Leben unter extremen Umweltbedingungen Petra Rettberg DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Köln petra.rettberg@dlr.de Das DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Forschungseinrichtung Raumfahrt-Agentur Luftfahrt Raumfahrt Verkehr Energie 1
Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln, Abteilung Strahlenbiologie Biophysik Zelluläre Biodiagnostik Mechanismen der Anpassungsfähigkeit und Resistenz bei Mikroorganismen planetary protection Leben unter extremen Umweltbedingungen Astrobiologie Was ist Leben? 2
Was ist Leben? Zur Erklärung von Leben werden Beschreibungen von charakteristischen Merkmalen und Eigenschaften, die in ihrer Gesamtheit ein Lebewesen definieren, aufgeführt. Die meisten dieser Eigenschaften können jedoch auch unbelebte Systeme besitzen. Es gibt keine universelle Definition von Leben. Verschiedene Versuche Leben zu definieren Lebende Organismen sind sich selbst organisierende dissipative* nicht im Gleichgewicht befindliche Syteme mit der Fähigkeit sich weiter zu entwickeln. * Dissipation bezeichnet in der Physik den Vorgang an einem offenen, dynamischen System, bei dem das System kontinuierlich Energie verliert, die dabei in thermische Energie umgewandelt wird. Leben stellt einen dynamischen Ordnungszustand der Materie dar; [dabei sind] Selbstreproduktion, Mutation und Metabolismus sind die notwendigen Voraussetzungen für die natürliche Selektion. Manfred Eigen, Nobel-Preis in Chemie 1967 3
Essentielle Eigenschaften des Lebens sind die Fähigkeit zur Vermehrung, Reproduktion von Information das Vorhandensein eines Stoffwechsels, Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung Umwandlung der Energie aus der Umgebung in Arbeit Katalyse chemischer Reaktionen die Fähigkeit, sich verändernden Umweltbedingungen anzupassen. Es gibt drei notwendige Voraussetzungen für Leben, wie wir es kennen: http://www.chempage.de/pse/psec.htm Energie Kohlenstoff Wasser 4
Energie Die primäre Ernergiequelle für fast alles Leben auf der Erde ist die Sonne. Die Energie der Sonne wird über die Photosynthese in die Biosphäre eingebracht. - einige Arten von Bakterien - Algen - höhere Pflanzen Beispiele von photosynthetisierenden Bakterien http://www.chm.bris.ac.uk/motm/oec/motmc.htm Energie Von einigen Organismen kann chemische Energie kann aus anorganischen Verbindungen gewonnen werden. chemolithoautotroph H 2 S 0 H 2 S, Fe(II) CH 4 NH 4 + NO 2-5
Kohlenstoff Alle Biomoleküle basieren auf Kohlenstoff als zentralem Atom. Kohlenstoff kann sich mit anderen Atomen verbinden und komplexe Moleküle bilden, aus denen sich die Lebenwesen zusammensetzen. Kohlenstoff Aus Aminosäuren zusammengesetzte Eiweiße (Proteine) bilden u.a. die Enzyme, die die verschiedenen Stoffwechselvorgänge katalysieren. 6
Kohlenstoff Fette bilden die Membranen, die Zellen und Zellbestandteile umschliessen. Kohlenstoff Nukleinsäuren codieren die Erbinformationen. RNA DNA 7
Kohlenstoff Kohlehydrate bilden Strukturelemente der Zelle, dienen als Energiespeicher und sind Bestandteil komplexer biochemischer Verbindungen wie den Nukleinsäuren. Wasser selektives Lösungsmittel notwendig für Diffusionsvorgänge Reaktionspartner in Stoffwechselprozessen stabilisiert die Struktur größerer Moleküle guter Wärmeleiter 8
Alle Lebewesen bestehen aus Zellen. Alle Zellen besitzen eine universelle Sprache zur Weitergabe ihrer Erbinformation, den gemeinsamen genetischen Code. 9
Der phylogenetische Stammbaum Ein phylogenetischer Baum ist ein Baum, der die evolutionären Beziehungen zwischen verschiedenen Arten oder anderen Einheiten, von denen man vermutet, dass sie einen gemeinsamen Vorfahren besitzen, darstellt. Eine Seite aus Darwin's Notizbuch von Juli 1837 zeigt den ersten Enwurf eines evolutionären Stammbaums. Die Entstehung von Leben auf der Erde LUCA = last universal common ancestor 10
Der phylogenetische Stammbaum LUCA Der phylogenetische Stammbaum LUCA 11
Der phylogenetische Stammbaum LUCA Das Leben auf der Erde ist vor ca. 3,8 Milliarden Jahren entstanden. 12
Die ersten durch Fossilien nachgewiesenen Lebewesen entstanden vor ca. 3,5 Milliarden Jahren. fossiler Stomatolith heutige Stomatolithe Lebewesen haben sich überall auf der ganzen Erde in den verschiedensten Lebensräumen angesiedelt. Insgesamt leben weltweit erheblich mehr Arten als die bislang beschriebenen gut 2 Millionen. Bisher beschriebene Arten: Taxonomische Gruppe Artenzahl Algen 40.000 60.000 Weichtiere 70.000 Pilze 75.000 100.000 Spinnenartige 75.000 100.000 Blüten- und Farnpflanzen 250.000 300.000 sonstige (ein- /mehrzellige Organismen) 250.000 400.000 Insekten > 1 000 000 Streit, B. (2006) Natur und Museum 136 (Heft 3/4): 131-134 13
Die größte und anpassungsfähigste Gruppe von Lebewesen stellen die Mikroorganismen. Extremophile Organismen extremophil Organismen (meist einzellige Mikroorganismen), die sich Umweltbedingungen angepasst haben, die im allgemeinen als lebensfeindlich betrachtet werden anthropozentrische Definition aus der Sichtweise des Menschen in seiner ihm gewohnten Umwelt Nicht-extremophile Organismen mesophil 14
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Hohe und niedrige Temperaturen Rothschild & Mancinelli, 2001 Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Hohe Temperaturen in heißen Quellen Island 15
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Hohe Temperaturen in heißen Quellen Octopus Spring, Yellowtone National Park, USA Rothschild & Mancinelli, 2001 Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Hohe Temperaturen in der Tiefsee Nanoarchaeum equitans Stetter, Nature, 417, 27 and 63, 2002 Schwarzer Raucher Hyperthermophile Mikroorganismen, wachsen bei Temperaturen bis zu 113 C. 16
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Tiefe Temperaturen im Boden Permafrost-Polygone im Lenadelta Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Tiefe Temperaturen im Boden Permafrost Psychrophile Microorganismen, wachsen bei -10 C 17
Methanogene Archaeen anaerob Überleben und Stoffwechselaktivitäten ohne O 2 lithoautotroph 4 H 2 + CO 2 CH 4 + H 2 O Bilder: AWI psychrophil T min < 0 C T opt bei 15 C, T max bei 20 C Submariner Permafrostkern Methanosarcina ssp. Himalaya-Mücke verbringt ihr ganzes Leben im Schnee und Eis eines Gletschers ernährt sich von Cyanobacterien und andere Bakterien ist bei 16 C aktiv wurde zuerst in Nepal gefunden Kohshima, 1984 18
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Hohe Salzkonzentrationen Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Hohe Salzkonzentrationen Bild: Wikipedia Rot pigmentierte Kolonien von Haloarchaen, ca. 1 cm Durchmesser Haloarcula quadrata Bilder: H. Stan-Lotter, Uni Salzburg Halococcus dombrowskii halophile Mikroorganismen 19
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Leben auf und in Steinen Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Leben auf und in Steinen epilithisch auf Steinen wachsend endolithisch in Steinen wachsend Wong et al., 2009 20
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: sehr saure oder basische Umgebungen acidophil Sulfolobus solfataricus alkaliphil Marinospirillium megaterium Satomi et al., 1998 Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Leben tief im Boden mehrere Kilometer unter der Erdoberfläche wachsende Mikroorganismen 21
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Leben tief im Boden mikrobieller Biofilm auf einem Basaltstück aus einer Tiefe von 1500 m (confokales Lasermikroskop grün: reflektiertes Licht der Basaltoberfläche rot: mit Nilrot gefärbte Bakterien Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Leben tief im Boden 22
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Leben in Trockenheit oft in Kombination mit anderen extremen Umweltbedingungen wie hohe Sonneneinstrahlung hohe oder niedrige Temperatur hoher Salzgehalt xerotolerante Organismen Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Trockenheit Bacillus subtilis keimungsfähige Sporen in einige Millionen Jahre altem Steinsalz keimungsfähige Sporen in einige Millionen Jahre altem Bernstein im Magen-Darm-Trakt eines Insekts keimungsfähige Sporen nach 6 Jahren Aufenthalt im Weltraum B. subtilis-sporen Credit: ESA 23
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Trockenheit Flechten sind eine symbiotische Lebensgemeinschaft zwischen einem Pilz und einem oder mehreren Photosynthese betreibenden Partnern, Grünalgen oder Cyanobakterien, sind sehr strahlungsresistent, überleben 14 Tage im Weltraum- Vakuum. Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Trockenheit Bärtierchen (Tardigraden) überleben 14 Tage im Weltraum- Vakuum sind sehr strahlungsresistent bilden als Schutzstoff Trehalose 24
Durch Strahlung und andere Umwelteinwirkungen hervorgerufene Schäden an der DNA Bild: Toxikologie, Universität Mainz DNA-Reparatur Alle Organismen, vom Bakterium bis zum Menschen, besitzen verschiedene enzymatische Reparaturenzyme. Bild: Toxikologie, Universität Mainz 25
Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Strahlung ionisierende Strahlung Einige Mikroorganismen aus der Gruppe der Bakterien und Archaeen sind sehr strahlungsresistent. Anpassung an extreme Umweltbedingungen: Strahlung UV-Strahlung Einige Mikroorganismen aus der Gruppe der Bakterien und Archaeen sind sehr strahlungsresistent. 26
Weitere Extremophile Barophile / Piezophile: Organismen, die optimal an hohen hydrostatischen Druck angepasst sind Oligotrophe: Organismen, die optimal an eine nährstoffarme Umgebung angepasst sind Toxitolerante: Organismen, die an großen Konzentrationen von für andere Organismen giftige Substanzen angepasst sind Zusammenfassung Mikroorganismen wurden in den letzten Jahrzehnten in Gegenden gefunden, die noch vor kurzem als lebensfeindlich galten. Extreme Umgebungen sind durch einen oder mehrere physikochemische Parameter charakterisiert. Beispiele: hydrothermale Schlote in der Tiefsee hohe Temperatur, hoher Druck, hohe Konzentationen an Metallionen, Wüstengebiete wenig Wasser, wenig Nährstoffe, viel solare UV- Strahlung Die Diversität in extremen Umgebungen ist häufig geringer als in gemäßigten Umgebungen. Jedoch ist es durch neue molekularbiologische Methoden möglich geworden auch bisher nicht kultivierbare Organismen zu identifizieren. 27
Die Grenzen für Leben auf der Erde und die Umweltbedingungen auf dem Mars Parameter Mars Wachstum Überleben Temperatur ( C) -123 - +25-20 - +113-262 - +113 Druck (Pa) 560 10 5-10 8 10-7 - 10 8 Ionisierende Strahlung (Gy) UV-Strahlung (nm) Wasseraktivität (a w) 0.2 1) 50 5000 200 terrestrisch ( 290) terrestrisch ( 290) 7 x 10-4 2) 0.7 0 1.0 Salzgehalt regional hoch 30 % Salzkristalle ph (?) 1-11 0 12.5 Nährstoffe (?) unterschiedliche nicht notwendig Nährstoffan-sprüche Gaszusammensetzung 95.3 % CO 2 unterschiedliche besser ohne O 2 2.7 % N 2 0.13 % O 2 Ansprüche (oxisch oder anoxisch) Zeit (a) (?) 0.5 3) (25 40) x 10 6 1) pro Jahr; 2) g/cm³; 3) Generationszeit Der Mars war früher wärmer und feuchter. bis vor ca. 3,8 Milliarden Jahren: wärmeres Klima, große Teile der Marsoberfläche waren von Ozeanen bedeckt vor ca. 3,8 1,5 Milliarden Jahren: der Mars wird kälter und trockener, Seen sind mit Eis bedeckt, flüssiges Wasser existiert nur noch in porösen Gesteinen und großen Tiefen seit ca. 1,5 Milliarden Jahren: flüssiges Wasser ist nur noch auf große Tiefen beschränkt 28
Könnte sich auf dem frühen Mars Leben wie auf der frühen Erde entwickelt haben? Bild: ESA Die europäische ExoMars-Rover-Mission Missionziele: die Suche nach Anzeichen von früherem oder heutigem Leben auf dem Mars die geologischen/minealogischen Eigenschaften des Marsbodens die Identifikation von möglichen Gefahrenquelln für künftige bemannte Marsmissionen Untersuchungen zum Inneren des Planeten Mars, um seine Entstehung und Entwicklung besser zu verstehen Bild: ESA 29
Die europäische ExoMars-Rover-Mission Mobilität auf der Marsoberfläche Bodenproben aus bis zu 2 m Tiefe nominale Mission: 180 Sol Rover-Masse: 270 kg Nutzlast: 9 Instrumente; 17 kg - Panorama-Kamera - Ground Penetrating Radar - ExoBiologie-Labor geplant für 2018 Entwurf einer 2 Nutzlasten tragenden Landeeinheit Bild: ESA Könnte sich anderswo im Universum Leben wie auf der frühen Erde entwickelt haben? Bild: ESA 30
Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! 31