Transcript Schnittstellen Evolution

Biologische Schnittstellen im
Chemieunterricht
Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg
[email protected]
Dr. Bernhart RUSO, TU Wien
[email protected]
Evolution
Entwickeln von Information
Chemische Evolution
Hypothesen müssen folgende Punkte
klären…
• abiogene Entstehung der Biomoleküle
• Entstehung sich selbst replizierender
Systeme
• Entstehung der Zelle
• Entstehung der gegenseitigen
Abhängigkeit von Funktion und Information
• Umweltbedingungen der Erde
Übersicht
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•
Kosmochemie
Evolution der Biomoleküle
RNA – DNA
Hyperzyklus
Kosmochemie
Nukleosynthese
• Neue Atomkerne werden durch
Kernreaktionen aus schon vorhandenen
Teilchen gebildet.
• Primordiale Nukleosynthese: Kurz nach
dem Urknall entstanden Wasserstoffund Heliumatome
• Stellare Nukleosynthese: im Inneren der
Fixsterne
Urknall
• vor 14-20 Mrd. Jahren
T = 1932 K
• nach 10-32s Quarks, Leptonen, Gluonen
T = 1028 K
• nach 10-7s Protonen, Neutronen,
Antineutronen, Antiprotonen
T = 1014 K
• Rest: Protonen, Neutronen, Elektronen
Primordiale Nukleosynthese
erste Fusionsprozesse
• nach 10-2s 1H, 2D, 3He, 4He, 7Li
T = 1011 K
• 3 Minuten später: p+ + e- → 1H
Erste stellare Kernfusion
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•
•
+3T → 4He + n0
2D + 2D → 3He + n0
2D + 2D → 3T + p +
3He + 2D → 4He + p +
2D
17,588 MeV
3,268 MeV
4,03 MeV
18,34 MeV
Proton-Proton-Reaktionen
• 1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + νe
0,42MeV
• e+ + e- → 2γ
1,022 MeV
• 2H+ + 1H+ → 3He2+ + γ
5,49 MeV
Drei Alpha Prozess
• 4He + 4He ↔ 8Be + γ - 91,78 keV
8Be + 4He → 12C + γ + 7,367 MeV
• 12C + 4He → 16O + γ
Bethe-Weizsäcker-Zyklus
•
12C
+ 1H → 13N + γ + 1,95MeV
1,3·107 Jahre
•
13N
→ 13C + e+ + ve + 1,37 MeV
7 Minuten
•
13C
+ 1H → 14N + γ + 7,54 MeV
2,7·106 Jahre
•
14N
+ 1H → 15O + γ + 7,35 MeV
3,2·108 Jahre
•
15O
→ 15N + e+ + νe + 1,86 MeV
82 Sekunden
•
15N
+ 1H → 12C + 4He + 4,96 MeV
1,12·105 Jahre
Die Entstehung einzelner
chemischer Elemente
• Kohlenstoffbrennen
– Ne, He, Na, p+, Mg, hf, n0
– Roter Riese
• Sauerstoffbrennen
– 28Si, 31P, 32S, 31S, ev. Cl, Ar
– Weißer Zwerg
• Siliziumbrennen
– 56Ni, 56Co, 56Fe
– Supernova
Weißer Zwerg
Roter Riese
Supernova
Sonne
Letzte Brennphasen
• 0,3 Sonnenmassen
(SM)
– Weiße Zwerge
– Schwarze Zwerge
• 0,3 – 2,3 SM
– He-Brennen
– Roter Riese
– Weißer Zwerg
• > 2,3 SM
–
–
–
–
–
Eisen entsteht
Supernova
Neutronenstern
Schwarzes Loch
Quarkstern (?)
Supernova
• Synthese von Elementen schwerer als
Eisen
• Li, Be, B-Isotope
Sternentstehung
Übersicht
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Kosmochemie
Evolution der Biomoleküle
RNA – DNA
Hyperzyklus
Beiträge zur Evolution der
Biomoleküle von…
• Alexander Oparin, Harold C. Urey,
Stanley L. Miller, Sidney W. Fox,
Thomas R. Cech, Sidney Altman,
Walter Gilbert, Günter von Kiedrowski,
Manfred Eigen, Julius Rebek jr., John B.
Corliss, Günter Wächtershäuser, A. G.
Cairns-Smith , David C. Mauerzall,
Wolfgang Weigand, Mark Dörr, …
Biomoleküle
3 Schritte der präbiotischen Entstehung:
• Entstehung einfacher organischer
Moleküle aus anorganischen Stoffen.
• Entstehung der Grundbausteine
komplexer organischer Moleküle aus
einfachen organischen Molekülen.
• Entstehung der komplexen organischen
Moleküle aus den Grundbausteinen.
Quellen anorganischer Stoffe
• nur reduzierte Formen
– C in Methan statt Kohlenstoffoxiden
– N in Ammoniak statt in Nitrat
– S in Schwefelwasserstoff statt in Sulfat
• Energiequellen
–
–
–
–
–
UV-Strahlung
vulkanische Prozesse
ionisierende Strahlung
elektrische Entladungen
anaerobe Redox-Prozesse
Zusammensetzung der
Biomoleküle
C
H
O
N
Kohlenhydrate
X
X
X
Lipide
X
X
X
X
Proteine
X
X
X
X
Nucleotide
X
X
X
X
Porphine
X
X
X
X
S
P
X
X
X
Entwicklung der
Erdatmosphäre
• Uratmosphäre
– vor 4,56 Mrd. Jahren
– H2, He, Methan,
Ammoniak
Entwicklung der
Erdatmosphäre
• Erste Atmosphäre
– vor 4 Mrd. Jahren
– 80% H2O
– 10% CO2
– 5-7% H2S
– N2, H2, CO, He,
Methan, Ammoniak
in Spuren
Entwicklung der
Erdatmosphäre
• Zweite Atmosphäre
– vor ca. 3 Mrd. Jahren
– 40000 Jahre
Dauerregen
– gärende,
chemolithotrophe
Bakterien
– N2
– Carbonate entstehen
– H2O, CO2, Ar in
Spuren
Entwicklung der
Erdatmosphäre
• Dritte Atmosphäre
– vor 2,3 Mrd. Jahren
– O2 durch
Photosynthese
– Erze
– Ozon
Bedeutung des Wassers
Urey-Miller-Experiment
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Aminosäuren
Lipide
Purine
Zucker
Porphyrine
Isoprene
Synthese von Adenin
• aus Aldehyden und Cyanwasserstoff
–2
–5
– 5 HCN
+ HCN + H2O → Serin
→ Ribose
→ Adenin
Die Eisen-Schwefel-Welt
nach Wächtershäuser
FeS2 + H2 → FeS + H2S exotherm
Bildung von Makromolekülen
• ATP
• Polymerisation von Carbodiimid R-N=C=N-R
oder Dicyan N≡C-C≡N
z. B. N≡C-C≡N + H2O → R-NH-CO-NH-R
Übersicht
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Kosmochemie
Evolution der Biomoleküle
RNA – DNA
Hyperzyklus
DNA-Vorläufer
Konfiguration von DNA
Struktur des Phosphodiesters
Konformationen der DNA
Chromatin
• Komplex aus DNA und Proteinen
Euchromatin und
Heterochromatin
Heterochromatin
• konstruktives Heterochromatin
– viele kurze DNA-Sequenzen
– liefern keine Proteine, sondern sRNA
• fakultatives Heterochromatin
– ein X-Chromosom wird stillgelegt
• funktionelles Heterochromatin
– legt Teile des Chromosoms still
Histone
Chromosomen
Molekularer Aufbau der
Chromosomen
Konfiguration der RNA
Funktionen der RNA
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mRNA
tRNA
rRNA
hnRNA, snRNA, microRNA, aRNA
Ribiswitches
Ribozyme
Struktur der tRNA
Ribozyme
Reifung der RNA
Umesterung
RNA-Welt
Übersicht
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Kosmochemie
Evolution der Biomoleküle
RNA – DNA
Hyperzyklus
Hyperzyklus
Alternativ betrachtete
Möglichkeiten
• Biomoleküle aus dem Weltall
(Exobiologie)
• Black Smoker
• Panspermie
• Religiöse Sichtweisen
Quellen
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http://www.waschke.de
http://www.senckenberg.de/
http://online-media.uni-marburg.de
Wikipedia
Lindner Biologie