FRÜHE LEBENSFORMEN. F. Simmler

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1 FRÜHE LEBENSFORMEN F. Simmler

2 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 2 Was heisst eigentlich "Leben"?

3 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 3 Was heisst eigentlich "Leben"?

4 Was heisst eigentlich Leben? Grundeinheit des Lebens ist die Zelle. Trotz ihrer riesigen Vielfalt haben alle Lebewesen gemeinsame Eigenschaften : sie synthetisieren lebenswichtige Moleküle und betreiben Stoffwechsel sie gewinnen und verbrauchen Energie sie besitzen Katalysatoren : die Enzyme sie sind gegenüber ihrer Umgebung durch eine Zellwand isoliert sie besitzen einen Bauplan sie können sich vermehren. 4 Was heisst eigentlich "Leben"?

5 Lebenswichtige Moleküle Alle Zellen enthalten Makromoleküle (sehr grosse komplexe Moleküle) die aus Tausenden bis Millionen von Atomen bestehen. Es gibt drei Klassen: Proteine (Eiweisse) Nucleinsäuren : DNA und RNA Kohlehydrate Diese Makromoleküle sind aus kleinen Bausteinen zusammengesetzt : Proteine (Eiweisse) aus Aminosäuren (20) Nucleinsäuren DNA und RNA aus Nucleotiden (je 4) DNA : A,T,G,C RNA : A,U,G,C Kohlehydrate aus einzelnen Zuckern Ferner enthalten die Zellen Lipide (Fette) 5 Was heisst eigentlich "Leben"?

6 Synthese der lebenswichtigen Moleküle Einfache anorganische Substanzen : Wasser, Kohlendioxid (CO 2 ), Nitrat (NO 3 - ), Sulfat (SO ), Spurenelemente Kleine organischen Moleküle, Molekülbausteine : Aminosäuren, Zucker, Nucleotide, Lipide Makromoleküle : Proteine (Eiweisse), Nucleinsäuren (DNA und RNA), Kohlehydrate 6 Was heisst eigentlich "Leben"?

7 Stoffwechsel und Energieverbrauch Grüne Pflanzen und manche Bakterien können alle nötigen Moleküle aus anorganischen Substanzen selbst aufbauen. Sie benötigen dazu Sonnenenergie. (Photosynthese) Tiere, Pilze und manche Einzeller sind auf Bausteine und Nährstoffe (Proteine, Kohlenhydrate etc.) angewiesen, die von Pflanzen hergestellt worden sind. (Atmung) 7 Was heisst eigentlich "Leben"?

8 Katalyse chemischer Reaktionen Katalysatoren beschleunigen eine chemische Reaktion (ohne dabei verbraucht zu werden). Die Zelle enthält hochwirksame Katalysatoren : die Enzyme. Die meisten gehören zur Klasse der Eiweisse, einige zur RNA. Ohne Enzyme würden die lebenswichtigen Reaktionen im Stoffwechsel viel zu langsam ablaufen! 8 Was heisst eigentlich "Leben"?

9 Isolierung gegenüber der Umgebung (Zellwand) Zellen sind durch eine Zellmembran von der Umgebung isoliert. Diese besteht aus einer Doppelschicht von Lipiden (Fetten). 9 Was heisst eigentlich "Leben"?

10 Bauplan und Information Die Zelle enthält einen Bauplan, der es ihr ermöglicht, ihre Bestandteile immer genau gleich zu replizieren. Der Bauplan für die Proteine ist in der DNA festgelegt ( codiert ). Die Reihenfolge der Bausteine A,T,C und G enthält die Information. Die DNA kann sich selbst identisch verdoppeln. DNA RNA Proteine DNA Transkription Translation Replikation 10 Was heisst eigentlich "Leben"?

11 Vermehrung Zellen können sich teilen und zwei identische Tochterzellen bilden. Lebewesen haben die Fähigkeit, sich zu vermehren und Nachkommen mit den gleichen Eigenschaften erzeugen. 11 Was heisst eigentlich "Leben"?

12 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 12 Prokaryonten und Eukaryonten

13 Heutige Lebewesen: Prokaryonten und Eukaryonten Prokaryonten : Archaebakterien Eubakterien Eukaryonten : Pflanzen Tiere Pilze Protisten (Einzeller) 13 Prokaryonten und Eukaryonten

14 Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten Grösse der Zelle Prokaryonten einzellig Ø einige µm Eukaryonten einzellig oder vielzellig, viele Gewebetypen Ø µm Struktur der Zelle Genom Energiegewinnung 14 Zelle nicht unterteilt 1 ringförmiges Chromosom ohne Kernmembran Viele Reaktionen Prokaryonten und Eukaryonten Zelle unterteilt, viele Organellen Viele Chromosomen, abgegrenzter Kern Oxidation von Nährstoffen mit Sauerstoff (Atmung)

15 Prokaryontenzelle 15 Prokaryonten und Eukaryonten

16 Eukaryontenzelle 16 Prokaryonten und Eukaryonten

17 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 17 Die Vorläufer

18 Die Vorläufer Molekülbausteine entstehen nicht nur in einer lebenden Zelle! Sie können sich unter Bedingungen, wie sie auf der frühen Erde herrschten, spontan bilden ( abiotisch oder präbiotisch ). Anreicherung im Ur-Ozean : Ursuppe. Sie sind auch im Weltraum vorhanden : viele Moleküle, darunter auch Bausteine von Makromolekülen, wurden mittels Infrarot-und Massenspektrometrie nachgewiesen : in Kometen in Meteoriten in kosmischem Staub in Dunkelwolken 18 Die Vorläufer

19 Miller-Urey-Experiment (1953) St. Miller + H. Urey simulierten die Vorgänge in der frühen Erdatmosphäre : Methan, Wasserstoff, Wasser, Ammoniak elektrische Entladungen Hitze Nach einer Woche fanden sie im Auffangrohr u.a. : Mehrere Aminosäuren Adenin Essigsäure Milchsäure Harnstoff 19 Die Vorläufer

20 Die Vorläufer : Moleküle im Weltraum 20 Die Vorläufer

21 RNA : vielleicht das erste Makromolekül Manche RNA-Moleküle können ihre eigene Spaltung und Verknüpfung katalysieren ; diese RNA hat also die Eigenschaften eines Enzyms ( Ribozyme, 1982). Man vermutet, dass RNA der älteste Träger der genetischen Information sein könnte. ( RNA-Welt ). In den heutigen Zellen hat RNA andere Aufgaben. 21 Die Vorläufer

22 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 22 Die Entstehung der ersten Zelle

23 Die Entstehung der ersten Zelle Wie die erste Zelle entstanden ist, weiss man nicht! Molekülbausteine (Aminosäuren, RNA, Lipide, Kohlehydrate etc) erste Prokaryontenzelle Knackpunkte : Selbstorganisation Vermehrung????? Händigkeit der Aminosäuren und Zucker 23 Die Entstehung der ersten Zelle

24 Die Entstehung der ersten Zelle 2 Hypothesen : Panspermie : das Leben ist ausserirdischen Ursprungs und ist auf einem Kometen oder Meteoriten auf die Erde gekommen. Biosepsis : das Leben ist aus Vorläufermolekülen im Laufe der Zeit auf der Erde entstanden. 24 Die Entstehung der ersten Zelle

25 Panspermie -Hypothese : dagegen : Äusserst lebensfeindliche Bedingungen im Weltraum und beim Transfer: Hitze Kälte Hochvakuum Kosmische Strahlung UV-Strahlung usw. Zeiträume dafür : Manche Bakterien sind sehr widerstandsfähig Neuere Simulationsexperimente verschiedener Arbeitsgruppen zeigen, dass Bakterien bei diesen Bedingungen teilweise überleben können 25 Die Entstehung der ersten Zelle

26 Biosepsis -Hypothese : Bedingungen für die Entstehung einer Zelle: Reduzierende Atmosphäre (d.h. ohne freien Sauerstoff) Temperatur im Bereich von ca C Schutz vor UV-Strahlung Wasser Molekülbausteine ( Ursuppe ) Spurenelemente Mineralien als Katalysatoren..und viel, viel Zeit Es gibt zahlreiche Varianten ; sie unterscheiden sich in den Zwischenschritten vom Molekülbaustein zur Zelle. 26 Die Entstehung der ersten Zelle

27 Kometenstaub als Starterkit? Manche Wissenschafter nehmen an, dass einige Vorläufer aus dem Weltall dazu gekommen sind. Diese Hypothese stützt sich darauf, dass in Kometen, Meteoriten und interstellaren Staubteilchen Vorläufersubstanzen und Molekülbausteine nachgewiesen wurden. Beim Kontakt mit Wasser auf der Erde könnten Fettsäuren, Nucleotide, Zucker und Aminosäuren entstehen. Die Staubteilchen bilden von einer Fettsäuremembran umhüllte Reaktionskammern, in denen die Moleküle miteinander reagieren können. 27 Die Entstehung der ersten Zelle

28 Kometenstaub als Starterkit? 28 Die Entstehung der ersten Zelle

29 Die Rolle der Gesteine Es gibt gute Argumente dafür, dass manche Mineralien auf der Erde bei der Bildung der Molekülbausteine und vielleicht bei der Organisation der ersten Zelle eine Helferrolle gespielt haben könnten : als Katalysatoren (Tonmineralien) als Reaktionskammern und -plattformen als Bestandteile (viele Enzyme enthalten Metalle) möglicherweise bei der Auswahl von L-Aminosäuren (Calcit?) 29 Die Entstehung der ersten Zelle

30 Seit wann gibt es Leben auf der Erde? Ein umstrittenes Thema. Die ersten Lebewesen waren Prokaryonten. Problem : keine harten Strukturen wie Skelette, Panzer oder Schalen, die hätten versteinern können. Die Erdkruste ist im Lauf der Zeit durch vielfache Prozesse immer wieder umgeformt worden. Was bleibt von einer 3 Mia Jahre alten Zelle übrig?? Als Biosignaturen, also Beweise für einen biologischen Ursprung gelten u.a.: Isotopeneffekte (Verhältnis C-12/C-13); älteste Funde: Isua (Grönland), 3.7 Mia Jahre Mikrofossilien: versteinerte Überreste von Zellen ; älteste Funde: Australien, 3.5 Mia Jahre. Stromatolithen: versteinerte Überreste von Bakterienkolonien; älteste Funde : Australien, 3.5 Mia Jahre. 30 Die Entstehung der ersten Zelle

31 Biosignaturen: Isotopeneffekt Beispiel : Kohlenstoff Kohlenstoff (C) ist ein Gemisch von 2 stabilen Isotopen: C-12 und C-13. Im Durchschnitt sind es % C-12 und 1.11 % C-13. Bei der Assimilation von CO 2 mit Hilfe von Sonnenlicht (Photosynthese) reichern die Pflanzen das leichtere Isotop C-12 etwas an (Isotopeneffekt). Eine Anreicherung von C-12 wird als Biosignatur, d.h. als Beweis für eine biologische Herkunft gewertet. Aber : Isotopeneffekte gibt es bei allen chemischen Reaktionen und auch bei physikalischen Vorgängen. 31 Die Entstehung der ersten Zelle

32 Biosignaturen: Mikrofossilien 32 Die Entstehung der ersten Zelle

33 Biosignaturen: Stromatolithen 33 Die Entstehung der ersten Zelle

34 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 34 Wie ging es dann weiter?

35 Wie ging es dann weiter? Die ersten Lebewesen waren anaerobe Bakterien. (anaerob: sie benötigten keinen Sauerstoff) Zwei Innovationen waren für die weitere Entwicklung des Lebens von ausschlaggebender Bedeutung : 1. Die Photosynthese 2. Die Endosymbiose 35 Wie ging es dann weiter?

36 Zusammensetzung der Erdatmosphäre 36 Wie ging es dann weiter?

37 Die Photosynthese Am Anfang enthielt die Erdatmosphäre keinen Sauerstoff. Die ersten Lebewesen waren anaerobe Bakterien. Sie deckten ihren Energiebedarf mit einer Vielzahl von chemischen Reaktionen. Vor mindestens 2.7 Mia Jahren erfanden Cyanobakterien die Photosynthese: sie konnten jetzt die Sonnenenergie nutzen: eine unbegrenzte Energiequelle. 37 Wie ging es dann weiter?

38 Die Photosynthese: die Sonne als Energiequelle Die Photosynthese ermöglicht den Aufbau von Nährstoffen (z.b. Kohlehydraten) aus Wasser, Kohlendioxid und Spurenelementen mit Hilfe von Sonnenenergie ( Assimilation ). Als Nebenprodukt wird Sauerstoff frei. 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Zucker Sauerstoff 38 Wie ging es dann weiter?

39 Sauerstoff in der Erdatmosphäre: Umweltkatastrophe und bessere Energienutzung! Die Anreicherung von Sauerstoff in der Erdatmosphäre brachte eine radikale Änderung der Umweltbedingungen mit sich. Sauerstoff war für viele damalige Organismen ein Gift! Viele Arten starben aus oder zogen sich in sauerstoffreie Lebensräume zurück. Sauerstoff brachte aber auch grosse Vorteile: er ermöglichte eine gewaltige Verbesserung der Energienutzung! Bei der Oxidation von Nährstoffen mit Sauerstoff (auch Atmung genannt) wird mal mehr Energie gewonnen als bei anaeroben Prozessen. 39 Wie ging es dann weiter?

40 Stammbaum der Arten 40 Wie ging es dann weiter?

41 Endosymbiose Eukaryonten nahmen aerobe Bakterien als Zellgäste auf, die schliesslich zu Organellen, den Mitochondrien wurden. Sie konnten Nährstoffe mit Sauerstoff oxidieren und dadurch viel Energie gewinnen, von denen die Eukaryontenzelle profitierte. In einem zweiten Schritt nahmen andere Eukaryonten dazu noch photosynthetisch tätige Bakterien auf. Auch diese wurden im Laufe der Zeit zu Organellen, den Chloroplasten : in diesen findet die Photosynthese statt. Die Zellen konnten jetzt die Sonnenenergie nutzen ; aus ihnen entwickelten sich die grünen Pflanzen. Sie produzierten Nährstoffe im Überschuss. Erst die Nutzung der Sonnenenergie ermöglichte die Entwicklung vielzelliger Organismen in ihrer ganzen riesigen Vielfalt. 41 Wie ging es dann weiter?

42 Endosymbiose 42 Wie ging es dann weiter?

43 Stammbaum der Arten 43 Wie ging es dann weiter?

44 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 44 Beispiele extremer Lebensräume

45 Beispiele extremer Lebensräume In den letzten Jahrzehnten wurde entdeckt, dass Leben unter Bedingungen existieren kann, die man früher für absolut lebensfeindlich gehalten hatte. Die Bewohner dieser Lebensräume sind in der Mehrzahl Archaebakterien. Als Beispiele sollen dienen : Leben im Schwarzen Raucher und in heissen Quellen Leben im antarktischen Eis Leben im Tiefengestein 45 Beispiele extremer Lebensräume

46 Leben im Schwarzen Raucher : manche mögen s heiss! 1977 wurden auf dem Grund des Pazifiks in 2600 m Tiefe Quellen vulkanischen Ursprungs, die sogenannten Hydrothermalschlote, auch black smokers genannt, entdeckt. Sie stossen bis zu 350 C heisses, an Mineralien (Metallsulfiden) und Schwefelwasserstoff reiches Wasser aus. 46 Beispiele extremer Lebensräume

47 Leben im Schwarzen Raucher : manche mögen s heiss! Noch viel grösser war die Überraschung, als man bei ihnen blühende Lebensgemeinschaften mit Hunderten von Tierarten entdeckte : Röhrenwürmer (Bild), Krebse, Muscheln Die Lebensgrundlage für das System bilden Schwefelbakterien, die aus der Oxidation von Schwefelwasserstoff Energie gewinnen und damit Nährstoffe produzieren können. Sie zählen zu den hyperthermophilen Archaea. 47 Beispiele extremer Lebensräume

48 Andere Thermophile : Leben in heissen Quellen 48 Beispiele extremer Lebensräume

49 Leben im antarktischen Eis : Anpassung an extreme Kälte Zum Beispiel in einem Bohrkern vom Lake Bonney (Mc Murdo Valley, Antarktis) : das Eis ist mit Staubteilchen durchsetzt, um die sich im antarktischen Sommer Tröpfchen flüssigen Wassers bilden. Aus diesen wurde eine Gemeinschaft von Bakterien, hauptsächlich Cyanobakterien, isoliert. Diese gehören zu den Eubakterien und sind photoautotroph : ihre Energiequelle ist das Sonnenlicht. Sie überleben Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. 49 Beispiele extremer Lebensräume

50 Leben im antarktischen Eis : Anpassung an extreme Kälte Links : Ausschnitt aus einer Eisprobe mit Bakterien und Algen Rechts : daraus isolierte Cyanobakterien 50 Beispiele extremer Lebensräume

51 Leben im Tiefengestein : eine Diät aus Stein und Wasser Schon vor Jahrzehnten war aufgefallen, dass Grundwasser und Bohrproben aus Ölfeldern Bakterien enthielten. Inzwischen wurden in vielen Gesteinen Bakteriengemeinschaften entdeckt und untersucht. Sie leben in den Gesteinsporen, manche vielleicht seit Jahrtausenden oder sogar Jahrmillionen, und können ihren Stoffwechsel reduzieren, wenn wenig Nahrung zur Verfügung steht. Viele gehören zu den Methanbildnern, einem Zweig der Archaea. 51 Beispiele extremer Lebensräume

52 Leben im Tiefengestein : eine Diät aus Stein und Wasser Zum Beispiel Methanbildner: Durch Oxidation von Eisen (Fe +2 zu Fe +3) wird Wasser zu Wasserstoff reduziert. Methanbildner erzeugen aus Wasserstoff und Kohlendioxid Methan (CH 4 ) und Wasser und gewinnen damit Energie. 52 Beispiele extremer Lebensräume

53 Bei welchen Temperaturen ist Leben noch möglich? 53 Beispiele extremer Lebensräume

54 Nobelpreis für Medizin 2005 Die australischen Gastroenterologen Barry Marshall (links) und Robin Warren erhalten den Nobelpreis für ihre Entdeckung von Helicobacter pylori, dem Erreger des Magengeschwürs. H. pylori lebt bei ph 1! 54 Beispiele extremer Lebensräume

55 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 55 Was heisst eigentlich "Leben"?

56 Leben auf anderen Himmelskörpern? Die Voraussetzungen für Leben, so wie wir es kennen (beruhend auf der Chemie des Kohlenstoffs) wären : Elemente C,H,O,N,S,P, verschiedene Metalle Flüssiges Wasser Temperaturen im Bereich von ca C Reduzierende (sauerstoffreie) Atmosphäre Schutz vor UV-Strahlung Es ist nicht auszuschliessen, dass von unserer völlig verschiedene Formen von Leben existieren könnten, die wir vielleicht erst gar nicht als solche erkennen. (Si anstelle von C?) 56 Was heisst eigentlich "Leben"?

57 ÜBERSICHT 1. Was heisst eigentlich Leben? 2. Heutige Lebewesen : Prokaryonten und Eukaryonten 3. Die Vorläufer 4. Die Entstehung der ersten Zelle 5. Wie ging es dann weiter? 6. Beispiele extremer Lebensräume 7. Leben auf anderen Himmelskörpern? 8. Zusammenfassung 57 Zusammenfassung

58 Zusammenfassung Das Leben auf der Erde ist möglicherweise 3.5 Mia Jahre alt. Die ersten Lebewesen waren vermutlich anaerobe Bakterien, Verwandte der heutigen Archaea. Die Molekülbausteine bildeten sich abiotisch auf der frühen Erde oder kamen aus dem Weltraum. Man weiss nicht, wie die erste Zelle entstanden ist! In den letzten Jahrzehnten entdeckte man viele extreme Lebensräume und ihre Bewohner. Dies liess die Frage nach Leben im Weltraum in einem neuen Licht erscheinen. Mit Überraschungen ist auch in Zukunft zu rechnen! 58 Zusammenfassung

59 Literatur 1. Michael Gross : Exzentriker des Lebens Spektrum Verlag Gerda Horneck, Christa Baumstark (ed): Astrobiology Springer, 2002 ISBN: (vergriffen) Bestellnummer der ETH-Bibliothek: PHY Spektrum der Wissenschaft Dossier: Leben im All Dossier 3/ S. Simpson : Wie alt sind die ersten Lebensspuren? Spektrum der Wissenschaft, April J.Kissel, F. Krueger : Urzeugung aus Kometenstaub? Spektrum der Wissenschaft, Mai M.Bernstein, S.Sandford, L. Allamandola : Kamen die Zutaten der Ursuppe aus dem All? Spektrum der Wissenschaft, Oktober R.M. Hazen : Der steinige Weg zum Leben Spektrum der Wissenschaft, Juni Literatur