Die Entstehung des Lebens

Seminarvortrag AC V am13.07.10Sebastian Gathemann

• Grundlagen für die chemische Evolution• Urbedingungen• Ursuppentheorie• Eisen-Schwefel-Welt• Extraterrestrischer Einfluss• chirale Autokatalyse • Zusammenfassung

Gliederung

Synthese der Grundbausteine◦ Aminosäuren◦ Fettsäuren◦ Zucker◦ …

Enantiomerenreinheit der Verbindungen Entstehen von Biopolymeren/Biokatalysatoren Möglichkeit zur Informationsspeicherung

Grundlagen für chem. Evolution

• Zeitraum• vor 4,3 - 3,8 Milliarden Jahren

• Atmosphäre• O2-Atmosphäre erst durch anaerobe Mechanismen

• Stark reduzierend (CH4, NH3, H2 , H2O)

• Reduzierend (H2, H2O, CO, N2)

• Neutral (CO, CO2, N2, H2O)

• Keine Ozonschicht vorhanden deutlich höhere UV-Strahlung

Urbedingungen

• Temperatur• -40° C bis 100° C• Paradoxon der schwachen, jungen Sonne• Hoher Treibhauseffekt

• Ständige Gewitter• Häufige Eruptionen• Meteoriteneinschläge

Urbedingungen

• 1953 Stanley L. Miller und Harold Urey

• Stark reduzierende Umgebung• CH4, H2O, NH3, H2, CO

• Elektrische Entladungen als Energiequelle

• bis zu 22 verschiedene Aminosäuren

• Anreicherung in den Ozeanen

Ursuppentheorie

• Kritik• Bei weniger stark reduzierender Atmosphäre geringe Ausbeuten• CH4-N2-H2O : 1 %

• CO2-N2-H2O : 0.0006%

• Kein Enantiomerenüberschuss• Nur Synthese der Grundbausteine• Erreichte Konzentrationen zu niedrig für Polymerisation

Ursuppentheorie

• Weiterentwicklungen • Reaktion an „Hot-Spots“• Reduzierende Gase aus Vulkaneruptionen• HCN als Stickstoffquelle

• Polymerisation• Anreicherungen durch Strömungen und Adsorption an Oberflächen• Polymerisation mit Carbonylsulfid

Ursuppentheorie

S C O +H2N

R1

O

O

S

O

NH

R1

O

OHN

O

O

O

R1

- SH- Aminosäure

H2N

R1

HN

O

O

O

R2

• 1988 Günther Wächtershäuser• Synthese an der Oberfläche von hydrothermalen

Quellen („Schwarze Raucher“)• Chemoautotropher Oberflächen-Metabolismus• Keine organischen Grundbausteine• Keine Translation • Zweidimensionale Monomolekulare Schicht• Anionischer Metabolismus auf kationischer Oberfläche

Eisen-Schwefel-Welt

• Relativ Hohe Temperaturen von ca. 100° C Kinetische Energie reicht trotz eingeschränkter Beweglichkeit um die EA

zu überwinden• Hohe Temperaturgradienten vorhanden

• Selektion durch Bindungsstärke und Hydrophobizität

• CO2 und CO als Kohlenstoff Quellen• Energie für Reduktion

• Bildung von Pyrit:

Eisen-Schwefel-Welt

FeS + H2S (aq) FeS2 + 2 H+ + 2 e-

FeS + H2S (aq) + CO2 (aq) FeS2 + H2O + HCOOH

• Möglicher Vorläufer zum Citrat-Zyklus

Citrat-Cyclus Eisen-Schwefel-Welt

Eisen-Schwefel-Welt

• Polymerisation• Aggregation der Monomere an der Festphase• Große Polyanionen haben höhere Bindungsstärke• Katalyse an Metallzentren

• Kritik• Synthese an hydrothermalen Quellen als Teil der

Ursuppentheorie• Keine Informationsspeicherung/Replikation• Kein Enantiomerenüberschuss

Eisen-Schwefel-Welt

• 1969 Murchison Meteorit• Enthält diverse organische Verbindungen, darunter 90 Aminosäuren• Überwiegend leichter Überschuss von L-Aminosäuren bis zu 15 %

• Unterschiedliche Absorptionskoeffizienten bei Enantiomeren für zirkular polarisiertes Licht Unterschiedlich schneller Zerfall durch zirkular polarisierte UV-Strahlung• Vermutlich wir polarisierter UV-Strahlung bei der Entstehung von

Sternen frei

Extraterrestrischer Einfluss

• 2009 künstliche Herstellung eines Kometen• CO, CO2, MeOH, NH3, H2O (Vorkommen in interstellaren Molekülwolken)

• 12 K, 10-7 mbar, Bestrahlung mit = 120 – 180 nm• Fund von 16 Aminosäuren, auch nach veränderten Versuchsbedingungen• Darunter auch Diaminosäuren Bausteine für PNS• 2014 Rosetta-Mission

• Bestrahlen von Aminosäuren mit „chiralem Licht“• Synchrotron-Zentrum SOLEIL• Entantiomerenüberschuss von bis zu 2,6 %

Extraterrestrischer Einfluss

• Häufige Meteoriteneinschläge von 4 – 4,2 Ga• Hydrolyse der molekularen Bausteine• Adsorption an Mineralien Ausreichende Konzentration für

Polykondensation

• Kritik• Zerfall der Aminosäuren durch den Aufprall• Auslagerung der Problematik

Extraterrestrischer Einfluss

• Indizierung eines leichten Enantiomerenüberschuss• Durch zirkular polarisiertes Licht• Statistischer Überschuss ee = (n1/2)/n

• Entiomerenreine Verbindung durch Autokatalyse• Geringer Enantiomerenüberschuss reicht für Autokatalyse• Auch mit statistischer Fluktuation von ee = 0,00005 % möglich

Chirale Autokatalyse

• Anreicherung von ee bei Kristallisation• Bei Konglomeraten 1:1 (+) und (-) Kristalle• Durch Rühren bei Kristallisation bis zu 80 % ee• Bei vorhandenem Enatiomerenüberschuss bevorzugte Keimbildung

Kristallisation von bis zu 100 % ee

Chirale Autokatalyse

“As we emphasized in our Perspective, regardless of what Wächtershäuser may speculate, it is unlikely that life could have evolved into modern biochemistry in the absence of a genetic replication mechanism to ensure the stability, survival, and diversification of its basic components.” ANTONIO LAZCANO AND JEFFREY L. BADA, 2002 [6]

“The “prebiotic soup theory” claims a protracted, mechanistically obscure self-organization in a cold, primitive ocean, in which organic compounds accumulated over thousands or millions of years.” GÜNTER WÄCHTERSHÄUSER AND CLAUDIA HUBER, 2007 [7]

Zusammenfassung

• Ungewissheit der Urbedingungen• Verschiedene Ansätze zur Entstehung der

Grundbausteine• Ursuppentheorie: hohe Konzentration für

Polymerisation erforderlich• Vorstufe des Lebens an Eisen-Schwefel-

Oberflächen ?• Chiralität als statistisches Produkt oder induziert

durch Weltraumstrahlung

Zusammenfassung

[1] J. L. Bada, Earth and Planetary Science Letters 2004, 226, 1-15. [2] J. F. Kasting, Nature 2010, 464, 687-689. [3] S. L. Miller, Science 1953, 117, 528-529. [4] S. Miyakawa, H. Yamanashi, K. Kobayashi, H. J. Cleaves, S. L. Miller, PNAS 2002, 99, 14628-14631 [5] A. P. Johnson, H. J. Cleaves, J. P. Dworkin, D. P. Glavin, A. Lazcano, J. L. Bada, Science, 2008, 322,

404.• [6] G. Wächtershäuser, A. Lazcano, J. L. Bada, Science 2002, 298, 747-749. [7] G. Wächtershäuser, C. Huber, Antonio Lazcano, Jeffrey L. Bada, B. Fegley Jr., S. L. Miller, H. J.

Cleaves, R. M. Hazen, J. Chalmers, Science 2007, 298, 747-749. [8] C. Huber, W. Eisenreich, G. Wächtershäuser, Tetrahedron Letters 2010, 51, 1069-1071. [9] G. Wächtershäuser, Microbiol. Rev. 1988, 52, 452-484. [10] G. Wächtershäuser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 200-204. [11] J. Bailey, Acta Astronautica 2000, 46, 627-631 [12] M. Bertrand, S. van der Gaast, F. Vilas, F. Hörz, G. Haynes, A. Chabin, A. Brack, F. Westall,

Anstrobiology, 2009, 9, 943-951. [13] T. Kawasaki, M. Sato, S. Ishiguro, T. Saito, Y. Morishita, I. Sato, H. Nishino, Y. Inoue, K. Soai, J. Am.

Chem. Soc., 2005, 127, 3274-3275. [14] M. Avalos, R. Babiano, P. Cintas, J. L. Jiménez, J. C. Palacios, Royal Soc. Of Chem. 2000, 887-892. [15] U. J. Meierhenrich, Chem. Unserer Zeit 2009, 43, 204-209. [16] G. Kreisel, C. Wolf, W. Weigand, M. Dörr, Chem. Unserer Zeit 2003, 37, 306-313. [17] M. Groß, Chem. Unserer Zeit 2006, 40, 8-10. [18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a3/Miller-Urey-Experiment.png

Literatur

Danke für die Aufmerksamkeit!

• Paradoxon der schwachen Sonne• Ca. 30 % geringere Strahlungsleiste als heute• Trotzdem flüssiges H2O vorhanden

• Lösungsvorschlag • Treibhauseffekt von CO2, NH3, CH4 und H2O • Untersuchungen an Gesteinsschichten und • Meeressedimenten widersprüchlich

• Zerfall von NH3

• Erklärung für die Vereisung vor 2,45 Milliarden Jahren

Urbedingungen

2 NH3h

3 H2 +N2

• Strecker Synthese

Ursuppen-Theorie