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Origin of life Mathias Jäger, Theresa Gotthart. Der Anfang Entstehung der Erde / Sonnensystem: Entstehung der Erde / Sonnensystem: 4.6 Gyr Erstes Leben:

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1 Origin of life Mathias Jäger, Theresa Gotthart

2 Der Anfang Entstehung der Erde / Sonnensystem: Entstehung der Erde / Sonnensystem: 4.6 Gyr Erstes Leben: 3.5 Gyr (Bakterien) Erstes Leben: 3.5 Gyr (Bakterien) Woher kam das Leben? Woher kam das Leben? Wie entstand es? Wie entstand es?

3 Definition von Leben Kapazität zur Selbstreplikation Kapazität zur Selbstreplikation Die Fähigkeit der Darwinschen Evolution zu folgen Die Fähigkeit der Darwinschen Evolution zu folgen Darwinsche Evolution Darwinsche Evolution Selektion Selektion Rekombination Rekombination Mutation Mutation

4 Mutation 2 Arten von Mutation: Unterschieden nach Erblichkeit und Ursache 2 Arten von Mutation: Unterschieden nach Erblichkeit und Ursache Erblichkeit Erblichkeit Keimbahnmutation Keimbahnmutation Somatische Mutation Somatische Mutation Ursache Ursache Spontanmutation Spontanmutation Induzierte Mutation Induzierte Mutation Replikationsfehler Replikationsfehler Unzureichende Proof-Reading-Aktivität Unzureichende Proof-Reading-Aktivität Crossing Over Crossing Over

5 Crossing Over

6 Bausteine des Lebens Wasser (60-70%) Wasser (60-70%) Sauerstoff Sauerstoff Kohlenstoff Kohlenstoff Stickstoff Stickstoff Phosphor Phosphor Schwefel Schwefel Atome des Elements (pro ) im Menschen H60563 O25670 C10680 N2440 Ca230 P130 S130 Na75 K37 Cl33

7 Warum Kohlenstoff? Alles Leben basiert auf C Alles Leben basiert auf C Große Anzahl möglicher langer Molekülverbindungen Große Anzahl möglicher langer Molekülverbindungen z.B.: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor z.B.: Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor C kann Verbindungen bauen, die in Wasser löslich sind (für Interaktion notwendig) C kann Verbindungen bauen, die in Wasser löslich sind (für Interaktion notwendig) Alternative: Silizium? Alternative: Silizium?

8 Warum Wasser? Brauchen Medium in dem Moleküle interagieren können Brauchen Medium in dem Moleküle interagieren können Wasser bestens geeignet (weder zu heiß, noch zu kalt), im flüssigen Zustand Wasser bestens geeignet (weder zu heiß, noch zu kalt), im flüssigen Zustand Alternative: Ammoniak Alternative: Ammoniak

9 Wasser 70% der Erdoberfläche sind Wasser 70% der Erdoberfläche sind Wasser Wasser ist polarisiert (Verbindung mit O) Wasser ist polarisiert (Verbindung mit O) 2 Arten von Molekülen (wasserlöslich, nicht wasserlöslich) 2 Arten von Molekülen (wasserlöslich, nicht wasserlöslich) Beide wichtig für Leben Beide wichtig für Leben Möglichkeit für Makromoleküle (Fette und Öle, Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren) Möglichkeit für Makromoleküle (Fette und Öle, Kohlenhydrate, Proteine, Nukleinsäuren)

10 DNA Proteine Proteine Katalysatoren (Enzyme) Katalysatoren (Enzyme) Nukleinsäuren Nukleinsäuren DNA, RNA DNA, RNA T… Thymin A... Adenin G… Guanin C… Cytosin U… Uracil

11 Die Welt der RNA Zuerst RNA oder DNA? Zuerst RNA oder DNA? Allgemein: zuerst RNA Allgemein: zuerst RNA Nukleide der RNA schneller entwickelt Nukleide der RNA schneller entwickelt RNA stabiler als DNA RNA stabiler als DNA RNA vor Proteinen entwickelt RNA vor Proteinen entwickelt

12 Suche nach den Ursprüngen Molekulare Strukturen in Gesteinsproben Molekulare Strukturen in Gesteinsproben Zellreste Zellreste Abdrücke in Sedimenten Abdrücke in Sedimenten Organisches Material Organisches Material Mineralien (entstanden bei Bio-Prozessen) Mineralien (entstanden bei Bio-Prozessen) Isotope, die auf Bio-Aktivität hinweisen Isotope, die auf Bio-Aktivität hinweisen Atmosphärische Komponenten Atmosphärische Komponenten

13 Zwei Vorgehensweisen Bottom-up Szenario Bottom-up Szenario Von Entstehung der Erde auf Beginn des Lebens Von Entstehung der Erde auf Beginn des Lebens Leblose Elemente, Moleküle, Mineralien Leblose Elemente, Moleküle, Mineralien Top-down Szenario Top-down Szenario Von heute auf Beginn des Lebens extrapolieren Von heute auf Beginn des Lebens extrapolieren Betrachten nur Bottom-up

14 Millers Experiment Uratmosphäre Uratmosphäre Urozean Urozean Methan, Wasserstoff, Ammoniak Methan, Wasserstoff, Ammoniak Energie Energie => Aminosäuren werden produziert

15 Murchison Meteorit 28. September 1969 nahe Melbourne 28. September 1969 nahe Melbourne Kohlenstoffreich Kohlenstoffreich Stück eines Asteroiden aus Gürtel Stück eines Asteroiden aus Gürtel Enthielt organische Moleküle (Aminosäuren) Enthielt organische Moleküle (Aminosäuren) Bildung im Universum und nicht auf der Erde Bildung im Universum und nicht auf der Erde

16 AminosäureMiller-ExperimentMurchisonErde Glycine ******** Ja Alanine ******** Ja Α-amino-N-butyric acid ******* Nein A-Aminoisobutyric ****** Nein Valine ***** Ja Norvaline ****** Nein Isovaline **** Nein Proline **** Ja Pipecolic acid ** Nein Aspartic acid ****** Ja Glutamic acid ****** Ja Β-Alanince **** Nein B-Amino-N-butyric acid **** Nein B-Aminosobutyric acid ** Nein Y-Aminobutyric acid *** Nein Sarcosnic ***** Nein N-Ethylglycine **** Nein N-Methylalanine **** Nein

17 Leben von außerhalb? Meteoriten und Kometeneinschläge bringen organisches Material auf die Erde Meteoriten und Kometeneinschläge bringen organisches Material auf die Erde QuellenMasse (kg)Akkretion /10 6 kg yr -1 Carbon Meteoritenmaterial Meteore (von Kometen) – % Meteoriten10 -2 – % Kraterbildene Körper10 5 – % Organisches Material Meteore (von Kometen) – % Meteoriten (ohne C)10 -2 – x % Meteoriten (mit C)10 -2 – x %

18 Chirality 2 Arten von Molekülen 2 Arten von Molekülen Chiral (Rechte-Hand-Linke-Hand-Prinzip) Chiral (Rechte-Hand-Linke-Hand-Prinzip) Achiral (Spiegelfest) Achiral (Spiegelfest)

19 Chirality und das Leben Aminosäuren gemischt, rechte Hand, linke Hand Aminosäuren gemischt, rechte Hand, linke Hand Proteine nur aus linke Hand Aminosäuren Proteine nur aus linke Hand Aminosäuren Bemerkenswert: 19 der 20 Säuren können sowohl links als auch rechts händig sein Bemerkenswert: 19 der 20 Säuren können sowohl links als auch rechts händig sein Linke Hand Aminosäuren wurden auch im Murchison-Meteoriten gefunden Linke Hand Aminosäuren wurden auch im Murchison-Meteoriten gefunden

20 Akkumulation von organischem Material Abgeschlossene Lagunen und Tümpel, Wasser verdampft, Konzentration steigt Abgeschlossene Lagunen und Tümpel, Wasser verdampft, Konzentration steigt Wasser friert, angereichertes gefriert später Wasser friert, angereichertes gefriert später Ton und Mineralien sammeln organisches Material, Ton sammelt es innerhalb seiner Struktur Ton und Mineralien sammeln organisches Material, Ton sammelt es innerhalb seiner Struktur Weiterentwicklung: Genauen Prozesse noch unbekannt Weiterentwicklung: Genauen Prozesse noch unbekannt

21 Zusammenfassung Leben basiert auf C Leben basiert auf C Wasser ist Grundlage, aufgrund molekularer Entwicklung Wasser ist Grundlage, aufgrund molekularer Entwicklung Offene Fragen: Leben von außerhalb, oder Erde? Leben von außerhalb, oder Erde? Leben auf anderen Elementen basierend? Leben auf anderen Elementen basierend? Entwicklung des Lebens an sich? Entwicklung des Lebens an sich?


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