wie das Leben (vielleicht) begann Photosynthese Präsentation im Seminar Astrobiologie R.Pohl 25.Jänner 2012

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1 wie das Leben (vielleicht) begann Photosynthese Präsentation im Seminar Astrobiologie R.Pohl 25.Jänner 2012

2 Photosynthese Inhaltsangabe Entwicklungsgeschichte der Photosynthese Die geo-biologische Uhr der Erde Frühe Bioformen (Hypothese LUCA) Problem der schwachen Sonne Elektrochemische Modell der frühen Erde Übergang von Chemotropie zu Phototropie Entwicklung der Atmosphäre Anoxygene und oxygene Photosynthese Mechanismen der Photosynthesen Eine Gegenüberstellung: Gemeinsamkeiten und Unterschiede Energiebilanzen Mikroorganismen der jeweiligen Photosynthesetypen Zusammenfassung und Ausblick R.Pohl "Photosynthese"

3 Die geo-biologische Uhr der Erde from: Des Marais, NASA Ames Res., 2000 R.Pohl "Photosynthese"

4 Aus:New Perspectives on Evolution, Woese C., Nasa astrobiology, 2003 LUCA? R.Pohl "Photosynthese"

5 Das Problem der schwachen Sonne Die frühe Erde I Die frühe Sonne hatte nur etwa 70% der heutigen Leuchtkraft λ max. auf der Erde : nm a) Aufteilung Land. /. Meer b) Oberflächen Albedo c) Durchschnitt planetarer Albedo d) Oberflächentemperaturen - Blau: heutige Werte 375 ppm CO 2 und 1,7 ppm CH 4 20 µm(,,,), 12 µm ( -- ) Wassertropfengröße in Wolken - Grün: jeweils 900ppm CO 2 and CH 4 20 and 30 µm Tropfen R.Pohl "Photosynthese" From: Rosing M., Bird D. et al.,nature letters, Vol 464, April 2010

6 Elektrochemisches Analogon Die frühe Erde II Fe(OH) 3 /FeCO 3 = +0,2 V Energy calculation: G 0 = -z*f* E 0 CO 2 HCHO (organic matter) Photon energy Transformation e.g. by: Fe 2 S 2 + hν Fe 4 S 4 Fe 2 S 2 + E Chem. from: Russell, Hall, Mellersh, Chemical energies on early earth, Kluwer publ., 2006 R.Pohl "Photosynthese"

7 Chemotropie / Phototropie Die frühe Erde III Eine riesige elektrische Zelle generiert chemosynthetische Reaktionen ( Leben?) Es folgt, warum auch immer, ein makroevolutionärer Sprung Chemosynthese Photosynthese Die gebrauchten Energietransfersysteme wie Eisen, Schwefel, HS-Verbindungen und einfache Schwefel-ether verbleiben jedoch Bei den ersten Mikroorganismen verbleibt auch die Schwelelatmung und Methanogenese. R.Pohl "Photosynthese"

8 Entwicklung des Sauerstoffgehalts der Atmosphäre Die frühe Erde VI 1 ( Ga): fast kein O 2 in der Atmosphäre 2 ( Ga): O 2 zwar gebildet, aber absorbiert im Meer 3 ( ( Ga): O 2 gast aus dem Meer, wird aber absorbiert von Mineralien und bildet Ozon Schicht 4 & 5 (0.85 present): O 2 Gehalt wird ständig größer: Plankton, große Wälder. Später absorbiert die Tiefsee Source:H.Holland, The oxyganation of atmosphere and oceans, Phil. Trans. R. Soc. B , R.Pohl "Photosynthese"

9 Photosynthese Allgemeines Fliessbild Light Energy Licht Energie Chemische- Bindungsenergie zu z.b. Kohlenhydraten Antennen System Reaktions Zentrum 1. Ladungstennung 2. Proton/Elektron Übertragung transmembrane electrochemische Energie Redox- Energie R.Pohl "Photosynthese"

10 Anoxygene und oxygene Photosynthese Gemeinsamkeiten und Unterschiede Alle photosynthetischen Reaktionen sind gekoppelte Redox- Reaktionen - ein Teil liefert Elektronen (donor) - der andere Teil nimmt Elektronen auf (acceptor) Die gemeinsame Grundgleichung ist CO H 2 A (+ hν ) HCHO ( org.substanz) + H 2 O + 2 A Im anoxygenen Fall 2 H 2 S 2 S + 2 e - und CO e - HCHO Im oxygenen Fall 2 H 2 O O e - und CO e - HCHO Fußnote für Spezialisten: CO H 2 S HCHO + H 2 O + 2 S 3 CO S+ 5 H 2 O 3 HCHO + H 2 SO 4 CH Fe 3+ + OH - HCHO + 2 Fe 2+ + H + + H 2 R.Pohl "Photosynthese"

11 Photosynthese I. Anoxygene Photosynthese Das Prinzip der Photosynthese ist, Photonen als Energielieferanten zu benutzen, um organische Moleküle zu bilden Bei λ > 700 nm wird z.b. H 2 S als H-donor gewählt From: Könnecke, Allgem.Mikrobiologie, Vorl.Hamburg 2000 R.Pohl "Photosynthese"

12 Anoxygenic Photosynthesis Microorganisms : Anoxyphototrophs After the jump from chemosynthesis to photosynthesis a reliance to sulfur metabolism was maintained e.g.: ferredoxins From: H.H.Lee at: frank.itlab.us/learning/bacterial_metabolism.ppt, 2004 R.Pohl "Photosynthese"

13 Photosynthese II. Oxygene Photosynthese Im Falle der Oxygenen Photosynthese haben die Photonen bereits soviel Energie ( λ < 700 nm ), dass H 2 O zerlegt wird und aktives H auf organische Systeme übergehen kann. From: Könnecke, Allgem.Mikrobiologie, Vorl.Hamburg 2000 R.Pohl "Photosynthese"

14 Photosynthese Reaktionszentren Durch Absorption von Photonen pumpt das Reaktionszentrum H + durch die Membran, erzeugt elektrische Energie, die als chemische Energie (ATP) gespeichert wird. R.Pohl "Photosynthese"

15 Photosynthese Die 2 Schritte der oxygenen Photosynthese Calvin Zyklus Im nächsten Bild Aus: R.Pohl "Photosynthese"

16 Photosynthese Nachgeschaltete Prozesse der oxygenen Photosynthese GAP: Glycerinaldehyd-3- phosphat 3 PGS: 3-Phospoglycerinsäure RudP: Ribulose-1.5-diphosphat NAD: Nicotinsäureamiddinucleotid ATP: Adenosintriphosphat Aus: R.Pohl "Photosynthese"

17 Photosynthese Oxygene Photosynthese: Energiebetrachtung Summengleichung der Photosynthese: 6CO H 2 O ----> C 6 H 12 O 6 +6 O 2 G = kcal/mol Aufwand pro Mol Glucose Die Respiration setzt die gleiche Energie frei, d.h.: G = kcal/mol Glucose Energielieferant ist die Photolyse des Wassers durch Photonen 2 H 2 O -(hν)---> O H e - G = +118 kcal/mol Vergleichweise die anoxygene Photosynthese 4H 2 + CO 2 -> CH H 2 O oder G = -31 kcal/mol 2H 2 S + CO 2 HCHO + H 2 O + 2 S Anoxygene Energiequellen z.b.: FeCO 3 / FeOOH G = +40 kcal/mol G ca. -40 kcal/mol R.Pohl "Photosynthese"

18 Anoxygene Photosynthese anoxygene Photosynthese in Matten Nisbet N.,Sleep N., Nature,Vol.409,2001 R.Pohl "Photosynthese"

19 Oxygene Photosynthese oxygene Photosynthese in Matten Nisbet N.,Sleep N., Nature,Vol.409,2001 R.Pohl "Photosynthese"

20 Photosynthese Zusammenfassung Summengleichung der Photosynthesen CO H 2 A (+ hν ) HCHO ( org.substanz) + H 2 O + 2 A Der bei der oxygenen Photosynthese entstehende Sauerstoff kommt aus dem Wasser durch Photolyse des Wassers. Bei den Photosynthesen entsteht Wasser Aus den Zwischenprodukten des Calvinzyklus stellt die Pflanze sämtliche anderen organischen Stoffe her, sie ist autotroph. Kohlenhydrate sind die am häufigsten hergestellten Substanzen in der Natur. Der Gehalt von 21 % Sauerstoff der Atmosphäre ist durch die oxygene Photosynthese in den letzten 2,8 Ga entstanden. Ohne Sauerstoff der Pflanzen hätten sich tierische Organismen nicht entwickeln können. R.Pohl "Photosynthese"

21 Photosynthese Referenzen der Abbildungen Des Marais, When did life emerge on earth, Nasa, Ames Res.Volume 289, Number 5485, Issue of 8 Sep 2000, pp C.Woese, New Perspectives on Evolution, Nasa astrobiology, 2003 Rosing M., Bird D. et al.,nature letters, Vol 464, April 2010 Russell, Hall, Mellersh, On the dissipation of early life on earth, Kluwer Acad.Press, Doordrecht NL, 2006 H. Holland, The oxyganation of atmosphere and oceans, Phil. Trans. R. Soc. B , H.H.Lee at: frank.itlab.us/learning/bacterial_metabolism.ppt, 2004 Könnecke, Allgem.Mikrobiologie, Vorlesung Uni-Hamburg, Nisbet N., Sleep N., The habitat and nature of early life, Nature, Vol.409, 2001 Und nun: viel Spaß mit Piccolina, dem Wassermolekül R.Pohl "Photosynthese"

22 Astronomical aspects on anoxygenic photosynthesis Backup slides

23 Photosynthese Glycerinaldehyd (2) und weitere Zucker aus Formaldehyd Diese Formose-Reaktion zeigt den Reaktionsweg vom Formaldehyd zu komplexen Zuckern wie Ribose (5) als Teil der RNA und Ribulose (4) für den Calvin-Zyklus, beide essentiell zur Entstehung des Lebens. R.Pohl "Photosynthese"

24 Photosynthese Aminosäuren aus Formaldehyd und Cyanwasserstoff Mit Hilfe der Strecker-Synthese lassen sich a-aminonitrile herstellen, welche zu den entprechenden Aminosäuren hydrolysiert werden können. R.Pohl "Photosynthese"