Pumice as a remarkable Substrate for the Origin of Life

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1 Pumice as a remarkable Substrate for the Origin of Life Hypothesis Article by Martin D. Brasier Sean McMahon David Wacey Astrobiology Vol.11, No.7 (2007), pp

2 Bimsstein als bemerkenswerter Träger für die Entstehung des Lebens Zitiert nach der Hypothese von M.Brasier Kernaussagen der Hypothese: Es gibt wenig Einigkeit wie sich die ersten Zellen in einer vorbiologischen Welt gebildet haben. Primitives Leben benötigt geschlossene Räume, wie im Bims vorhanden, in denen sich Reaktanden sammeln können und Osmose chemische Energie aufbauen und speichern kann. Es gibt Protonen-Pumpen zwischen den abgeschlossenen Blasen im Bims, die eine Energiedifferenz aufbauen. Ölige Filme (Lipide) werden durch Fischer-Tropsch Reaktion gebildet und schwimmen zusammen mit Bims auf dem Meer Zur Energiespeicherung wird ATP benötigt, ebenso für die Bildung informationsreicher Polymerer wie Proteinen und rrna. 2

3 Bimsstein Bims ( lat. Pumex, daher engl. pumice ) ist ein poröses, glasiges Vulkangestein, dessen Dichte d<1 ist. Bims entsteht durch gasreiche vulkanische Eruptionen, bei denen Lava durch H 2 O und CO 2 aufgeschäumt wird. Stark ausgeprägt war die Nutzung von Bims seit frühester Zeit in Kreta, wo das Meer ständig Bims seit dem 16.Jahrh.v.Chr. vor allem von Santorin her anschwemmt. Original Bimsstein von Santorini (Quelle: Wiki) 3

4 Hypothese M.Brasier Ich stelle mir vor, dass nach einem Vulkanausbruch riesige Bimssteinflöße jahrzehntelang auf dem Meer trieben, wo sie Eisen und Phosphor aufsaugten.....außerdem bildeten sich in den Gesteinsporen Überzüge etwa aus Zeolithen, in denen Reaktionen zu organischen Verbindungen ablaufen können. der Bimsstein saugt diese organischen Verbindungen auf, die in seinen Poren Überzüge bilden. Sie wirken fast wie eine Zellwand." wir sehen also, dass in den Poren des Bimssteins alles zusammenkommt - und genau deshalb könnte er uns bei der Frage nach dem Ursprung des Lebens weiterbringen." 4

5 Hypothese M.Brasier (a) 1. Eruptionsphase 2. Frühe Schwimmphase 3. Späte Schwimmphase mit Denitrifikation 4. Besiedlung des Meeresbodens 5. Seichtwasserphase (b) Verbundene Gesteinsbläschen in Bims (c) Geplatzte Bläschenwände in Bims, wo geschmolzener Gesteinsfilm sich zu dünnen Häuten gezogen hat, bevor er zerreißt. Mabstäbe(weiß) für (b) und (c)=100 µm 5

6 Hypothese M.Brasier L = primordiale Lipidfilme Rote Röhre = Osmotischer Gradient pumpt H + und speichert chem.energie UV geschützt Wärmedämmung 6

7 Zusammenfassung der Hypothese Zitiert nach dem Artikel von M.Brasier schwimmende und gelandete Flöße von Bimsstein stellen einen bemerkenswerten Ort zur Synthese organischer Verbindungen dar... diese Moleküle könnten als Vorläufer zu heutigen biochemischen Reaktionen geführt haben die Bläschennatur des Bimssteins erlaubte Abgrenzung und bot ein Gerüst für organische Filme und chemiosmotische Membranen. Metalle und Organometallverbindungen, Zeolithe und Tonerden in den Bimssteinbläschen könnten als Katalysatoren gedient haben man könnte somit Bimssteinbläschen als Träger der ersten Zellstrukturen auf Erden bezeichnen 7

8 Ich erlaube mir, meine Sicht der Entwicklungsgeschichte darzustellen: 8

9 Hydrothermale Öffnung in der Ozeankruste Russell M.J., Hall A.J. Pumice and Mellersh and thea.r., Origin (2003), of life 9

10 Öffnung der Meereskruste im Detail nach: Martin W. (2008) 10

11 Hydrothermal vents, Black and white smokers 11

12 Membranprozess Chemiosmose nach Russell M.J. et al Elektrochemischer Prozess an der FeS Membran Angetrieben durch die ph-differenz Meerwasser / hydrothermales Wasser findet ein Redox-Prozess statt, in dem H 2 oxidiert wird, Elektronen gehen auf Fe III über Die Redoxenergie wird zu weiteren Reaktionen verwendet z.b. CO und/oder CO 2 werden mit aktiviertem H* zu organischen Verbindungen umgesetzt 12

13 Entwicklung von porösen Metallsulfid-Bläschen zu geschlossenen Zellen vor etwa 3,8 Ga (nach: Allen, 2010) nach: Allen 2010 A. Fluß der alkalischen hydrothermalen Flüssigkeit durch ein poröses Metallsufidbläschen in den sauren Ozean. B. Die Bläschenwand beginnt einen H + - Gradienten aufzubauen mit einer Potentialdiffferenz: positiv (P- Phase) außen; negativ (N-phase) innen. C. Die Porosität nimmt weiter ab, es bildet sich eine Protozelle. D. Das Bläschen hat einen Transportmechanismus für organische Substanzen entwickelt, eine organische Barriere verhindert H + -Einfluß, ein aktiver H + - Ausfluß erhält die chem. Energie (nach Nernst: G=R T {(ln[h + ]innen ln[h + ]außen)} 13 C = symbolisiert den Kohlenstoffzyklus

14 Entwicklung von porösen Metallsulfid-Bläschen zu geschlossenen Zellen vor etwa 3,8 Ga (Russell M.J., Hall A.J. and Mellersh A.R., 2003) Wie aus FeS-Membranen als (photo)-elektrochemische Reaktoren die nächste Membrangeneration entstand ( nach Russell M.J. et al und Wächtershäuser 2006 ): Aus phosphorylierten Proteinen entstehenblasenmittels hydraulischem Druck aus den Krustenöffnungen. Osmotischer Druck baut die Blasen weiter aus. Peptide werden mit Fe 4 S 4 ]- Zentren vernetzt, die als Prä- Enzyme und Ferredoxin Vorläufer weitere Reaktionen bis hin zu rrna durchführen werden. 14

15 Biosphäre vor etwa 3,5 Ga (Archaean) die Lebensgräume und ihre chemischen Produkte: Nisbeth ) hyperthermophile Biofilme und Matten, 2) Anoxygene Photosynthetische Matten, 3) Photosynthetische Matten und Stromatoliten, 4) Offener Ozean 15

16 Benutzte Literatur: Brasier M.D. et al.(2007), Pumice as a remarkable Substrate for the Origin of Life, Astrobiology Vol.11, No.7 (2007), pp Allen J.F., (2010), Redox homeostasis in the emergence of life on the onstant internal environment of nascent living cells, Journ.of Cosmology,Vol.10, p Nisbet E. and Fowler C.M.R. (2011), The evolution of the atmosphere in the archaean and early proterozoic. Chinese Sci. Bull, Vol.56, pp Russell M.J., Hall A.J. and Mellersh A.R., (2003), On the dissipation of thermal and chemical energies on the early Earth, in : Ikan R., ed.: Natural and laboratory-simulated thermal geochemical processes, Dordrecht, Kluwer Academic Publishers, pp Martin W. (2008), Hydrothermal vents and the origin of life, nature reviews, microbiology Vol.6, pp Lunine J. (2011), 41st Saas Fee Course From planets to life, April