Das Leben kommt auf alle Fälle aus einer Zelle, doch manchmal endet's auch in einer solchen - bei Strolchen. Heinz Erhardt

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1 Vorlesung Allgemeine Biologie fi Mikrobiologie Heribert Cypionka Institut für Chemie und Biologie des Meeres Farbstreifen-Sandwatt > Teaching Das Leben kommt auf alle Fälle aus einer Zelle, doch manchmal endet's auch in einer solchen - bei Strolchen. Zelle Heinz Erhardt Wie hat es wirklich angefangen? Primäre Biogenese 1

2 Erdgeschichte, Lebensgeschichte Erdgeschichte Cypionka: Grundlagen der Mikrobiologie, Pangaea Die Erde ist tektonisch sehr aktiv. Archaische Gesteine sind äußerst selten. Online Biology Book Mike Farabee lty/farabee/biobk/biobookt OC.html 2

3 Alter der Erde Erdalter Zerfall radioaktiver Elemente als Chronometer Radiologische Uhren Radiocarbon-Methode Nach 10 Halbwertzeiten ist nur noch 1 / 1024 des Isotops vorhanden. 3

4 Isotopenfraktionierung Prinzip: Während chemische Reaktionen keine (kaum) Unterschiede zwischen Isotopen (Atomen, die sich durch die Anzahl Neutronen im Kern unterscheiden) machen, bevorzugen Enzyme geringfügig das leichtere von zwei zur Verfügung stehenden Isotopen, da sich dieses leichter in die katalytisch günstigste Position fügt. Folge: Produkte angereichert mit leichtem Isotop, Reservoirs abgereichert Isotopenfraktionierung Natürliche Konzentrationsverhältnisse einiger Isotope 13 C/ 12 C : (z. Vgl. 14 C/ 12 C = 1/10 12 ) 34 S/ 32 S : O/ 16 O : (in Kalkschalen => Temperaturbestimmung) 15 N/ 14 N : Man kann aus den Isotopenverhältnissen auf eine biotische Genese von Sedimenten schließen. Isotopenfraktionierung als Beweis für Leben C-Isotopenfraktionierung 4

5 S-Isotopenfraktionierung Isotopenfraktionierung: Enzyme bevorzugen leichte Moleküle Stromatolithe Stromatolithe (Kissensteine) 3.5 Ga alt und rezent Ungestörte Entwicklung ohne Grazer... 5

6 Stromatolithe Stromatolithe Die ältesten ca. 3.8 Ga, Isua, Süd- Grönland Stromatolith 1.3 Ga Farbstreifensandwatt Farbstreifensandwatt Solche farbigen Streifen kann man im Sand an der Nordsee z.b. auf Mellum entdecken. Bräunlich-grün Diatomeen, blaugrün Cyanobakterien, lachsfarben Schwefelpurpurbakterien. 6

7 Mikrofossilien Mikrofossilien Ga Westaustralien, Warrawoona Gruppe mit fädigen Bakterien 3.1 Ga Fig-Tree-Formation in Südafrika,... primitiv?... Cyanobakterien? Gebänderte Eisensteine Gebänderte Eisensteine (Banded Iron Formations, BIF's) ohne Mikrofossilien, aber Isotopenfraktionierung Gebänderte Eisensteine: Wechsel von reduzierenden und oxidierenden Bedingungen im Jahresrhythmus Oxidation von Fe 2+ zu Fe 3+ durch (oxygene?) Photosynthese, Ausfällung von oxidiertem Eisensalzen 7

8 Eisenausfällung Eisenausfällungen durch Sauerstoff in einem Bach auf dem Gelände der Universität Oldenburg Die ersten Lebewesen Wer waren die ersten Lebewesen? Wovon haben sie gelebt? Findet man sie oder ihre Lebensweisen noch heute? 8

9 Wer waren die ersten Lebewesen? Die ersten Lebewesen Hinweis auf Entstehung der ältesten Gruppen an heißen Standorten! Die Entwicklungslinien extrem thermophiler und hyperthermophiler Prokaryoten zweigen tief im phylogenetischen Stammbaum ab. Wie haben die ersten Lebewesen gelebt? Anoxygen phototrophe Bakterien Lebensweisen Anoxygen phototrophe Bakterien in Agarkulturen 9

10 Wer waren die ersten Lebewesen? Die ersten Lebewesen Hinweis auf chemotrophe Lebensweise der ersten Lebewesen Die am tiefsten abzweigenen Entwicklungslinien und die Archaeen haben keine phototrophen Organismen. Ursuppe Ursuppe 10

11 Miller und Urey, 1953 Chemische Evolution: Energie (Blitze, Wärme, UV- Strahlung...) H 2, CO 2, CH 4, NH 3, H 2 O fi Teer, div. organische Verb., Aminosäuren, wenige Nukleotide (Adenin), Fettsäuren, Porphyrine, Nicotinamid "lange Zeit günstige Bedingungen für die Entstehung von Leben" Tatsächlich nur: 'Organische Verbindungen können abiotisch gebildet werden. Die Bedingungen dazu hat es wahrscheinlich auf der Erde gegeben.' Zellen? Nukleinsäuren? Energiestoffwechsel? Miller und Urey Szenarium (1) Ein plausibles Szenarium - wie es gewesen sein könnte Abiotische Bildung organischer Substanz - irdisch oder außerirdirsch (aber nicht überiridisch) - wenig bei geringer Reduktionskraft der Atmosphäre Energie: Strahlung (Licht, UV, keine Ozonschicht), chemische Energie (Hydrolyse, Redoxprozesse) Entstehung der ersten Zellen durch cyclische rekursive Prozesse (Hypercyclen?, viele offene Fragen) Isotopenfraktionierung und fossile Zellen beweisen: Bis spätestens 3.8 Milliarden Jahre vor heute entstanden Lebewesen: prokaryotische Zellen mit Membran, DNA, Protein, ATP Linien mit hyperthermophilen Prokaryoten tief abzweigend, (Wärme nicht nutzbar als Energiequelle), keine (echt) Phototrophen unter den Archaeen 11

12 Szenarium (2) Lebensweise: Anaerob, nicht phototroph, aber: Wachstum unter der Verwertung org. Substanz in der Ursuppe würde 'Teer' als Rest lassen und netto Mineralisierung, aber keine Isotopenfraktionierung bewirken Autotrophie (CO 2 -Fixierung) bewirkt frühe Anreicherung von 12 C/ 13 C Chemosynthese (Lithotrophie) mit H 2, S, S 2 O 3 2- CO 2 als universeller Elektronenakzeptor und C-Quelle ( CH 4 oder Acetat) Lithotrophie (und Phototrophie) stets gekoppelt mit Elektronentransport Primitive Gärer? - Chemiosmotische Energiewandlung zwangsläufig bei Transport und Elektronentransport Szenarium (3) Dissimilatorischer Schwefelstoffwechsel bei vielen Archaeen Photosynthese zunächst anoxygen (Purpurbakterien, Grüne Bakterien), ein Photosystem, das nicht Wasser spaltet (aber evtl. Eisen oxidiert!) Oxygene Photosynthese später erfunden von Cyanobakterien (Entstehung eines zweiten Photosystem als veränderte Kopie von Photosystem I) Aerobe Atmung gleichzeitig mit O 2 -Bildung, Umstrukturierung des gesamten Kreislaufs Prokaryoten: Teilsexualität (Konjugation), horizontaler Gentransfer (Transfektion, Transduktion, Endocytosymbionten) Sexualität, Meiose spät, Blüte der Eukaryoten, Metazoen, Metaphyten erst vor <600 Ma wenige Grundstoffwechseltypen bei Eukaryoten 12

13 Lebensweisen Lebensweisen 3 7 1: grüne Pflanze 2: Schwefel- Purpurbakterium 3: Schwefelfreies Purpurbakterium 4: Mensch, Pilz 5:Sulfatreduzierendes Bakterium : Darmbakterium 7: Desulfovibrio sulfodismutans Gibt es nicht Standorte, wo die ursprünglichen Bedingungen für die Entstehung des Lebens noch heute nachvollziehbar sind? Plattentektonik 13

14 Submarine Hydrothermalquellen Heiße submarine Hydrothermalquellen Riftia Riftia pachyptila hat weder Mund noch After, lebt durch die Aktivität chemotropher, sulfidoxidierender Bakterien im Tropohosom, das mit Schwefelwasserstoff CO 2 und Sauerstoff versorgt wird. 14

15 Chemolithotrophie Chemolithotrophie Reduzierte anorganische Verbindungen werden als Elektronendonatoren für einen Atmungsprozess genutzt H 2, H 2 S, S 0, Fe 2+, Mn 2+, NH 4 + O 2,NO 3-, CO 2... H 2 O,,N 2, CH 4... SO 4 2-, Fe 3+, Mn 4+, NO Je nach Elektronendonator kann nur Sauerstoff oder auch anderen Elektronenakzptoren genutzt werden Oft gekoppelt mit Verwertung von CO 2 als C-Quelle: Chemolithoautotrophie Chemoorganoheterotroph Chemolithoautotroph Lebensweisen Dissimilation Assimilation Chemolithoautotrophie nur bei Prokaryoten Essenziell für die biogeochemischen Kreisläufe von C, N, S, Fe, Mn... 15

16 Energie aus der Erde wie der Sonne? Energie aus der Erde? Energie aus der Erde? Elektronendonatoren Die Elektronendonatoren stammen aus der Erde, der Akzeptor Sauerstoff aus der Photosynthese an der Erdoberfläche. Energie steckt in der Reaktionsmöglichkeit von Donator und Akzeptor. 16

17 Prozesse im Meer In jedem normalen Sediment erfolgt der Abbau organischer Substanz unter Zwischenschaltung chemolithotropher Prozesse fi fi 17