Content. Carbon-based life on earth. Why water? Toward more exotic habitats

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1 Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems and Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council, National Academies Press, 2007 by Isabella Kraus 1

2 Content Carbon-based life on earth Why water? Toward more exotic habitats 2

3 Introduction Irdisches Leben verwendet Wasser als Lösungsmittel wird aus Zellen gebildet und nutzt einen Metabolismus, welcher sich auf die Carbonylgruppe(C=O) fokussiert thermodynamisch verschwenderisch und nutzt chemischen Energiegradienten zwei biopolymer-architektur: Nukleinsäure um genetischen Funktionen auszuführen Protein um katalytischen Funktionen auszuführen 3

4 Introduction Leben benötigt: thermodynamisches Ungleichgewicht Umgebung, die fähig ist die kovalente Bindung (Atombindung) aufrechtzuerhalten, besonders zwischen Kohlenstoff, Wasserstoff und anderen Atomen molekulares System, das die darwinistische Evolution unterstützt 4

5 Carbon-basedlifeon earth 5

6 Molecularstructureandphysical properties Pairs of Electrons Form Bonds Between Atoms Kovalente Bindungen zwischen zwei Atomen werden gebildet, wenn die zwei Atome ein Paar von Elektronen teilen. Im einfachsten Fall: Dihydrogen(als H -H oder H2), vertritt eine einzelne Linie das Paar von Elektronen, das ein einzelnes Band zwischen den zwei Wasserstoffatomen bildet. In Wasser (H-O H, H2O) die Linien, die jedes Wasserstoffatom mit dem Sauerstoffatom verbinden, vertritt jeder ein Paar von Elektronen, die ein einzelnes Band bilden, das die Wasserstoffatome zu dem Sauerstoff zusammenhält. 6

7 Molecularreactivity Moleküle, die nur Kohlenstoff-Kohlenstoff und Kohlenstoff- Wasserstoff kovalente Bindungen enthalten, sind bei Standardtemperaturen nicht reaktiv. chemischen Reaktionen (inkl. biochemischer) bei Standardtemperaturen und Druck Reaktionsfähigkeit von diesen Bindungen in Molekülen, die auch Kohlenstoff- Heteroatom enthalten (jedes Atom außer Kohlenstoff oder Wasserstoff) Bindungen. Im irdischen Metabolismus sind die wichtigsten Heteroatome Sauerstoff und Stickstoff, obwohl Schwefel auch wichtig und anderer Heteroatome wie Phosphor 7

8 Molecularreactivity Die Reaktionsfähigkeit von Wasser: Wasser ist selbst reaktiv, sowohl ein nukleophilessauerstoffatom als auch ein säurehaltiges Wasserstoffatom Vorteile und Nachteile für ein biologisches Lösungsmittel 1) wegen Verfügbarkeit von säurehaltigem Wasserstoff fehlen Reaktionen im Wasser viele Chemiker ignorieren die Bewegung von Protonen Grund: Protonen können sich immer leicht in Wasser bewegen. Sie können immer gewonnen werden, und sie können immer verloren gehen. 2) Reaktionsfähigkeit von Wasser schafft ebenso Probleme. viele Moleküle sind in Wasser nicht stabil gilt für viele Moleküle, die im irdischen Metabolismus, der Katalyse, und der Genetik wichtig sind einige Fälle zersetzen sich Moleküle einfach durch die Reaktion in Wasser für genetische Moleküle muss der Schaden durch Wasser ersetzt werden 8

9 Molecularstability Chemical Bonds Have Different Strengths kovalentes Band ist Band, das bei Temperaturen und Druck größtenteils stabil ist niedrigeren Temperaturen kann ein einzelnes Wasserstoffband einen molekularen Komplex für lange Zeit ebenso zusammenhalten, wie ein kovalentes Band einen Komplex bei der Raumtemperatur zusammenhält. 9

10 Molecularreactivity Temperature Limits on Organic Molecular Stability Bereich für die Temperatur Leben, das auf Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, und Stickstoff basiert ist, möglich ist Band-Kräfte machen es schwierig, sich Leben vorzustellen, das auf die Chemie des Kohlenstoff-Basis bei Temperaturen über 600 K ist, die 327 C, oder 620 F entspricht. Diese Erwartung gilt ausschließlich für das Leben am irdischen Meeresspiegel- Druck auf den Kohlenstoff gegründetes Leben bei Temperaturen mehr als 800 K an jedem Druck auszuschließen Kohlenhydrate sind sogar bei Temperaturen weit unter dem Siedepunkt von Wasser nicht besonders stabil ähnliche Grenze bei niedrigen Temperatur für das auf den Kohlenstoff gegründete Leben 10

11 Molecularreactivityin terranlife: Metabolism Metabolismus = Einschluss aller chemischen Reaktionen, die innerhalb eines lebenden Systems vorkommen häufig auf jene Reaktionen beschränkt, die durch das Genom dieses Systems verschlüsselten Katalysatoren kontrolliert werden Diese Reaktionen laufen auf die Förderung der Energie und Rohstoffe von der Umgebung hinaus Sie führen auch zu Synthese von Makromolekülen die sind für die Zellfunktion und zur Synthese von Zusammensetzungen erforderlich die einem Organismus erlauben, seine Umgebung zu manipulieren und effektiv mit anderen Organismen in der Umgebung aufeinander einzuwirken 11

12 Catalysis Selbst wenn organische Moleküle durch Heteroatome aktiviert werden, sind chemische Reaktionen, die bilden und Kohlenstoff- Kohlenstoff Bindungen brechen, bei der Standardtemperatur und dem Druck langsam Katalyse = ein Prozess, der mit der Hinzufügung einer exogenen Substanz verbunden ist (der Katalysator), der die Rate der chemischen Reaktion beschleunigt, aber die unveränderte Reaktion überlebt. Katalysatoren können aus geerbter Information abgeleitet werden Das erlaubt Genetik und darwinistische Prozesse, welche Reaktionen innerhalb der Grenzen eines lebenden Systems vorkommen. Umgekehrt sind Reaktionen, die schnell genug sind, nicht auf die Katalyse angewiesen. Deshalb können sie nicht ein Teil eines darwinistischen Prozesses sein, der zu verbesserter Anpassung des Organismus führt. 12

13 Catalysis Zusätzlich zur einfachen Beschleunigung chemischer Reaktionen spielen Katalysatoren eine wichtige Rolle im Leiten von Molekülen zur Bildung von besonderen Produkten. Polymere biologische Katalysatoren werden Enzyme genannt. Irdische Enzyme, sind in den meisten Fällen, Protein-Molekülen. Typische Bakterien haben eine Anzahl von Protein-Enzymen. Proteine sind ausgezeichnete Katalysatoren, weil sie sich falten, um stabil noch dynamischer Anpassung zu geben, und Funktionalität von den Seitenketten von den 20 Aminosäuren in Gebiete des Raums zu befreien, wo sie für die Katalyse am nützlichsten sind. 13

14 The relationshipbetweenwaterand biomolecules Adaptation of Terran Biomolecules to Water irdische Biochemie nutzt Unterschied zwischen polaren Molekülen aus, die in Wasser auflösbar sind, und nichtpolaren Molekülen, die es nicht sind Wasser beschränkt auch die Struktur von Kohlenstoff enthaltende Biomoleküle beteiligt am Metabolismus. Irdischer Metabolismus nutzt auch die metabolische Reaktionsfähigkeit des C = O carbonyl Gruppe aus, die chemische Reaktionen in Wasser gut unterstützt. irdische DNA wird in Wasser unaufhörlich beschädigt und dessen genetische Information geht verloren. Im modernen irdischen Leben wird dieser dauernde wassererzeugte Schaden durch die dauernde Reparatur gelindert. Der Nachteil der Reaktionsfähigkeit von Wasser ist besonders offensichtlich, wenn man hier an die RNS und DNA denkt. 14

15 The relationshipbetweenwaterand biomolecules Disadvantages of Water for Terran Biomolecules Wasser trägt jedoch sowohl nucleophilic als auch electrophilic Zentren. Im Fall von Proteinen, reagiert Wasser mit dem Amide Backbone, um Proteine zu abzubauen, Aminosäuren als Hydrolyse-Produkte zu erzeugen Das kann ein Nachteil sein, denn wenn das Protein gewünscht wird, muss es wiedersynthetisiert werden. 15

16 Whywater? Towardmoreexotic habitats 16

17 Whywater? Towardmoreexotic habitats Wasser Temperatur zwischen 273 und 273 K bei typischen Druck Nichtleiter konstant und andere physikalische Parameter, die die Reaktionsrate beeinflussen sind auch innerhalb spezieller Bereiche. Chemische Reaktionen finden in der Gas-wie auch in der Festphase statt. Aber jede dieser Phasen hat Nachteile gegenüber der flüssigen Phase. 17

18 Is wateruniquelysuitedforlife? spezielle Eigenschaften des Wassers ideales biologisches Lösungsmittel einzigartig um Leben zu unterstützen: - gefrorenes Wasser schwimmt - Wasser ist ein exzellentes Lösungsmittel für Salz - Wasser ist flüssig über einen umfassenden Temperaturbereich Obwohl Oberflächeneis einen Körper aus flüssigem Wasser von Wärmeverlust isoliert, hat es ein höheres Rückstrahlvermögen als flüssiges Wasser. Je mehr Eis auf der Oberfläche je höher die Albedo und je mehr Abkühlung. (schwimmendes Wassereis verstärkt die Vereisung) Auf der Marsoberfläche kann kein flüssiges Wasser existieren wegen des zu niedrigen Druckes und Wassereis erhöht direkt Wasserdampf ohne durch die dazwischenliegende flüssige Phase zu gehen. Wasser ist ein Flüssigkeit über einen Temperaturbereich bestehenden nur in einer sehr kleinen Anzahl von Objekten im Universum. 18

19 Ifnot water, thenwhatsolvent? einige Lösungsmittel mit dem jeweiligen Gefrier- und Siedepunkt Eigenschaften der Substanzen durch Phasendiagramm beschrieben, Temperatur und Druck des jeweiligen Materialzustand (fest für manche Typen, flüssig oder gasförmig) bezieht Oberhalb des kritischen Punktes werden Substanzen zu einem superkritischen Fluid, das weder flüssig noch gasförmig ist Kohlendioxid nicht in dieser Tabelle aufgelistet, weil es keine flüssige Phase bei irdischem Atmosphärendruck gibt 19

20 zeigt die kritische Temperaturen und Drücke für einige bekannte Substanzen im Sonnensystem Kohlenstoffdioxid kritische Temperatur von 304,2 K bei einem Druck von 73,8 atm. superkritisches Fluid oberhalb dieses Druckes könnte sogar als mögliches biologisches Lösungsmittel für Steinplaneten sein 20

21 Ifnot water, thenwhatsolvent? Polar Solvents That Are Not Water Ammoniak: entspricht vielen Eigenschaften des Wassers lösen viele organische Verbindungen einschließlich vieler Polyelectrolyte auf sind über einen großen Temperaturbereich flüssig ( K bei 1 Atmosphäre) Der flüssige Bereich ist sogar größer bei höherem Druck Vergleich mit Wasser Ammoniak problematischer bei Verwendung von wasserabweisender Wirkung um Abschottung in Ammoniak zu erzeugen bezüglich des Wassers Diese schließen ein, dass die Fettkörper (Liposome), eine Abteilung welche im Wasser funktioniert, allgemein aber nicht in flüssigen Ammoniak funktionieren 21

22 Schwefelsäure als mögliches Lösungsmittel: Schwefelsäure ist existierend oberhalb der Venusoberfläche es gibt drei Wolkenschichten in der Höhe von 40 bis 70 km, die meist aus Aerosolen von Schwefelsäure bestehen mit ungefähr 80 % in der oberen Schicht und 98 % in der unteren Schicht Die Temperatur (ca. 310 K in ca. 50 km Höhe mit ungefähr 1,5 Atmosphären) ist beständig mit stabilen Kohlenstoff-Kohlenstoff Atombindungen Hypothesen über Metabolismus sind reichlich für hypothetisches Leben in säurehaltigen Aerosolen. In starken Säuren ist die C=C Bindungen reaktionsfreudig als eine Base und kann einen Metabolismus analog zu einer C=O Einheit unterstützen. Formamide als ein mögliches Lösungsmittel: ist das Amid der Ameisensäure und das einfachste Carbonsäureamid (HCONH2) Formamide ist durch die Reaktion von Wasserstoffzyanid (sind Salze und andere Verbindungen der Blausäure) und Wasser gebildet worden. Beide sind reichlich im Kosmos vorhanden. Wie Wasser hat Formamide ein großes Dipolmoment und ist ein exzellentes Lösungsmittel für fast alles was in Wasser löslich ist (Polyelectrolyte eingeschlossen). Formamide siedet bei 400 K. 22

23 Ifnot water, thenwhatsolvent? Nonpolar Solvents vielelösungsmitteln höheren Siedepunkt als Wassers, aber keine polare Struktur meisten zugänglichen von Methan, Ethan, Propan, Butan, sind reichlich im Sonnensystem vorhanden Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan und Hexan haben einen Siedepunkt von 109, 184, 231, 273, 309 und 349 K jeweils bei irdischen Druck. Methan (gefriert bei 90 K) wäre flüssig, das bedeutet dass die Methanozeane die Oberfläche von Titan bedecken könnten. 23

24 Titan ist nicht im thermodynamischen Gleichgewicht. Es hat reichlich kohlenstoffhaltige Moleküle und Heteroatome und eine flüssigartige Umgebung. Titan stemperatur ist niedrig genug um einen umfassenden Bereich von Bindungen, Atom und kein Atombindungen zu erlauben. Wenn Leben eine wesentliche Eigenschaft von chemischer Reaktion ist, sollte es auf dem Titan existieren. Allerdings, wenn kein Leben auf dem Titan existieren sollte, könnten wir damit argumentieren, dass Leben keine wesentliche Eigenschaft der Reaktion von kohlenstoffhaltigen Molekülen ist unter der Bedingung, dass sie stabil sind. 24

25 Cryosolvents Viele Lösungsmittel bestehen nur in ihrer gasartigen Form auf der Erde Folglich sind sie als Cryosolventsbekannt. Cryosolvents können nicht als Potenzial biologisches Lösungsmittel abgewiesen werden. Dihydrogen: Die reichlichste Zusammensetzung im Sonnensystem ist Dihydrogen, der Hauptbestandteil (86 Prozent) der oberen Gebiete der Gasriesen der Jupiter, Saturn, Uranus, und Neptun. Der andere Hauptbestandteil der Außengebiete der riesigen Planeten ist Helium (14 Prozent). Überall im größten Teil des Volumens von Gasriesen, wo Dihydrogen stabil ist, ist es eine superkritische Flüssigkeit. Dinitrogen: Dinitrogen ist im Weltall wie Wasser reichlich. niedrigeren Gefrierpunkte und Siedepunkte Zum Beispiel, Flüssigkeit Dinitrogenkann ein Hauptteil-Lösungsmittel auf Triton, dem größten Mond von Neptun sein. Eine Schwierigkeit mit Cryosolventsist die langsame Rate von chemischen Reaktionen. 25

26 STILL MORE EXOTIC HABITATS Life in the Gas Phase Grains sind organische Arten, die sich zu einer Art Außenschicht sammeln, die die innere Schicht vor dem Ausstrahlen schützt. Nachteil: Schwierigkeit, die Bestandteile der interstellaren Lebensform zusammenzuhalten Vorteil: Lebensform wäre geschützt Life in thesolid Phase Möglich organische Materialien könnten sich in der festen Eisphasevon interstellaren Materialien zur Verfügung gestellte Rohstoffe bilden in Oort schen Wolke wäre ausgezeichneter Platz gewesen 26

27 Literature The Limits of Organic Life in Planetary Systems (Committee on the Limits of Organic Life in Planetary Systems, Committee on the Origins and Evolution of Life, National Research Council),

28 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 28