Die Entstehung des Lebens

1. Die Entstehung des Lebens Seminarvortrag AC V am13.07.10 Sebastian Gathemann

2. Gliederung • Grundlagen für die chemische Evolution • Urbedingungen • Ursuppentheorie • Eisen-Schwefel-Welt • Extraterrestrischer Einfluss • chirale Autokatalyse • Zusammenfassung

3. Grundlagen für chem. Evolution • Synthese der Grundbausteine • Aminosäuren • Fettsäuren • Zucker • … • Enantiomerenreinheit der Verbindungen • Entstehen von Biopolymeren/Biokatalysatoren • Möglichkeit zur Informationsspeicherung

4. Urbedingungen • Zeitraum • vor 4,3 - 3,8 Milliarden Jahren • Atmosphäre • O2-Atmosphäre erst durch anaerobe Mechanismen • Stark reduzierend (CH4, NH3, H2 , H2O) • Reduzierend (H2, H2O, CO, N2) • Neutral (CO, CO2, N2, H2O) • Keine Ozonschicht vorhanden  deutlich höhere UV-Strahlung

5. Urbedingungen • Temperatur • -40° C bis 100° C • Paradoxon der schwachen, jungen Sonne • Hoher Treibhauseffekt • Ständige Gewitter • Häufige Eruptionen • Meteoriteneinschläge

6. Ursuppentheorie • 1953 Stanley L. Miller und Harold Urey • Stark reduzierende Umgebung • CH4, H2O, NH3, H2, CO • Elektrische Entladungen als Energiequelle • bis zu 22 verschiedene Aminosäuren • Anreicherung in den Ozeanen

7. Ursuppentheorie • Kritik • Bei weniger stark reduzierender Atmosphäre geringe Ausbeuten • CH4-N2-H2O : 1 % • CO2-N2-H2O : 0.0006% • Kein Enantiomerenüberschuss • Nur Synthese der Grundbausteine • Erreichte Konzentrationen zu niedrig für Polymerisation

8. Ursuppentheorie • Weiterentwicklungen • Reaktion an „Hot-Spots“ • Reduzierende Gase aus Vulkaneruptionen • HCN als Stickstoffquelle • Polymerisation • Anreicherungen durch Strömungen und Adsorption an Oberflächen • Polymerisation mit Carbonylsulfid

9. Eisen-Schwefel-Welt • 1988 Günther Wächtershäuser • Synthese an der Oberfläche von hydrothermalen Quellen („Schwarze Raucher“) • ChemoautotropherOberflächen-Metabolismus • Keine organischen Grundbausteine • Keine Translation • Zweidimensionale Monomolekulare Schicht • Anionischer Metabolismus auf kationischer Oberfläche

10. Eisen-Schwefel-Welt • Relativ Hohe Temperaturen von ca. 100° C • Kinetische Energie reicht trotz eingeschränkter Beweglichkeit um die EA zu überwinden • Hohe Temperaturgradienten vorhanden • Selektion durch Bindungsstärke und Hydrophobizität • CO2 und CO als Kohlenstoff Quellen • Energie für Reduktion • Bildung von Pyrit:

11. Eisen-Schwefel-Welt • Möglicher Vorläufer zum Citrat-Zyklus Citrat-Cyclus Eisen-Schwefel-Welt

12. Eisen-Schwefel-Welt • Polymerisation • Aggregation der Monomere an der Festphase • Große Polyanionen haben höhere Bindungsstärke • Katalyse an Metallzentren • Kritik • Synthese an hydrothermalen Quellen als Teil der Ursuppentheorie • Keine Informationsspeicherung/Replikation • Kein Enantiomerenüberschuss

13. Extraterrestrischer Einfluss • 1969 Murchison Meteorit • Enthält diverse organische Verbindungen, darunter 90 Aminosäuren • Überwiegend leichter Überschuss von L-Aminosäuren bis zu 15 % • Unterschiedliche Absorptionskoeffizienten bei Enantiomeren für zirkular polarisiertes Licht • Unterschiedlich schneller Zerfall durch zirkular polarisierte UV-Strahlung • Vermutlich wir polarisierter UV-Strahlung bei der Entstehung von Sternen frei

14. Extraterrestrischer Einfluss • 2009 künstliche Herstellung eines Kometen • CO, CO2, MeOH, NH3, H2O (Vorkommen in interstellaren Molekülwolken) • 12 K, 10-7mbar, Bestrahlung mit = 120 – 180 nm • Fund von 16 Aminosäuren, auch nach veränderten Versuchsbedingungen • Darunter auch Diaminosäuren Bausteine für PNS • 2014 Rosetta-Mission • Bestrahlen von Aminosäuren mit „chiralem Licht“ • Synchrotron-Zentrum SOLEIL • Entantiomerenüberschuss von bis zu 2,6 %

15. Extraterrestrischer Einfluss • Häufige Meteoriteneinschläge von 4 – 4,2 Ga • Hydrolyse der molekularen Bausteine • Adsorption an Mineralien • Ausreichende Konzentration für Polykondensation • Kritik • Zerfall der Aminosäuren durch den Aufprall • Auslagerung der Problematik

16. ChiraleAutokatalyse • Indizierung eines leichten Enantiomerenüberschuss • Durch zirkular polarisiertes Licht • Statistischer Überschuss ee = (n1/2)/n • Entiomerenreine Verbindung durch Autokatalyse • Geringer Enantiomerenüberschuss reicht für Autokatalyse • Auch mit statistischer Fluktuation von ee = 0,00005 % möglich

17. ChiraleAutokatalyse • Anreicherung von ee bei Kristallisation • Bei Konglomeraten 1:1 (+) und (-) Kristalle • Durch Rühren bei Kristallisation bis zu 80 % ee • Bei vorhandenem Enatiomerenüberschuss bevorzugte Keimbildung • Kristallisation von bis zu 100 % ee

18. Zusammenfassung “As we emphasized in our Perspective, regardless of what Wächtershäuser may speculate, it is unlikely that life could have evolved into modern biochemistry in the absence of a genetic replication mechanism to ensure the stability, survival, and diversification of its basic components.” ANTONIO LAZCANO AND JEFFREY L. BADA, 2002 [6] “The “prebiotic soup theory” claims a protracted, mechanistically obscure self-organization in a cold, primitive ocean, in which organic compounds accumulated over thousands or millions of years.” GÜNTER WÄCHTERSHÄUSER AND CLAUDIA HUBER, 2007 [7]

19. Zusammenfassung • Ungewissheit der Urbedingungen • Verschiedene Ansätze zur Entstehung der Grundbausteine • Ursuppentheorie: hohe Konzentration für Polymerisation erforderlich • Vorstufe des Lebens an Eisen-Schwefel-Oberflächen ? • Chiralitätals statistisches Produkt oder induziert durch Weltraumstrahlung

20. Literatur • [1] J. L. Bada, Earth and Planetary Science Letters2004, 226, 1-15. • [2] J. F. Kasting, Nature2010, 464, 687-689. • [3] S. L. Miller, Science 1953, 117, 528-529. • [4] S. Miyakawa, H. Yamanashi, K. Kobayashi, H. J. Cleaves, S. L. Miller, PNAS 2002, 99, 14628-14631 • [5] A. P. Johnson, H. J. Cleaves, J. P. Dworkin, D. P. Glavin, A. Lazcano, J. L. Bada, Science, 2008, 322, 404. • [6] G. Wächtershäuser, A. Lazcano, J. L. Bada, Science2002, 298, 747-749. • [7] G. Wächtershäuser, C. Huber, Antonio Lazcano, Jeffrey L. Bada, B. Fegley Jr., S. L. Miller, H. J. Cleaves, R. M. Hazen, J. Chalmers, Science2007, 298, 747-749. • [8] C. Huber, W. Eisenreich, G. Wächtershäuser, Tetrahedron Letters2010, 51, 1069-1071. • [9] G. Wächtershäuser, Microbiol. Rev. 1988, 52, 452-484. • [10] G. Wächtershäuser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 200-204. • [11] J. Bailey, ActaAstronautica2000, 46, 627-631 • [12] M. Bertrand, S. van der Gaast, F. Vilas, F. Hörz, G. Haynes, A. Chabin, A. Brack, F. Westall, Anstrobiology, 2009, 9, 943-951. • [13] T. Kawasaki, M. Sato, S. Ishiguro, T. Saito, Y. Morishita, I. Sato, H. Nishino, Y. Inoue, K. Soai, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 3274-3275. • [14] M. Avalos, R. Babiano, P. Cintas, J. L. Jiménez, J. C. Palacios, Royal Soc. Of Chem.2000, 887-892. • [15] U. J. Meierhenrich, Chem. Unserer Zeit 2009, 43, 204-209. • [16] G. Kreisel, C. Wolf, W. Weigand, M. Dörr, Chem. Unserer Zeit 2003, 37, 306-313. • [17] M. Groß, Chem. Unserer Zeit 2006, 40, 8-10. • [18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a3/Miller-Urey-Experiment.png

21. Danke für die Aufmerksamkeit!

22. Urbedingungen • Paradoxon der schwachen Sonne • Ca. 30 % geringere Strahlungsleiste als heute • Trotzdem flüssiges H2O vorhanden • Lösungsvorschlag • Treibhauseffekt von CO2, NH3, CH4und H2O • Untersuchungen an Gesteinsschichten und • Meeressedimenten widersprüchlich • Zerfall von NH3 • Erklärung für die Vereisung vor 2,45 Milliarden Jahren

23. Ursuppen-Theorie • Strecker Synthese