + asam amino, dan kandungan organik lainnya.

Elektroda

Percikan listrikCH4

NH3

H2

Uap air

kondenser

Air mendidih

Air mengandung bahan organik

Molekul organik sintetis

Ditambahkan gas Metan, ammonik, dan hidrogen

• 20 asam amino• Sebagian gula• Lemak• Purin dan basa

pirimidin (yg ditemukan dalam DNA, RNA & ATP)

Kemosintetis bakteri (extremophiles)Kemosintesis:

02 + 4H2S + C02 CH20 + 4S +3H20

Stromatolites (bacteria & cyanobacteria)

Fosil tertua ditemukan di Australia barat dan Afrika selatan, berumur sekitar 3.5 milyar tahun lalu.

Fotosintesis :

6H2O + 6CO2 + nutrien + energi cahaya C6H12O6 + 6O2

asalod 40

Stromatolites dari Teluk Hiu Australia Barat

mostly cyano

asalod 41

Struktur akresi berlapis terbentuk dalam air dangkal dengan jebakan, pengikatan, dan sementasi dari butiran sedimen oleh biofilm mikroorganisme, terutama cyanobacteria.

asalod 42

Dari mana Kehidupan Bermula ?

Teori Panspermia

                                  

                        

Bahan organik berasal dari angkasa luar

Menyatakan bahwa hidrokarbon dan molekul organik lainnya (molekul yang mana organisma memiliki sifat kehidupan) telah ditemukan di dalam meteorit

Hal itu berarti bahwa paling tidak kimiawi prebiotik yang mengarah kepada ‘cairan hidup’ awal bermula di sana.

asalod 43

Bukti yang mendukung teori Panspermia ini

• Tahun 1969, sebuah meteori yang jatuh di Australia mengandung sekitar 12% air, dan 92 elemen asam amino..

• Menunjukkan tidak hanya adanya kandungan organik di angkasa luar, tetapi juga kapasitas kandungan tersebut untuk mencapai Bumi.

• Fred Hoyle dan Chandra Wickramasinghe telah berdebat sengit sejak tahun 1970 bahwa bahan organik kompleks, dan mungkin organisme primitif, telah lahir di permukaan butiran debu angkasa luar dan telah terbawa ke permukaan Bumi oleh komet dan meteorit.

asalod 44

Dari mana kehidupan bermula?

• Menjadi perdebatan yang berlanjut mengenai lokasi yang paling mungkin dari awalmula kehidupan.

• Paradigma yang ngetop – kehidupan bermula di dekat permukaan samudera, bermandikan sinar matahari.

• Kajian terkini – kehidupan bermula dari dekat ventilasi hidrotermal dasar samudera, yang masih dalam tahap penyelidikan.

”Para ahli telah lama menduga kehidupan di Bumi bermula di samudera dan bukti kuat sekarang menunjukkan bahwa kehidupan awal di planet kita ini muncul di di samudera dalam dimana tidak ada bahang dan cahaya"

-- Pulse of the Planet, American Museum of Natural History

asalod 45

                                                                                                  

Photograph from National Geographic magazine

asalod 46

Ventilasi laut-dalam

• Temuan ini terjadi akhir tahun 1970, memperbaharui konsep tentang asal-usul kehidupan di Bumi.

• Dapatkah kehidupan terjadi di kedalaman ribuan meter di bawah permukaan laut tanpa adanya sinar matahari ?

• Muncul dugaan bahwa ventilasi mulanya mensuplai energi dan bahan kimiawi penting untuk asalmula protobion.

asalod 47

Eksplorasi dasar samudera dalam

Untuk pertama kalinya terekam ventilasi suhu-tinggi (380°C) pada penyelaman laut dalam dengan kapal selam ALVIN di tahun 1979.

Ventilasi geotermal tersebut dikenal sebagai pengudud (Smokers).

This photograph shows a black smoker, but smokers can also be white, grey, or clear depending on the material being ejected. Photograph by Dudley Foster from RISE expedition

asalod 48

Penghuni Ventilasi

Komunitas ventilasi utamanya terdiri dari: ikan sidat warna pink-peang, kepiting putih, dan cacing tabung

darah merah berbagai ukuran.49

Kerang Raksasa

Ukuran kerang raksasa laut-dalam merupakan bukti dari tangan seorang ilmuwan yang memegangnya.

(Photograph by William R. Normark, USGS.)

50

Cacing-tabung raksasa: RIFTIA

• Di atas dasar samudera dekat ventilasi hidrotermal laut-dalam, terdapat organisme yang bertahan hidup dengan memanfaatkan gas hidrogen-sulfida (H2S) yang dilepaskan dari ventilasi, dan hidup di dalam tabung pelindung yang keras yang menempel ke bebatuan

Cacing-tabung raksasa yang hidup sekitar ventilasi hidrotermal di dasar laut. Makhluk tersebut ukurannya seukuran tangan di perairan dangkal, tetapi di samudera dalam, cacing tersebut ditemukan sekitar 3 meter panjangnya !

51

Bagaimana mereka hidup ?

• Makhluk tersebut tidak memiliki mulut, anus, dan saluran pencernaan dan lambung, dan para ahli bingung menjelaskan bagaimana makhluk tsb mendapatkan nutrien untuk bertahan hidup dan tumbuh.

• Di dalam tubuhnya tersusun bakteria yang mengoksidasi H2S, mengkonversinya menjadi nutrien bermanfaat bagi cacing.

• Bakteria, sebaliknya, memperoleh manfaat dari hubungan tsb karena cacing menyediakan darah yang mengandung hemoglobin yang membantu bakteria untuk memecahkan sulfida.

• Cacing hidup dalam hubungan simbiosis dengan bakteria yang mungkin memberi petunjuk bagaimana kehidupan di muka bumi ini bermula milyaran tahun lalu.

52

Biokimiawi di Ventilasi

• H2S Oksidasi oleh bakteria

Energi yg dilepaskan membantu dalam fiksasi CO2 menjadi molekul organik kecil

Siklus ini :Merupakan pola metabolik sama yang

dimanfaatkan oleh tanaman dalam proses fotosintesis.

Memakai CO2 anorganik dan memfiksasinya menjadi kandungan organik (bahan makanan).

Tetapi, perbedaan nyata, adalah bahwa daripada memanfaatkan sinar matahari, makhluk dan binatang tersebut sama sekali tidak tergantung sinar matahari. Mereka memanfaatkan energi kimiawi untuk membangkitkan reaksinya.

Sehingga, terbayangkah kehidupan tanpa adanya gas beracun H2S ?!

Dilepaskan dari ventilasi

53

Kimiawi Kehidupan - Ammonik, dihasilkan di ventilasi

• Ventilasi hidrotermal merupakan tempat utama untuk produksi NH3 dimana sulfida anorganik berperan sebagai katalis (pengikat).

N2 +NO2 +N03

Diduga ada di laut primitif

NH3

FeS, 500oC

89% yield, 15 min

FeO

46% yield 15 min

Powdered Basalt.

20% yield

Stable upto 800oC

54

Hasilnya …..

• Karena NH3 tidak dapat bertahan pada suhu di atas 800°C, menunjukan bahwa nitrogen mungkin ada hanya berbentuk N2 selama fasel awal dari perkembangan Bumi.

• Kehidupan dapat terjadi pada energi kimiawi dan termal, kebalikan dari hanya sinar matahari seperti anggapan sebelumnya. Sehingga apa yang kita peroleh adalah bahwa proses fotosintesis bukan satu2nya cara untuk menopang kehidupan.

asalod 55

Review dari Outline kuliah:1. Asal-usul alam semesta (Universe)

3. Asal-usul Bumi

2. Matahari dan Tata Surya

a. Skala waktu geologib. Asal-usul Atmosfer dan Samuderac. Awal Benuad. Bulane. Bentuk kehidupan di laut

a. Galaksi dan bintangb. Elemen penyusun

asalod 56

Thanks.Pertanyaan ?

asalod 57

Quiz du jour

1. Mana yang lebih dulu terbentuk: Atmosfer atau lautan ? Jelaskan alasannya

2. Mengapa air laut asin ?

asalod 58