Origin of lifeOrigin of life

Mathias Jäger, Theresa Mathias Jäger, Theresa GotthartGotthart

Der AnfangDer Anfang

Entstehung der Erde / Entstehung der Erde / Sonnensystem:Sonnensystem:

4.6 Gyr4.6 Gyr Erstes Leben: 3.5 Gyr (Bakterien)Erstes Leben: 3.5 Gyr (Bakterien)

Woher kam das Leben?Woher kam das Leben? Wie entstand es?Wie entstand es?

Definition von LebenDefinition von Leben

Kapazität zur SelbstreplikationKapazität zur Selbstreplikation Die Fähigkeit der Darwin‘schen Die Fähigkeit der Darwin‘schen

Evolution zu folgenEvolution zu folgen

Darwinsche EvolutionDarwinsche Evolution SelektionSelektion RekombinationRekombination MutationMutation

MutationMutation 2 Arten von Mutation: Unterschieden nach 2 Arten von Mutation: Unterschieden nach

Erblichkeit und UrsacheErblichkeit und Ursache ErblichkeitErblichkeit

KeimbahnmutationKeimbahnmutation Somatische MutationSomatische Mutation

UrsacheUrsache SpontanmutationSpontanmutation Induzierte MutationInduzierte Mutation ReplikationsfehlerReplikationsfehler Unzureichende Proof-Reading-AktivitätUnzureichende Proof-Reading-Aktivität Crossing OverCrossing Over

Crossing OverCrossing Over

Bausteine des LebensBausteine des Lebens

Wasser (60-70%)Wasser (60-70%) SauerstoffSauerstoff KohlenstoffKohlenstoff StickstoffStickstoff

PhosphorPhosphor SchwefelSchwefel

Atome des Elements (pro 100.000) im Menschen

H 60563

O 25670

C 10680

N 2440

Ca 230

P 130

S 130

Na 75

K 37

Cl 33

Warum Kohlenstoff?Warum Kohlenstoff?

Alles Leben basiert auf CAlles Leben basiert auf C Große Anzahl möglicher langer Große Anzahl möglicher langer

MolekülverbindungenMolekülverbindungen z.B.: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, z.B.: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel,

PhosphorPhosphor C kann Verbindungen bauen, die in C kann Verbindungen bauen, die in

Wasser löslich sind (für Interaktion Wasser löslich sind (für Interaktion notwendig)notwendig)

Alternative: Silizium?Alternative: Silizium?

Warum Wasser?Warum Wasser?

Brauchen Medium in dem Moleküle Brauchen Medium in dem Moleküle interagieren könneninteragieren können

Wasser bestens geeignet (weder zu Wasser bestens geeignet (weder zu heiß, noch zu kalt), im flüssigen heiß, noch zu kalt), im flüssigen ZustandZustand

Alternative: AmmoniakAlternative: Ammoniak

WasserWasser

70% der Erdoberfläche sind Wasser70% der Erdoberfläche sind Wasser Wasser ist polarisiert (Verbindung Wasser ist polarisiert (Verbindung

mit O)mit O) 2 Arten von Molekülen 2 Arten von Molekülen

(wasserlöslich, nicht wasserlöslich)(wasserlöslich, nicht wasserlöslich) Beide wichtig für LebenBeide wichtig für Leben Möglichkeit für Makromoleküle Möglichkeit für Makromoleküle

(Fette und Öle, Kohlenhydrate, (Fette und Öle, Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren)Proteine, Nukleinsäuren)

DNADNA

ProteineProteine KatalysatorenKatalysatoren

(Enzyme)(Enzyme) NukleinsäurenNukleinsäuren

DNA, RNADNA, RNA

T… ThyminT… ThyminA... AdeninA... AdeninG… GuaninG… GuaninC… CytosinC… CytosinU… UracilU… Uracil

Die Welt der RNADie Welt der RNA

Zuerst RNA oder DNA?Zuerst RNA oder DNA? Allgemein: zuerst RNAAllgemein: zuerst RNA Nukleide der RNA schneller Nukleide der RNA schneller

entwickeltentwickelt RNA stabiler als DNARNA stabiler als DNA RNA vor Proteinen entwickeltRNA vor Proteinen entwickelt

Suche nach den Suche nach den UrsprüngenUrsprüngen

Molekulare Strukturen in Molekulare Strukturen in GesteinsprobenGesteinsproben

ZellresteZellreste Abdrücke in SedimentenAbdrücke in Sedimenten Organisches MaterialOrganisches Material Mineralien (entstanden bei Bio-Mineralien (entstanden bei Bio-

Prozessen)Prozessen) Isotope, die auf Bio-Aktivität hinweisenIsotope, die auf Bio-Aktivität hinweisen Atmosphärische KomponentenAtmosphärische Komponenten

Zwei VorgehensweisenZwei Vorgehensweisen

Bottom-up SzenarioBottom-up Szenario Von Entstehung der Erde auf Beginn Von Entstehung der Erde auf Beginn

des Lebensdes Lebens Leblose Elemente, Moleküle, Leblose Elemente, Moleküle,

MineralienMineralien Top-down SzenarioTop-down Szenario

Von heute auf Beginn des Lebens Von heute auf Beginn des Lebens extrapolierenextrapolieren

Betrachten nur Bottom-upBetrachten nur Bottom-up

Miller‘s ExperimentMiller‘s Experiment

UratmosphäreUratmosphäre UrozeanUrozean Methan, Methan,

Wasserstoff, Wasserstoff, AmmoniakAmmoniak

EnergieEnergie

=> Aminosäuren => Aminosäuren werden produziertwerden produziert

Murchison MeteoritMurchison Meteorit

28. September 1969 nahe 28. September 1969 nahe MelbourneMelbourne

KohlenstoffreichKohlenstoffreich Stück eines Asteroiden aus GürtelStück eines Asteroiden aus Gürtel Enthielt organische Moleküle Enthielt organische Moleküle

(Aminosäuren)(Aminosäuren) Bildung im Universum und nicht auf Bildung im Universum und nicht auf

der Erdeder Erde

AminosäureAminosäure Miller-ExperimentMiller-Experiment MurchisonMurchisonErdeErde

GlycineGlycine ******** ******** JaJaAlanineAlanine ******** ******** JaJaΑΑ-amino-N-butyric acid-amino-N-butyric acid ****** ******** NeinNeinA-AminoisobutyricA-Aminoisobutyric ******** **** NeinNeinValineValine ****** **** JaJaNorvalineNorvaline ****** ****** NeinNeinIsovalineIsovaline **** **** NeinNeinProlineProline ****** ** JaJaPipecolic acidPipecolic acid ** ** NeinNeinAspartic acidAspartic acid ****** ****** JaJaGlutamic acidGlutamic acid ****** ****** JaJaΒΒ-Alanince-Alanince **** **** NeinNeinB-Amino-N-butyric acidB-Amino-N-butyric acid **** **** NeinNeinB-Aminosobutyric acidB-Aminosobutyric acid ** ** NeinNeinY-Aminobutyric acidY-Aminobutyric acid ** **** NeinNeinSarcosnicSarcosnic **** ****** NeinNeinN-EthylglycineN-Ethylglycine **** **** NeinNeinN-MethylalanineN-Methylalanine **** **** NeinNein

Leben von außerhalb?Leben von außerhalb? Meteoriten und Kometeneinschläge Meteoriten und Kometeneinschläge

bringen organisches Material auf die Erdebringen organisches Material auf die Erde

Quellen Masse (kg) Akkretion /106kg yr-1 Carbon

Meteoritenmaterial

Meteore (von Kometen) 10-17 – 10-1 16.0 10%

Meteoriten 10-2 – 105 0.058 1.3%

Kraterbildene Körper 105 – 1015 62.0 4.2%

Organisches Material

Meteore (von Kometen) 10-15 – 10-9 3.2 10%

Meteoriten (ohne C) 10-2 – 105 2.9x10-3 0.1%

Meteoriten (mit C) 10-2 – 105 1.9x10-4 2.5%

ChiralityChirality

2 Arten von Molekülen2 Arten von Molekülen Chiral (Rechte-Hand-Linke-Hand-Prinzip)Chiral (Rechte-Hand-Linke-Hand-Prinzip) Achiral (Spiegelfest)Achiral (Spiegelfest)

Chirality und das LebenChirality und das Leben

Aminosäuren gemischt, rechte Hand, Aminosäuren gemischt, rechte Hand, linke Handlinke Hand

Proteine nur aus linke Hand Proteine nur aus linke Hand AminosäurenAminosäuren

Bemerkenswert: 19 der 20 Säuren Bemerkenswert: 19 der 20 Säuren können sowohl links als auch rechts können sowohl links als auch rechts händig seinhändig sein

Linke Hand Aminosäuren wurden auch Linke Hand Aminosäuren wurden auch im Murchison-Meteoriten gefundenim Murchison-Meteoriten gefunden

Akkumulation von Akkumulation von organischem Materialorganischem Material

Abgeschlossene Lagunen und Tümpel, Abgeschlossene Lagunen und Tümpel, Wasser verdampft, Konzentration steigtWasser verdampft, Konzentration steigt

Wasser friert, angereichertes gefriert Wasser friert, angereichertes gefriert späterspäter

Ton und Mineralien sammeln organisches Ton und Mineralien sammeln organisches Material, Ton sammelt es innerhalb seiner Material, Ton sammelt es innerhalb seiner StrukturStruktur

Weiterentwicklung: Genauen Prozesse Weiterentwicklung: Genauen Prozesse noch unbekanntnoch unbekannt

ZusammenfassungZusammenfassung

Leben basiert auf CLeben basiert auf C Wasser ist Grundlage, aufgrund Wasser ist Grundlage, aufgrund

molekularer Entwicklungmolekularer Entwicklung

Offene Fragen:Offene Fragen: Leben von außerhalb, oder Erde?Leben von außerhalb, oder Erde? Leben auf anderen Elementen basierend?Leben auf anderen Elementen basierend? Entwicklung des Lebens an sich?Entwicklung des Lebens an sich?