Das Miller-Urey- Experiment

Transkript

1 Das Miller-Urey- Experiment

2 Übersicht Chemische Evolution Wie ist das Leben entstanden? - Bedingungen RNA oder Aminosäuren? Das Experiment ISS Titan

3 Chemische Evolution Hauptbestandteile der Zellen: DNA & RNA Aminosäuren (AS) Ansatz: vor 3,8 Mrd. Jahren Erste fossile Zellen: 3,5 Mrd. Jahre alt Atmosphäre: 50er Jahre: reduzierende Atmosphäre Wasserstoff (H 2 ) Methan (CH 4 ) Ammoniak (NH 3 ) Kohlendioxid (CO 2 ) Heute: Fast kein Wasserstoff Kohlendioxid (CO 2 ) Stickstoff (N 2 ) Schwefeldioxid (SO 2 ) bzw. Schwefelwasserstoff

4 Chemische Evolution Oberfläche: Ton-Minerale Ozeane / Ursuppe Kochend heiß Organische & anorganische lösliche Stoffe Salze, Mineralien Hoher Luftdruck Keine Ozonschicht Sonne kühler, aber Treibhauseffekt

5 Chemische Evolution RNA / DNA: Nukleinbasen Zucker Phosphorsäure

6 Chemische Evolution RNA / DNA: Nukleinbasen Zucker Phosphorsäure

7 Chemische Evolution RNA / DNA: Nukleinbasen Zucker Phosphorsäure

8 Chemische Evolution

9 Chemische Evolution Proteine 20 proteinogene Aminosäuren Gleiche Grundstruktur Carboxygruppe (-COOH) Aminogruppe (-NH 2 ) Einteilung anhand der Polaritäten der Seitenketten

10 Chemische Evolution Proteinogene Aminosäuren α-aminosäuren (Position der Aminogruppe) Kohlenstoffatom ist asymmetrisches Zentrum chiral, 2 Entantiomere (außer Glycin) Die meisten haben L-Konfiguration (D)

11 Chemische Evolution Was entstand zuerst? RNA: Phosphat wäre solide (schwerere Metall-Ionen) NaCl würde Polynukleotide zersetzen UV-Strahlung schädlich Aminosäure: Unempfindlich gegenüber UV-Strahlen Stabil gegen Salz Ton-Minerale verhindern Hydrolyse

12 Chemische Evolution Oparin: genes-last-model 80er: reproduzierende Peptide Primitive Organismen ersetzt Von ein- bis mehrzelligen Organismen: 2 bis 2,5 Mrd. Jahre Änderung der Mechanismen des Lebens Kambrische Explosion der Spezies (vor ca. 500 Mio. Jahren) Nukleinsäure zu komplex, erst in spätem Stadium entstanden

13 Das Experiment 1: kochendes Wasser (200 ml) 2: Gaszufuhr Methan (CH 4 ) Ammoniak (NH 3 ) Wasserstoff (H 2 ) 3: Elektroden 4: Kühlung 5: U-förmige Falle

14 Das Experiment Basis lieferte Urey 1 Woche rot/braun Aminosäure & organische Moleküle Glycin α-alanin β-alanin Teer

15 Das Experiment Primärprodukte: Blausäure Formaldehyde Weitere Aldehyde Sekundärprodukte: Aminosäuren Blausäure Aldehyde

16 Das Experiment Neue Annahmen: Kohlendioxid (CO 2 ) statt Methan (CH 4 ) Stickstoff (N 2 ) statt Ammoniak (NH 3 ) Kaum Wasserstoff Neuere Versuche: keine organischen Substanzen Nach Millers Tod 2007: Fläschchen mit trockenen Überresten Zwei weitere Experimente 1953

17 Das Experiment Unterschiede: Zusätzliche Dampf- & Gaszufuhr Stille elektrische Entladung Simulierte Blitze in dampfreicher Vulkanischer Eruption Miller identifizierte fünf Aminosäuren und einige Unbekannte Neue Analyse: 22 Aminosäuren und 5 Amine im vulkanischen Experiment (OH-Radikale) Geringere Vielfalt von AS

18 Das Experiment 2004: Experiment mit neutraler Atmosphäre: Kohlendioxid, Stickstoff & Wasserdampf, 80 C Große Anzahl an organischen Bindungen und einige AS nach einigen Wochen Auch kompliziertere Moleküle

19 Das Experiment

20 ISS-Mission ESA, ca. 3 Mio Können Bausteine organischer Substanzen im Weltraum gebildet werden? Staubscheibe: Gase entsprechen Millers Annahme, Staub & Eis Simulation: Schwerelosigkeit, niedrige Temperatur (-5 oder tiefer), Silikatpartikel mit Eis, Hochspannungsentladungsstrecke 2 Gasmischungen: Wasserstoff (20%), Methan (40%), Ammoniak (20%) Wasserstoff (60%), Kohlenmonoxid (20%), Stickstoff (20%)

21 ISS-Mission Analyse auf der Erde Piezo-Element ( Schüttler ) Peltier-Element

22

23 ISS-Mission 70 mm 3 hochreines Wasser +20 C Druck steigt von 10 mbar auf 14 mbar Wasser gefriert auf Partikel 5 mm Abstand zwischen den Elektroden Spannung: 1300 V Strom: 100 μa

24 ISS-Mission 200 Stunden Betriebszeit Automatischer Experimentablauf

25 ISS-Mission Rücktransport: Passive Kühlung, (48 h) Flight Readiness Review Q2/2011

26 Titan Vorraussetzungen für Blitzentladungen Sauerstoff aus Eis Zeigen, dass mit Sauerstoff angereicherte Bindungen entstehen können Stickstoff & Methan über Eisfläche Hauptsächlich Kohlenwasserstoffe, in Eis absorbiert

27 Quellen Rode M.; The first steps of chemical evolution towards the origin of life, Chemistry & Biodiversity, 2007 Miller S. L., A Production of Amino Acids Under Possible Primitve earth Conditions, Science, 1953 De Duve C., Aus Staub geboren Johnson A. P. et al., The Miller Volcanic Spark Discharge Experiment, Science, 2008 Koudelka O., Das Miller-Urey Experiment an Bord der Internationalen Raumstation ISS, TU Graz, Joanneum Research, 2010 GEO kompakt Nr.1, Die Geburt der Erde Schwister K., Taschenbuch der Chemie Plankensteiner K., Discharge Experiments Simulating Chemical Evolution on the Surface of Titan, Icarus, 2007