Astrobiologie Sommersemester 2015

Transkript

1 Astrobiologie Sommersemester 2015

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3 Teil 1: Astrobiologie aus der Sicht der Einzeldisziplinen Es ist kein Zufall, dass es 2015 eine Astrobiologie-Vorlesung an der Uni Hamburg gibt Die Zeit ist reif für Astronomie und Biologie!

4 Die Perspektive der Astronomie

5 Die Perspektive der Astronomie European Extremely Large Telescope 39m Spiegeldurchmesser

6 Die Perspektive der Astronomie Entdeckung und Erforschung von Exoplaneten seit ca. 1990

7 Die Perspektive der Astronomie Exoplaneten als Ziele großer Teleskope HR 8799 Keck Teleskop Direct Imaging ist möglich Mit großen Teleskopen wird auch die Spektroskopie erdgroßer Planeten interessant Man könnte in den Atmosphären von Exoplaneten Gase nachweisen, die auf Lebensprozesse hinweisen (O 2, CH 4 )

8 Die Perspektive der Raumfahrt NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems

9 Die Perspektive der Biologie

10 Die Perspektive der Biologie Genomics 2003: Komplettes menschliches Genom 1953: DNA Struktur

11 Die Perspektive der Biologie Proteomics

12 Die Perspektive der Biologie Strukturbiologie

13 Fortschritte in der Imaging-Technologie Biologie: Konfokale Laserscanmikroskope und andere Fortschritte in der Lichtmikroskopie Astronomie: CCD-Kameras

14 Tubulin (Cytoskelettp rotein) GFP Mitochondrien -Protein DS_RED Kernprotein CFP

15 Die Perspektive der Biologie Metabolomics

16 Die Perspektive der Biologie Anpassungen von Organismen an extreme Lebensbedingungen zu trocken

17 Die Perspektive der Biologie Anpassungen von Organismen an extreme Lebensbedingungen Lithops julli Selaginella lepidophylla, eine resurrection plant

18 Die Perspektive der Biologie Anpassungen von Organismen an extreme Lebensbedingungen

19 Die Perspektive der Biologie Anpassungen von Organismen an extreme Lebensbedingungen Vom Sonnenlicht unabhängige Ökosysteme

20 Themen der Vorlesung 1) What is Life? 2) Biologie- Primer für Nichtbiologen

21 Themen der Vorlesung Entstehung des Weltalls Sternentstehung

22 Themen der Vorlesung Brice-Olivier Demory Entstehung und Geschichte der Erde Exoplaneten und ihre Detektion, Planetologie

23 Themen der Vorlesung Luisi, P. L.: Prebiotic metabolic networks? In: Molecular Systems Biology 10, Art. 729, 2014, fig. 1 Enstehung des Lebens

24 Photosynthese und Risiken beim Umgang mit Sauerstoff

25 Extreme Habitate und Anpassungen

26 Erkundung des Alls (Mars, Europa, Titan,)

27 Biomarker

28 Teil 2: What is life? /LoCo_files/What-is-Life.pdf

29 Gerhard Schäfer, 12 Lebensprinzipien Polarität, Verwandlung/Fixierung Ordnung/ Unordnung Autonomie/ Abhängigkeit Grenzöffnung/ Grenzschließung Verflechtung/Entflechtung Variabilität/Uniformität Anpassung/ Beharrung Aufwertung/Abwertung Bewegung/ Ruhe Bedeutungsbildung/ Bedeutungsab- und umbau Informationsspeicherung/- löschung. Die Kenntnis der '12 Lebensprinzipien' eröffnet die Chance zur Harmonisierung des gegensätzlichen Kräfte in allen Lebensbereichen - für ein gesundes Gleichgewicht.

30 Leben ist schwierig zu definieren My personal opinion is that no acceptable definition of life exists, yet. Ernesto Di Mauro Trifonov

31 Definitionsversuche basierend auf der genetischen Information Any system capable of replication and mutation is alive Life is self-reproduction with variations Oparin Trifonov

32 A T T G..C

33 Replikation der DNA

34 Any system capable of replication and mutation is alive Life is self-reproduction with variations Oparin Trifonov

35 Definitionsversuche basierend auf der genetischen Information Die genetische Information ist in der Tat ein wichtiger Aspekt

36 Definitionsversuche basierend auf der genetischen Information Die gesamte DNA-Sequenz das Genom diverser Organismen ist in Datenbanken erfasst (Genomics) Man kann, ausgehend von der Datenbank- Information, ein künstliches Genom zusammenbauen Man ersetzt das Genom eines Bakteriums durch dieses künstliche Genom. Diese künstlichen Zellen sollten Eigenschaften des Vorbilds annehmen

37 Definitionsversuche basierend auf der genetischen Information Fälschung Fälschung Original Original Makrofotos der Kolonien (bestehend aus vielen tausend Zellen) EM-Bilder der Zellen

38 Definitionsversuche basierend auf der genetischen Information Any system capable of replication and mutation is alive Life is self-reproduction with variations Oparin Trifonov

39 Definitionsversuche basierend auf der Thermodynamik

40 Definitionsversuche basierend auf der Thermodynamik Generell gibt es eine Tendenz, dass die Entropie im Universum ansteigt (2. Hauptsatz der Thermodynamik Lebewesen erhalten ihre innere Ordnung, d.h. sie vermindern ihre Entropie Dazu nehmen sie freie Energie aus der Umgebung auf (Licht, energiereiche Substanzen) und geben Wärme und Entropie an die Umgebung ab.

41 Vielleicht sollte man doch zu der guten alten Kriterien-Liste zurückkehren. Wikipedia-Weisheit 1 ( Leben ) Sie sind von ihrer Umwelt abgegrenzte Stoffsysteme. Sie haben Stoff- und Energiewechsel und sind damit in Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Sie organisieren und regulieren sich selbst (Homöostase). Sie pflanzen sich fort, das heißt, sie sind zur Reproduktion fähig. Sie wachsen und sind damit zu Differenzierung fähig. Sie sind reizbar und damit fähig, chemische oder physikalische Änderungen in ihrer Umgebung zu registrieren.

42 Wikipedia-Weisheit 2 Lebewesen Lebewesen als selektiv offene thermodynamische Systeme mit Subsystemen (Organen), die für Entropieexport sorgen Energieaustausch mit der Umgebung Informationsaustausch Empfangen von Information Senden von Information Reaktion auf Reize aus der Umwelt Wachstum Selbstreproduktion (Fortpflanzung) Stoffliche Grundlage Biomoleküle DNA, RNA

43 Kräftig sieben, rühren und.. Lebewesen als selektiv offene thermodynamische Stoffsysteme, die für Entropieexport sorgen. (Energieaustausch mit der Umgebung) Selbstreproduktion (Fortpflanzung) Vorhandensein von genetischer Information Mutation Abgrenzung des Lebewesens von der Umwelt. Ggf. Vorhandensein abgegrenzter Bereiche innerhalb des Organismus Selektiver und gerichteter Transport von Stoffen Stoffwechsel Perzeption und Transduktion von Signalen Wachstum und Differenzierung

44 .oder als Kurzliste: 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

45 Abgrenzung des Lebewesens von der Umwelt Abgegrenzte Bereiche innerhalb des Organismus

46 Abgrenzung des Lebewesens von der Umwelt Abgegrenzte Bereiche innerhalb der Zelle

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48 Abgrenzung des Lebewesens von der Umwelt

49 Kriterien-Liste 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

50 Abgrenzung des Lebewesens von der Umwelt

51 Transport Ein Aquaporin (Wasserkanal)

52 Transport Wasseraufnahme durch "Wasserkanalproteine": AQUAPORINE

53 Transport Plasmamembran Vakuole ph 5,5 Kern cytosolischer ph ca. 7,6 H + K + K + 2H + NO 3 - K + K + K + K + Zellwand ph < 5,5 H + Pumpen 2H + NO 3 - Carrier K + Kanäle

54 Transport physiologyonline.physiology.org

55 Transport durch Motorproteine innerhalb der Zelle

56 Kriterien-Liste 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

57 Stoffwechsel

58 Pflanzen: -Energiequelle: Licht - Elektronendonator: Wasser 2H 2 O 4H + + O e - - Kohlenstoffquelle : CO 2 (anorganischer Stoff) Photohydroautotropher Organismus Tiere / Pilze Energiequelle: Redoxreaktion (wir verbrennen organische Substanzen) Elektronendonator: NADH (organischer Stoff) Kohlenstoffquelle: Organischer Stoff Chemoorganoheterotroph Methanbildende Bakterien Energiequelle: Redoxreaktion (CO H 2 CH 4 + 2H 2 O) Elektronendonator: H 2 2H + + 2e - (anorganischer Stoff) Kohlenstoffquelle: CO 2 (anorganischer Stoff) Chemolithoautotroph

59 Kriterien-Liste 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

60 Reizbarkeit min

61 Adrenalin Noradrenalin Adrenorezeptor

62 Rhodopsin cis Retinal

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64 min Phototropismus

65 Schritt 1: Phototropin ein Blaulichtrezeptor, perzipiert das Lichtsignal (Signaltransduktion) Schritt 2: Das Wachstumshormon Auxin (Indol-3-Essigsäure) wird gebildet (Stoffwechse

66 Schritt 3: Auxintransporter (PIN-Proteine) transportieren das Auxin nach unten bzw. auch quer zur Sprossachse Licht Viel Auxin Friml et al. Nature 415, (7 February 2002) Wenig Auxin

67 1) Signalperzeption- und Transduktion Photorezeptor (Phototropin) min Phototropismus 2) Transport: Das Wachstumshormon der Pflanze (Auxin) wird in der Spitze gebildet (Stoffwechsel) und polar basipetal (nach unten) und quer zur Sprossachse transportiert. Es ergeben sich Auxin-Gradienten. 3) Signalperzeption- und Transduktion Zellen reagieren auf das Auxin (Auxinrezeptor, z.b. TIR1) 4) Differenzielles Wachstum

68 Kriterien-Liste 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

69 Was ist mit falsch positivem Leben? 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

70 Was ist mit Leben im Weltall? 1. Entropieverminderung 2. Selbstreproduktion 3. Vorhandensein von genetischer Information 4. Mutation 5. Abgegrenztheit 6. Selektiver Transport von Stoffen 7. Stoffwechsel 8. Signaltransduktion 9. Wachstum

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