Hydrothermale Akkumulation

Transkript

1 Hydrothermale Akkumulation Samuel Moll

2 Evolution Origin of life -Problem Miller-Urey (1953): Ursuppe Konzentrationsproblem: Oberflächen? Vielversprechendes Szenario: Hydrothermalquellen

3 Hydrothermale Quellen heißes mit Mineralien gesättigtes Wasser bildet poröse Kamine Lebensraum von thermophilen Archaen starke Temperatur-gradienten als Motor für Reaktionen starke Anreicherung von Biomolekülen in den Poren

4 Überblick Thermophorese Akkumulation in Poren Mechanismus Einfluss der Porengeometrie Robustheit gegenüber Störungen Konvektion als Motor für Reaktionen

5 Thermophorese Bewegung von Molekülen entlang eines Temperaturgradienten Komplexer Effekt Ladung Größe

6 Thermophorese Bewegung von Molekülen entlang eines Temperaturgradienten Fick's Gesetz: j = - DM c DT c(1-c) T Komplexer Effekt Ladung Größe j = c*v => v = DT T Phys. Biol. 1(2004) Thermal force approach to molecular evolution

7 Akkumulation in Poren PNAS May 29, 2007 vol. 104 no Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems

8 Akkumulation in Poren PNAS May 29, 2007 vol. 104 no Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems Konvektion und Elektrophorese führen zu exponentieller Anreicherung bei optimaler Porenbreite

9 Akkumulation in Poren PNAS May 29, 2007 vol. 104 no Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems Anreicherung im Bereich bis 10 -fach

10 Minimalmodell Paternoster Pore wird in linke und rechte Zellen unterteilt links heiß, rechts kalt

11 Minimalmodell Paternoster Pore wird in linke und rechte Zellen unterteilt Jede Zelle hat ein cmolekül links heiß, rechts kalt Zeitschritte: links steigen die Moleküle auf rechts sinken sie ab

12 Minimalmodell Paternoster Pore wird in linke und rechte Zellen unterteilt Jede Zelle hat ein cmolekül links heiß, rechts kalt Zeitschritte: links steigen die Moleküle auf rechts sinken sie ab

13 Minimalmodell Paternoster Thermodiffusion jt = cw * DT von heiß nach kalt

14 Minimalmodell Paternoster Thermodiffusion jt = cw * DT von heiß nach kalt Massendiffusion jm = c * DM in alle Richtungen

15 Minimalmodell Paternoster Freie Parameter: Thermische Diffusionskonstante DT Massendiffusionskonstante DM Porenlänge L *(1-DT) Output: Akkumulationsverhältnis Zeit bis zum Gleichgewicht

16 Minimalmodell Paternoster Einfluss der Porenlänge

17 Minimalmodell Paternoster Einfluss der Porenlänge Erwartet: t L / DM

18 Minimalmodell Paternoster Einfluss von DT

19 Minimalmodell Paternoster Einfluss von DT

20 Minimalmodell Paternoster Einfluss der Massendiffusion

21 Minimalmodell Paternoster Zusammenfassung Unzulänglichkeiten: DM entspricht nicht dem Massendiffusionskoeffizienten Porenbreite nicht im Modell DT normalerweise temperaturabhängig

22 Minimalmodell Paternoster Zusammenfassung Unzulänglichkeiten: DM entspricht nicht dem Massendiffusionskoeffizienten Porenbreite nicht im Modell DT normalerweise temperaturabhängig Kann erklären: exponentielle Abhängigkeit von L und DT Existenz optimaler Parameter

23 Einfluss der Porenbreite PNAS May 29, 2007 vol. 104 no Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems Porenbreite kritisch optimale Porenbreite gegeben durch:

24 Einfluss der Porenbreite PNAS May 29, 2007 vol. 104 no Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems

25 Einfluss der Porengeometrie Akkumulation ist sehr robust gegen Änderungen der Porengeometrie

26 Einfluss der Porengeometrie Akkumulation ist sehr robust gegen Änderungen der Porengeometrie cbottom/ctop ist für diese Geometrien gleich Gründe: Massendiffusion Neigung:

27 Undichtigkeiten Pore nach unten nicht völlig geschlossen

28 Undichtigkeiten Pore nach unten nicht völlig geschlossen Entfernung zum freien Wasser wichtig verringert Akkumulation nicht übermäßig leichte Strömung macht auch nicht viel aus

29 Fazit: Robustheit gegenüber Störungen suboptimale Bedingungen, z.b. kleines T oder DT suboptimale Porenbreite, grosse Neigung Undichtigkeiten können durch größere Porenlänge ausgeglichen werden:

30 PCR durch Konvektion Phys. Biol. 1(2004) Thermal force approach to molecular evolution Runde Kammer wird mittig durch Laser erhitzt Konvektionsströmnung Exponentielle Vermehrung der DNA

31 PCR durch Konvektion Exponentielle Kettenreaktion Könnte auch andere Reaktionen antreiben z.b. selbstreplizierende RNA sollte auch in Poren funktionieren

32 Zusammenfassung Poren in Hydrothermalquellen können Biomoleküle exponentiell anreichern Die Anreicherung ist robust gegenüber Störungen Hydrothermalquellen sind ein vielversprechender Kandidat für den Ursprung des Lebens

33 Diskussion