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8.2: Astrobiologie - Biologie

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8.2: Astrobiologie

30.2 Astrobiologie

Wissenschaftler verfolgen heute einen multidisziplinären Ansatz, um den Ursprung, die Evolution, die Verteilung und das endgültige Schicksal des Lebens im Universum zu untersuchen. Dieses Studiengebiet wird als Astrobiologie bezeichnet. Manchmal hören Sie dieses Feld auch als Exobiologie oder Bioastronomie. Astrobiologie bringt Astronomen, Planetenwissenschaftler, Chemiker, Geologen und Biologen (unter anderem) zusammen, um aus ihren verschiedenen Perspektiven an denselben Problemen zu arbeiten.

Zu den Fragen, die Astrobiologen erforschen, gehören die Bedingungen, unter denen das Leben auf der Erde entstand, und die Gründe für die außergewöhnliche Anpassungsfähigkeit des Lebens auf unserem Planeten. Sie sind auch daran beteiligt, bewohnbare Welten jenseits der Erde zu identifizieren und zu versuchen, in praktischer Hinsicht zu verstehen, wie man auf diesen Welten nach Leben sucht. Schauen wir uns einige dieser Probleme genauer an.

Die Bausteine ​​des Lebens

Obwohl noch keine eindeutigen Beweise für Leben außerhalb der Erde gefunden wurden, wurden die chemischen Bausteine ​​des Lebens in einer Vielzahl außerirdischer Umgebungen entdeckt. Meteoriten (von denen Sie in Kosmische Proben und der Ursprung des Sonnensystems erfahren haben) enthalten zwei Arten von Substanzen, deren chemische Strukturen sie als außerirdischen Ursprungs kennzeichnen – Aminosäuren und Zucker. Aminosäuren sind organische Verbindungen, die die molekularen Bausteine ​​von Proteinen sind. Proteine ​​sind biologische Schlüsselmoleküle, die für die Struktur und Funktion der Gewebe und Organe des Körpers sorgen und im Wesentlichen die „Arbeit“ der Zelle ausführen. Wenn wir das Gas und den Staub um Kometen untersuchen, finden wir auch eine Reihe organischer Moleküle – Verbindungen, die auf der Erde mit der Chemie des Lebens in Verbindung gebracht werden.

Außerhalb unseres Sonnensystems ist eines der interessantesten Ergebnisse der modernen Radioastronomie die Entdeckung organischer Moleküle in riesigen Gas- und Staubwolken zwischen den Sternen. In diesen Reservoirs kosmischer Rohstoffe wurden mehr als 100 verschiedene Moleküle identifiziert, darunter Formaldehyd, Alkohol und andere, die wir als wichtige Sprungbretter für die Entwicklung des Lebens auf der Erde kennen. Mit Radioteleskopen und Radiospektrometern können Astronomen die Häufigkeit verschiedener Chemikalien in diesen Wolken messen. Wir finden organische Moleküle am leichtesten in Regionen, in denen der interstellare Staub am häufigsten vorkommt, und es stellt sich heraus, dass dies genau die Regionen sind, in denen die Sternentstehung (und wahrscheinlich auch die Planetenentstehung) am leichtesten stattfindet (Abbildung 30.4).

Offensichtlich hat die frühe Erde selbst einige der molekularen Bausteine ​​des Lebens produziert. Seit den frühen 1950er Jahren haben Wissenschaftler versucht, in ihren Labors die chemischen Wege zu kopieren, die zum Leben auf unserem Planeten führten. In einer Reihe von Experimenten, die als Miller-Urey-Experimente, Pionierarbeit von Stanley Miller und Harold Urey an der University of Chicago, haben Biochemiker die Bedingungen auf der frühen Erde simuliert und konnten einige der grundlegenden Bausteine ​​des Lebens herstellen, darunter solche, die Proteine ​​​​und andere große biologische Moleküle bilden, die als Nukleinsäuren bekannt sind (die wir in Kürze besprechen werden).

Obwohl diese Experimente ermutigende Ergebnisse lieferten, gibt es einige Probleme mit ihnen. Die aus biologischer Sicht interessanteste Chemie findet mit wasserstoffreichen oder reduzierend Gase wie Ammoniak und Methan. Die frühe Atmosphäre der Erde wurde jedoch wahrscheinlich von Kohlendioxid dominiert (wie die Atmosphären von Venus und Mars noch heute) und enthielt möglicherweise keine Fülle an reduzierenden Gasen, die mit denen vergleichbar waren, die in Miller-Urey-Experimenten verwendet wurden. Hydrothermale Quellen – Meeresbodensysteme, in denen Meerwasser überhitzt und durch Krusten- oder Mantelgesteine ​​zirkuliert wird, bevor es wieder in den Ozean gelangt – wurden ebenfalls als potenzielle Mitwirkende organischer Verbindungen auf der frühen Erde vorgeschlagen, und solche Quellen würden keine frühe Erdung erfordern reduzierende Atmosphäre.

Sowohl irdische als auch außerirdische Quellen könnten zur frühen Versorgung der Erde mit organischen Molekülen beigetragen haben, obwohl wir für letztere direktere Beweise haben. Es ist sogar denkbar, dass das Leben selbst anderswo entstanden ist und auf unserem Planeten ausgesät wurde – obwohl dies natürlich nicht das Problem löst, wie dieses Leben überhaupt entstanden ist.

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Hydrothermale Quellen scheinen wahrscheinlicher als frühe Beiträge zu den auf der Erde gefundenen organischen Verbindungen zu sein. Lesen Sie mehr über hydrothermale Quellen und sehen Sie sich Videos und Diashows zu diesen und anderen Tiefseewundern auf der Website der Woods Hole Oceanographic Institution an.

Probieren Sie eine interaktive Simulation der Hydrothermal-Blutzirkulation auf der Dive and Discover-Website aus.

Der Ursprung und die frühe Evolution des Lebens

Die Kohlenstoffverbindungen, die die chemische Grundlage des Lebens bilden, mögen im Universum weit verbreitet sein, aber von diesen Bausteinen zu einer lebenden Zelle ist es noch ein Riesenschritt. Selbst die einfachsten Moleküle der Gene (die grundlegenden Funktionseinheiten, die das genetische oder erbliche Material in einer Zelle tragen) enthalten Millionen von molekularen Einheiten, die jeweils in einer präzisen Reihenfolge angeordnet sind. Darüber hinaus erforderte selbst das primitivste Leben zwei besondere Fähigkeiten: ein Mittel, um seiner Umgebung Energie zu entziehen, und ein Mittel, um Informationen zu verschlüsseln und zu replizieren, um getreue Kopien von sich selbst zu erstellen. Biologen können heute Wege erkennen, dass sich eine dieser Fähigkeiten in einer natürlichen Umgebung gebildet haben könnte, aber wir sind noch weit davon entfernt zu wissen, wie die beiden in den ersten Lebensformen zusammengekommen sind.

Wir haben keine soliden Beweise für den Weg, der zum Ursprung des Lebens auf unserem Planeten führte, außer für die frühe Geschichte, die in der Biochemie des modernen Lebens erhalten bleiben könnte. Tatsächlich haben wir nur sehr wenige direkte Beweise dafür, wie die Erde selbst während ihrer frühesten Geschichte aussah – unser Planet ist so effektiv, sich durch Plattentektonik zu erneuern (siehe das Kapitel über die Erde als Planet), dass nur sehr wenige Gesteine ​​aus dieser frühen Zeit übrig sind. Im vorherigen Kapitel über Welten mit Kratern haben Sie erfahren, dass die Erde vor etwa 3,8 bis 4,1 Milliarden Jahren einem schweren Bombardement ausgesetzt war – einer Periode großer Einschlagsereignisse. Große Einschläge wären energetisch genug gewesen, um die Oberflächenschichten der Erde durch Hitze zu sterilisieren, so dass selbst wenn das Leben zu diesem Zeitpunkt begonnen hätte, es möglicherweise ausgelöscht worden wäre.

Als die großen Einschläge nachließen, war die Bühne für eine friedlichere Umwelt auf unserem Planeten geschaffen. Wenn die Ozeane der Erde angesammeltes organisches Material aus einer der bereits erwähnten Quellen enthielten, standen die Zutaten zur Verfügung, um lebende Organismen herzustellen. Wir verstehen die Abfolge der Ereignisse, die von den Molekülen zur Biologie führten, nicht im Detail, aber es gibt fossile Beweise für mikrobielles Leben in 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen und mögliche (debattierte) Beweise für Leben bis zu 3,8 Milliarden Jahre.

Das Leben, wie wir es kennen, verwendet zwei molekulare Hauptsysteme: die als Proteine ​​bekannten funktionellen Moleküle, die die chemische Arbeit der Zelle ausführen, und informationshaltige DNA-Moleküle (Desoxyribonukleinsäure), die Informationen darüber speichern, wie die Zelle und ihre Zellen entstehen chemische und strukturelle Komponenten. Der Ursprung des Lebens wird manchmal als „Henne-Ei-Problem“ bezeichnet, weil in der modernen Biologie keines dieser Systeme ohne das andere funktioniert. Es sind unsere Proteine, die DNA-Stränge in der genauen Reihenfolge zusammenbauen, die zum Speichern von Informationen erforderlich ist, aber die Proteine ​​​​werden basierend auf in der DNA gespeicherten Informationen erstellt. Was war zuerst da? Einige Forscher des Ursprungs des Lebens glauben, dass die präbiotische Chemie auf Molekülen basiert, die sowohl Informationen speichern als auch die chemische Arbeit der Zelle erledigen können. Es wurde vorgeschlagen, dass RNA (Ribonukleinsäure), ein Molekül, das den Fluss genetischer Informationen von der DNA zu Proteinen unterstützt, einem solchen Zweck gedient haben könnte. Die Idee einer frühen „RNA-Welt“ hat sich zunehmend durchgesetzt, doch über die Entstehung des Lebens bleibt noch viel zu verstehen.

Die vielleicht wichtigste Neuerung in der Geschichte der Biologie, abgesehen vom Ursprung des Lebens selbst, war die Entdeckung des Prozesses der Photosynthese, der komplexen Abfolge chemischer Reaktionen, durch die einige Lebewesen Sonnenlicht nutzen können, um Produkte herzustellen, die Energie speichern (wie z in Form von Kohlenhydraten), wobei Sauerstoff als ein Nebenprodukt freigesetzt wird. Früher musste das Leben mit chemischen Energiequellen auskommen, die auf der Erde verfügbar waren oder aus dem Weltraum geliefert wurden. Aber die reichlich vorhandene Energie des Sonnenlichts könnte eine größere und produktivere Biosphäre sowie einige biochemische Reaktionen unterstützen, die zuvor für das Leben nicht möglich waren. Eine davon war die Produktion von Sauerstoff (als Abfallprodukt) aus Kohlendioxid, und der Anstieg des atmosphärischen Sauerstoffgehalts vor etwa 2,4 Milliarden Jahren bedeutet, dass die sauerstoffproduzierende Photosynthese zu dieser Zeit entstanden und weltweit wichtig geworden sein muss. Tatsächlich ist es wahrscheinlich, dass die sauerstoffproduzierende Photosynthese wesentlich früher begann.

Einige chemische Beweise, die in alten Gesteinen enthalten sind, wie die festen, geschichteten Gesteinsformationen, die als Stromatolithen bekannt sind, werden als Fossilien von sauerstoffproduzierenden Photosynthesebakterien in fast 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen angesehen (Abbildung 30.5). Es wird allgemein angenommen, dass eine einfachere Form der Photosynthese, die keinen Sauerstoff produziert (und heute noch von einigen Bakterien verwendet wird), der sauerstoffproduzierenden Photosynthese wahrscheinlich vorausgegangen ist, und es gibt starke fossile Beweise dafür, dass die eine oder andere Art der Photosynthese auf der Erde funktionierte mindestens so weit zurück wie vor 3,4 Milliarden Jahren.

Der durch Photosynthese produzierte freie Sauerstoff begann sich vor etwa 2,4 Milliarden Jahren in unserer Atmosphäre anzusammeln. Die Wechselwirkung von Sonnenlicht mit Sauerstoff kann Ozon erzeugen (das drei Sauerstoffatome pro Molekül enthält, im Vergleich zu den zwei Atomen pro Molekül im Sauerstoff, den wir atmen), das sich in einer Schicht hoch in der Erdatmosphäre ansammelt. Wie heute auf der Erde schützte dieses Ozon vor der schädlichen ultravioletten Strahlung der Sonne. Dies ermöglichte es dem Leben, die Landmassen unseres Planeten zu kolonisieren, anstatt nur im Ozean zu bleiben.

Der Anstieg des Sauerstoffgehalts war für einige Mikroben tödlich, da er als hochreaktive Chemikalie einige der Biomoleküle, die das frühe Leben in Abwesenheit von Sauerstoff entwickelt hatte, irreversibel schädigen kann. Für andere Mikroben war es ein Segen: Die Kombination von Sauerstoff mit organischem Material oder anderen reduzierten Chemikalien erzeugt viel Energie – das sieht man zum Beispiel beim Verbrennen eines Baumstamms – und viele Lebensformen haben diese Lebensweise übernommen. Diese neue Energiequelle ermöglichte eine große Vermehrung von Organismen, die sich in einer sauerstoffreichen Umgebung weiter entwickelten.

Die Einzelheiten dieser Evolution sind eigentlich Gegenstand von Biologiekursen, aber der Prozess der Evolution durch natürliche Selektion (Überleben der Stärksten) liefert eine klare Erklärung für die Entwicklung der bemerkenswerten Vielfalt an Lebensformen der Erde. Es löst jedoch nicht direkt das Geheimnis der frühesten Anfänge des Lebens. Wir stellen die Hypothese auf, dass Leben immer dann entstehen wird, wenn die Bedingungen angemessen sind, aber diese Hypothese ist nur eine andere Form des kopernikanischen Prinzips. Wir haben jetzt das Potenzial, diese Hypothese mit Beobachtungen zu adressieren. Wenn ein zweites Beispiel für Leben in unserem Sonnensystem oder einem nahegelegenen Stern gefunden wird, würde dies bedeuten, dass Leben häufig genug auftaucht, dass das Universum wahrscheinlich mit Biologie gefüllt ist. Um solche Beobachtungen machen zu können, müssen wir jedoch zunächst entscheiden, worauf wir unsere Suche konzentrieren sollen.

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Wie ist das Leben überhaupt entstanden? Und hätte es mit einer anderen Art von Chemie passieren können? Sehen Sie sich das 15-minütige Video Making Matter Come Alive an, in dem ein Chemieexperte einige Antworten auf diese Fragen aus einem TED-Talk von 2011 untersucht.

Bewohnbare Umgebungen

Unter der überwältigenden Anzahl von Objekten in unserem Sonnensystem, der Galaxie und im Universum haben einige möglicherweise Bedingungen, die für das Leben geeignet sind, während andere dies nicht tun. Zu verstehen, welche Bedingungen und Merkmale eine bewohnbare Umgebung ausmachen – eine Umgebung, die Leben beherbergen kann – ist wichtig, um zu verstehen, wie weit verbreitet bewohnbare Umgebungen im Universum sein können, und um sich auf die Suche nach Leben außerhalb der Erde zu konzentrieren. Hier diskutieren wir die Bewohnbarkeit aus der Perspektive des Lebens, das wir kennen. Wir werden die Grundvoraussetzungen des Lebens untersuchen und im folgenden Abschnitt die gesamte Bandbreite der Umweltbedingungen auf der Erde betrachten, in denen Leben vorkommt. Obwohl wir die Möglichkeit nicht vollständig ausschließen können, dass andere Lebensformen eine Biochemie haben, die auf Alternativen zu Kohlenstoff und flüssigem Wasser basiert, ist ein solches Leben, „wie wir es nicht kennen“, immer noch völlig spekulativ. In unserer Diskussion hier konzentrieren wir uns auf die Bewohnbarkeit für Leben, die chemisch der auf der Erde ähnlich ist.

Das Leben benötigt ein Lösungsmittel (eine Flüssigkeit, in der sich Chemikalien auflösen können), die den Aufbau von Biomolekülen und deren Wechselwirkungen ermöglicht. Für das Leben, wie wir es kennen, ist dieses Lösungsmittel Wasser, das eine Vielzahl von Eigenschaften hat, die für die Funktionsweise unserer Biochemie entscheidend sind. Wasser ist im Universum reichlich vorhanden, aber das Leben erfordert, dass Wasser in flüssiger Form vorliegt (anstelle von Eis oder Gas), um seine Rolle in der Biochemie richtig zu erfüllen. Dies ist nur innerhalb eines bestimmten Temperatur- und Druckbereichs der Fall – zu hoch oder zu niedrig in beiden Variablen, und Wasser nimmt die Form eines Feststoffs oder eines Gases an. Die Identifizierung von Umgebungen, in denen Wasser innerhalb des entsprechenden Temperatur- und Druckbereichs vorhanden ist, ist daher ein wichtiger erster Schritt zur Identifizierung bewohnbarer Umgebungen. Tatsächlich war und ist eine „Follow the Water“-Strategie ein wichtiger Antrieb bei der Erforschung von Planeten sowohl innerhalb als auch außerhalb unseres Sonnensystems.

Unsere Biochemie basiert auf Molekülen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel. Kohlenstoff ist das Herzstück der organischen Chemie. Seine Fähigkeit, vier Bindungen zu bilden, sowohl mit sich selbst als auch mit den anderen Elementen des Lebens, ermöglicht die Bildung einer großen Anzahl potenzieller Moleküle, auf denen die Biochemie basieren kann. Die verbleibenden Elemente tragen zu Struktur und chemischer Reaktivität unserer Biomoleküle bei und bilden die Grundlage vieler Wechselwirkungen zwischen ihnen. Diese „biogenen Elemente“, manchmal auch mit dem Akronym CHNOPS (Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel) bezeichnet, sind die Rohstoffe, aus denen das Leben aufgebaut wird, und ihre zugängliche Versorgung ist eine zweite Voraussetzung für die Bewohnbarkeit .

Wie wir in den vorherigen Kapiteln über die Kernfusion und die Lebensgeschichte der Sterne erfahren haben, werden Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel alle durch Fusion innerhalb von Sternen gebildet und dann in ihrer Galaxie verteilt, wenn diese Sterne sterben. Aber wie sie auf die Planeten verteilt sind, die sich in einem neuen Sternensystem bilden, in welcher Form und wie chemische, physikalische und geologische Prozesse auf diesen Planeten die Elemente zu biologisch zugänglichen Strukturen zirkulieren, kann erhebliche Auswirkungen auf die Verteilung haben des Lebens. In den Ozeanen der Erde zum Beispiel kann die Häufigkeit von Phytoplankton (einfache Organismen, die die Basis der Nahrungskette des Ozeans sind) in Oberflächengewässern um das Tausendfache variieren, da die Stickstoffversorgung von Ort zu Ort unterschiedlich ist (Abbildung 30.6). Zu verstehen, welche Prozesse die Zugänglichkeit von Elementen auf allen Ebenen steuern, ist daher ein entscheidender Bestandteil bei der Identifizierung bewohnbarer Umgebungen.

Mit diesen ersten beiden Anforderungen haben wir die elementaren Rohstoffe des Lebens und ein Lösungsmittel, um sie zu den komplizierten Molekülen zusammenzusetzen, die unsere Biochemie antreiben. Aber diesen Zusammenbau und die Aufrechterhaltung der komplizierten biochemischen Maschinerie des Lebens zu bewerkstelligen, kostet Energie. Sie decken Ihren Energiebedarf jedes Mal, wenn Sie etwas essen oder atmen, und würden nicht lange leben, wenn Sie beides nicht regelmäßig tun würden. Das Leben auf der Erde nutzt zwei Hauptenergiearten: Für Sie sind dies der Sauerstoff in der Atemluft und die organischen Moleküle in Ihrer Nahrung. Aber das Leben insgesamt kann eine viel breitere Palette von Chemikalien verwenden, und während alle Tiere Sauerstoff benötigen, brauchen viele Bakterien dies nicht. Einer der frühesten bekannten Lebensprozesse, der noch in einigen modernen Mikroorganismen abläuft, kombiniert Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan und setzt dabei Energie frei. Es gibt Mikroorganismen, die Metalle „atmen“, die für uns giftig wären, und sogar einige, die Schwefel einatmen und Schwefelsäure ausatmen. Pflanzen und photosynthetische Mikroorganismen haben ebenfalls Mechanismen entwickelt, um die Energie des Lichts direkt zu nutzen.

Wasser in der Flüssigphase, die biogenen Elemente und Energie sind die Grundvoraussetzungen für die Bewohnbarkeit. Aber gibt es zusätzliche Umweltauflagen? Dies betrachten wir im nächsten Abschnitt.

Leben unter extremen Bedingungen

Auf chemischer Ebene besteht Leben aus vielen Arten von Molekülen, die miteinander interagieren, um die Lebensprozesse durchzuführen. Neben Wasser, elementaren Rohstoffen und Energie braucht das Leben auch eine Umgebung, in der diese komplizierten Moleküle stabil sind (nicht zerfallen, bevor sie ihre Arbeit verrichten können) und ihre Wechselwirkungen möglich sind. Ihre eigene Biochemie funktioniert nur in einem sehr engen Bereich von etwa 10 °C Körpertemperatur und zwei Zehntel einer Einheit des Blut-pH-Werts (pH ist ein numerisches Maß für den Säuregehalt oder die Menge an freien Wasserstoffionen). Jenseits dieser Grenzen sind Sie in ernsthafter Gefahr.

Das Leben insgesamt muss auch Grenzen hinsichtlich der Bedingungen haben, unter denen es richtig funktionieren kann, aber wie wir sehen werden, gehen sie viel weiter als die menschlichen Grenzen. Die Ressourcen, die das Leben antreiben, sind auf sehr unterschiedliche Bedingungen verteilt. Zum Beispiel gibt es reichlich chemische Energie in heißen Quellen, die im Wesentlichen aus kochender Säure bestehen (siehe Abbildung 30.7). Dies bietet der Evolution einen ausreichenden Anreiz, so viel von diesem Bereich mit Leben zu füllen, wie es biochemisch möglich ist. Ein Organismus (normalerweise eine Mikrobe), der Bedingungen toleriert oder sogar gedeiht, die die meisten Menschen um uns herum als feindselig betrachten würden, wie z -phile bedeutet „Liebhaber von“). Lassen Sie uns einen Blick auf einige der Bedingungen werfen, die das Leben herausfordern können, und auf die Organismen, die es geschafft haben, sich in den weiten Grenzen des Möglichen eine Nische zu erarbeiten.

Sowohl hohe als auch niedrige Temperaturen können lebenslang ein Problem darstellen. Als großer Organismus sind Sie in der Lage, eine nahezu konstante Körpertemperatur aufrechtzuerhalten, egal ob es in Ihrer Umgebung kälter oder wärmer ist. Dies ist jedoch bei der winzigen Größe von Mikroorganismen nicht möglich, unabhängig von der Temperatur in der Außenwelt, die auch die Temperatur der Mikrobe ist, und ihre Biochemie muss bei dieser Temperatur funktionieren. Hohe Temperaturen sind der Feind der Komplexität – zunehmende thermische Energie führt dazu, dass große Moleküle in immer kleinere Teile zerlegt werden, und das Leben muss die Moleküle mit stärkeren Bindungen und speziellen Proteinen stabilisieren. Aber dieser Ansatz hat seine Grenzen.

Nichtsdestotrotz bieten Hochtemperaturumgebungen wie heiße Quellen und hydrothermale Quellen, wie bereits erwähnt, häufig reichliche chemische Energiequellen und treiben daher die Entwicklung von Organismen voran, die hohe Temperaturen vertragen (siehe Abbildung 30.8). Ein solcher Organismus wird als thermophil bezeichnet. Derzeit ist der Hochtemperatur-Rekordhalter ein Methan produzierender Mikroorganismus, der bei 122 °C wachsen kann, wobei der Druck auch so hoch ist, dass Wasser immer noch nicht siedet. Das ist erstaunlich, wenn man darüber nachdenkt. Wir kochen unser Essen – das heißt, wir verändern die Chemie und Struktur seiner Biomoleküle – indem wir es bei einer Temperatur von 100 °C kochen. Tatsächlich beginnt das Essen bei viel niedrigeren Temperaturen zu kochen. Und doch gibt es Organismen, deren Biochemie intakt bleibt und bei Temperaturen um 20 Grad noch gut funktioniert.

Kälte kann ebenfalls ein Problem sein, teilweise weil sie den Stoffwechsel auf ein sehr niedriges Niveau verlangsamt, aber auch, weil sie physikalische Veränderungen in Biomolekülen verursachen kann. Zellmembranen – die molekularen Hüllen, die Zellen umgeben und ihren Austausch von Chemikalien mit der Außenwelt ermöglichen – bestehen im Wesentlichen aus fettähnlichen Molekülen. Und so wie Fett beim Abkühlen erstarrt, kristallisieren Membranen und verändern ihre Funktion beim Stoffaustausch in und aus der Zelle. Einige kälteadaptierte Zellen (genannt Psychrophile) haben die chemische Zusammensetzung ihrer Membranen geändert, um diesem Problem zu begegnen, aber auch hier gibt es Grenzen. Bisher liegt die kälteste Temperatur, bei der sich eine Mikrobe nachweislich fortpflanzt, bei etwa –25 °C.

Auch sehr saure oder alkalische Bedingungen können für das Leben problematisch sein, da viele unserer wichtigen Moleküle, wie Proteine ​​und DNA, unter solchen Bedingungen abgebaut werden. Zum Beispiel ist ein Haushaltsabflussreiniger, der seine Aufgabe erfüllt, indem er die chemische Struktur von Dingen wie Haarverstopfungen abbaut, eine sehr alkalische Lösung. Die säuretolerantesten Organismen (Acidophile) können bei pH-Werten nahe Null leben – etwa zehn Millionen Mal saurer als Ihr Blut (Abbildung 30.9). Im anderen Extrem sind einige alkaliphile kann bei einem pH-Wert von etwa 13 wachsen, was mit dem pH-Wert von Haushaltsbleichmitteln vergleichbar ist und fast eine Million Mal alkalischer ist als Ihr Blut.

Ein hoher Salzgehalt in der Umwelt kann auch ein Problem für das Leben verursachen, da das Salz einige Zellfunktionen blockiert. Die Menschen haben dies vor Jahrhunderten erkannt und begonnen, Lebensmittel zu salzen, um sie vor dem Verderben zu bewahren – d. h., um zu verhindern, dass sie von Mikroorganismen besiedelt werden. Einige Mikroben haben sich jedoch so entwickelt, dass sie in Wasser wachsen, das mit Natriumchlorid (Kochsalz) gesättigt ist – etwa zehnmal so salzig wie Meerwasser (Abbildung 30.10).

Sehr hohe Drücke können die Biomoleküle des Lebens buchstäblich zusammendrücken, wodurch sie kompaktere Formen annehmen, die nicht sehr gut funktionieren. Aber wir finden immer noch Leben – nicht nur mikrobielles, sondern sogar tierisches Leben – am Boden unserer Meeresgräben, wo der Druck mehr als das 1000-fache des Atmosphärendrucks beträgt. Viele andere Anpassungen an Umwelt-„Extreme“ sind ebenfalls bekannt. Es gibt sogar einen Organismus, Deinococcus radiodurans, die ionisierende Strahlung (wie sie von radioaktiven Elementen freigesetzt wird) tausendmal stärker vertragen, als Sie widerstehen könnten. Es überlebt auch sehr gut extreme Austrocknung (Austrocknung) und eine Vielzahl von Metallen, die für den Menschen giftig wären.

Aus vielen solchen Beispielen können wir schließen, dass das Leben in der Lage ist, eine Vielzahl von Umweltextremen zu tolerieren – so sehr, dass wir hart daran arbeiten müssen, Orte zu finden, an denen es kein Leben geben kann. Einige wenige solcher Orte sind bekannt – zum Beispiel erscheint das Wasser hydrothermaler Quellen mit über 300 °C zu heiß, um Leben zu ermöglichen – und die Suche nach diesen Orten hilft, die Möglichkeit für Leben anderswo zu definieren. Die Erforschung von Extremophilen in den letzten Jahrzehnten hat unser Verständnis für die Bedingungen, unter denen Leben überleben kann, erweitert und dadurch viele Wissenschaftler optimistischer hinsichtlich der Möglichkeit gemacht, dass Leben außerhalb der Erde existieren könnte.


8.2: Astrobiologie - Biologie

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Wie ist das Leben auf der Erde entstanden? Wie haben sich Leben und Erde im Laufe der geologischen Zeit gemeinsam entwickelt? Ist das Leben anderswo im Universum? Werfen Sie einen Blick durch die 4-Milliarden-jährige Geschichte des Lebens auf der Erde durch die Linse des modernen Lebensbaums! Dieser Kurs wird die gesamte Geschichte des Lebens auf der Erde im Kontext unseres hochmodernen Verständnisses des Baumes des Lebens bewerten. Dazu gehört die bahnbrechende Arbeit von Professor Carl Woese auf dem Campus der University of Illinois Urbana-Champaign, die unser Verständnis mit einem neuen „Baum des Lebens“ revolutioniert hat

4-Milliarden-jährige Entwicklung des ein- und mehrzelligen Lebens durch die Linse des Baumes des Lebens -Der Einfluss von Erdsystemprozessen (Meteoreinschläge, Vulkane, Eisschilde) auf die Gestaltung und Strukturierung des Baumes des Lebens Diese Synthese unterstreicht die Universalität der Entstehung von Leben als Auftakt für die Suche nach außerirdischem Leben.

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Woche 8 - Astrobiologie und die Suche nach Leben im Kosmos

Egal wo du bist oder was du glaubst, irgendwann in deinem Leben wirst du in den Himmel schauen und fragen: Was ist da draußen? Wohin gehen wir? Gibt es anderswo im Universum Leben? Dieser Kurs widmet sich der Suche nach Antworten auf diese Fragen. Die grundlegenden Konzepte des Lebens und der bewohnbaren Umgebungen, die auf der modernen Synthese des Baumes des Lebens basieren, werden uns dazu anleiten, Biosphären zu erkennen, die sich von unseren ganz unterscheiden können. In der letzten Woche dieses Kurses werden wir uns ausführlich damit befassen, was die Zukunft für die Weltraumforschung und die Suche nach Leben im Kosmos bereithält.


2. Abschnitt I

2.1. Den Ursprung des Lebens durch die Metaphern der Informatik betrachten

Die erste Frage, die wir uns stellen, betrifft einen Mechanismus, mit dem Selektion und Evolution beginnen können. In seinem Buch Leben: Sein Wesen, Ursprung und Entwicklung, fragte Oparin (1962), ob Leben tatsächlich als Mechanismus verstanden werden könnte. Er dachte sogar über die Kybernetik nach, die für das Gedankenexperiment, das wir als nächstes beschreiben, relevant ist. Oparin entschied, dass die Eigenschaften des Lebens weit über mechanische Erklärungen hinausgingen:

„Natürlich können und sollten wir versuchen, die physikalischen und chemischen Grundlagen der verschiedenen Lebensphänomene durch die Konstruktion und das Studium von Modellen zu verstehen, die dieselben Phänomene, die in Organismen vorkommen, in vereinfachter Form reproduzieren. Dabei müssen wir aber immer bedenken, dass wir es mit Modellen zu tun haben und diese nicht mit Lebewesen verwechseln.“

Wenn wir Oparins Vorbehalt im Hinterkopf behalten, stellen wir fest, dass computergestützte Ansätze weit über die von ihm ins Auge gefasste primitive Kybernetik hinausgegangen sind. Computerbasierte Softwarewerkzeuge und Metaphern haben alle Zweige des wissenschaftlichen Unternehmens infiltriert. Aus Sicht der Informatik wurden die intrazellulären Lebensprozesse treffend mit der Funktionsweise eines Computerbetriebssystems verglichen (Bray, 2011, Pang und Maslov, 2013). Es ist eine interessante und vielleicht aufschlussreiche Übung zu vergleichen in silico Programme zum Betriebssystem des Lebens. Anstelle von Mustern von Elektronen, die in Siliziumkreisläufen fließen, sind die Programme der Zelle in Monomersequenzen von Biopolymeren eingebettet. Basensequenzen in DNA sind lineare Datenspeicher, analog zu einem Read-Only-Memory, die in Messenger-RNA in Basensequenzen transkribiert und dann in Ribosomen geladen werden, die aus Proteinen geformte Anwendungsprogramme generieren. Wie die Nachrichtenwarteschlangen und -protokolle eines Betriebssystems ermöglicht ein fein abgestimmtes chemisches Netzwerk aus Signalgebung und Feedback einer Zelle, spezifische Proteinprogramme hochreguliert auszuführen.

Dieser Vergleich bringt uns zu der Frage, die wir hier behandeln: Kann ein chemischer Computer auf einem sterilen, aber bewohnbaren Planeten wie der frühen Erde spontan entstehen? Die Antwort ist offensichtlich ja, denn das Leben begann, aber der Prozess, durch den dies geschah, bleibt ein grundlegendes Problem in der Biologie. Wir argumentieren, dass in Analogie zur Entwicklung von Computern die Hardware der ersten Lebensformen durch organische Moleküle repräsentiert wird, die sich selbst zu supramolekularen Strukturen organisieren (Lehn, 2002), die in der Lage sind, in der Umwelt verfügbare freie Energie einzufangen und zu nutzen, um treiben Polymerisation und Wachstum voran. Die Lebensprogramme entwickelten sich spontan, als anfangs zufällige Systeme polymerer Moleküle Zyklen von Selektion und Amplifikation unterzogen, um Funktionen innerhalb des Systems selbstorganisierender Hardware auszudrücken.

Wie ist es jedoch möglich, dass Programme ohne Programmierer entstehen? Abbildung 1 zeigt, wie dies funktionieren kann, indem sie sich auf frühe Computer bezieht, die Löcher in ein Papierband als Möglichkeit zum Kodieren von Befehlen mit Binärbits verwendeten. Ziel ist es, spontan ein Programm zu generieren, das eine Reihe von Leuchtdioden (LEDs) in einer am Computer angebrachten Frontplatte einschaltet. Zu Beginn ist der Bandstanzer mit einem Zufallsgenerator verbunden. Die Lochstreifen werden dann einzeln in einen einfachen Computer eingelesen, der elektrische Energie verwendet, um jedes Band zu lesen und dann die rein zufälligen Befehle durch einen primitiven Prozessor auszuführen. Die meisten Programme „stürzen“ dadurch ab, dass sie keine LEDs einschalten und daher verworfen werden. Sollte jedoch zufällig ein seltenes Zufallsprogramm (wie im Beispiel „A“) mindestens eine LED aufleuchten, wird es automatisch ausgewählt und in den Locher zurückgeführt. Der Locher speichert das Programm „A“ und stanzt es mehrmals aus, wobei neue zufällige Anweisungen „B“, „C“ und „D“ auf verlängerten Bandabschnitten hinzugefügt werden. Der nächste Zyklus durchläuft die neuen Programme A-B, A-C, A-D und A-C wird in ähnlicher Weise ausgewählt, um in eine neue Generation von gestanzten Programmen überzugehen. Im Laufe der Zeit wird ein weiteres erweitertes Programm (A-C-F) entstehen, das eine noch größere Anzahl von LEDs auf der Frontplatte betreibt. Diese Programmiermethode ist ineffizient, aber bei ausreichender Zeit wird ein Programm erstellt, das alle LEDs einschaltet.

FEIGE. 1. Metapher dafür, wie ein Computerprogramm ohne Programmierer entwickelt werden kann.

Um die vier offensichtlichen Schritte zusammenzufassen: (1) a Energiequelle (ein elektrischer Strom) treibt einen Prozess an, der zufällige Löcher in ein Band stanzt, das Band in unseren einfachen Computer einspeist und die CPU des Computers betreibt. Irgendwann führt ein Satz Löcher dazu, dass eine LED aufleuchtet und dieser Satz ist (2) ausgewählt, (3) repliziert, und (4) erweitert, und Funktionsanweisungen werden dadurch aus einer Population von zufällig gelochten Bändern gezogen. Eine weitere zufällige Abfolge von Löchern in einem langgestreckten Band lässt eine zweite LED aufleuchten usw., bis alle LEDs in Betrieb sind. Ein fünfter, oft übersehener Schritt ist unerlässlich, und zwar a Rückkopplungsschleife zwischen dem LED-Status und der Stanzvorrichtung eine Test-Subroutine, die das System anweist, jedes zufällige Programm, das zufällig eine LED einschaltet, zu speichern, zu integrieren und zu verstärken. Dieser einfache Test könnte heißen kombinatorische Auswahl und kann die Programmierung ohne die Notwendigkeit eines Programmierers ermöglichen, was darauf hindeutet, wie ähnliche Schritte, die die kombinatorische Chemie vorantreiben, zum Ursprung des Lebens führen könnten. In einem chemischen System sind die Energiequellen heißes Wasser und Sonnenlicht, die Papierbänder sind Polymere wie Nukleinsäuren oder Proteine ​​und die Löcher sind zufällige Muster in Monomersequenzen. Die Programme sind Sammlungen von wechselwirkenden Polymeren, die einer Selektion und Verstärkung unterzogen werden, wenn sie Funktionen haben, die die Überlebensfähigkeit dieser Polymere im Laufe der Zeit erhöhen. Die Sammlungen sind in membranbegrenzten Kompartimenten enthalten und werden als bezeichnet Protozellen.

Die Verwendung dieser Metapher des selbstschreibenden Computercodes ermöglicht eine Neuinterpretation des Ursprungs des Lebens als überprüfbare Hypothese, die die Biophysik der Selbstorganisation, die Chemie der Polymerisation und die geophysikalischen Eigenschaften, die mit vulkanischen Landmassen auf der frühen Erde verbunden sind, einbezieht. Although this reframing provides a new perspective for life's origin, it also raises many questions. First, we must define an Betriebs protocell. The sole measure of operability of a microbial cell is that encapsulated systems of catalytic polymers use nutrients and energy to undergo growth by polymerization, supporting an eventual division into viable daughter cells. Akin to the punched paper tapes, the system we propose generates immense numbers of microscopic protocells, each different in composition from all the rest, and these protocell populations must then undergo a primitive version of Darwinian selection we have termed combinatorial selection, at the molecular and supramolecular level.

How can the earliest protocells composed of primitive, self-assembled membranes encapsulate cargoes of random polymers?

How can functional chemical “programs” spontaneously emerge by selection and begin to operate?

What environmental stresses provide selective factors and how can polymer programs be extended so that protocells can survive these factors and propagate sets of polymers into subsequent generations?

Are there prebiotically plausible natural environments in which protocells can emerge and then undergo evolution through a primitive form of selection before the emergence of life?

How can such populations of primitive protocells eventually evolve into the self-sustaining and self-reproducing forms that comprise living systems?

We first address the question of a plausible environment that is conducive to the emergence of protocells. Darwin (1871) provided a clue in an insightful sentence written in a letter to his friend J.D. Hooker:

“But if (& oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia & phosphoric salts,—light, heat, electricity & etc. present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes [..]”

Most readers are probably familiar with this quote, but we reiterate it here because Darwin's intuition of a warm little pond makes perfect sense. In contrast to the dilution that inevitably would occur in a global salty ocean, potential organic reactants can accumulate and be concentrated sufficiently for reactions to occur in small bodies of fresh water on volcanic land masses emerging from the ocean (Pearce et al., 2017 Ranjan et al., 2019). Darwin also proposed that a “protein compound” must first form, “ready to undergo still more complex changes.” Although he did not know that proteins were linear chains composed of linked amino acids, Darwin intuitively understood that proteins were important, and that they could somehow be synthesized by an unspecified source of energy. Darwin also hinted that the proteins must be able to undergo evolutionary cycles generating more complex changes, which today is described as an away-from-equilibrium chemical system.

This brings us to a conundrum known as the “water problem” (Benner et al., 2012). Proteins and the other key polymers of life, RNA and DNA, must function in an aqueous medium, but in the absence of continuous synthesis, they undergo hydrolytic decomposition at varying rates depending on temperature and pH. In life today, polymers are continuously synthesized and repaired by enzyme-catalyzed condensation reactions driven by adenosine triphosphate (ATP) as an energy source. However, there were no enzymes or ATP available on the prebiotic Earth, so how could the first polymers form? It has long been understood that condensation reactions can occur if monomers undergo dehydration at elevated temperatures (Fox and Harada, 1958 Lohrmann and Orgel, 1971 Lahav et al., 1978). However, a single cycle might lead to a few oligomers, but these would begin to undergo hydrolysis upon rehydration. We propose that not just a single cycle but instead continuous wet-dry cycles would allow polymers to exist in a steady state and grow more complex as solutes in a prebiotic warm little pond (Hargrave et al., 2018). As long as the rate of synthesis exceeds the rate of hydrolysis, multiple cycles operating in conjunction with a kinetic trap will inevitably produce an accumulation of polymers (Higgs, 2016). In other words, a kinetic trap emerges in a reaction or a series of linked reactions if the rate of synthesis exceeds the rate of a back reaction (Ross and Deamer, 2016). All life on Earth incorporates a kinetic trap because the rate of synthesis of biopolymers by condensation reactions exceeds the rate of their hydrolysis.

One possible site for the emergence of a kinetic trap would be mineral surfaces where fluctuating water levels cause cycles of wetting and drying that localize concentrated, dry solutes. Fast wet-dry cycles happening in seconds to minutes occur when geysers splash water on surrounding hot rocks, medium duration cycles measured in minutes to hours occur with the rise and fall of pool levels caused by regularly fluctuating hot springs, and slower cycles measured in hours to days would be associated with complete evaporation of smaller pools followed by refilling during precipitation.

Volcanoes emerging through a global ocean would be the original land masses on the Hadean Earth (Van Kranendonk, 2010 Bada and Korenaga, 2018), analogous to Hawaii and Iceland today. If we were to travel 4 billion years back in time to visit volcanic landscapes on the Hadean Earth (Fig. 2), we would see abundant hydrothermal fields with multiple hot spring systems replenished by precipitation evaporating from the surrounding ocean. The distilled fresh water would percolate into hot rocks and then circulate back to the surface as springs and geysers. Hydrothermal fields provide sources of heat and chemical energy to drive polymerization reactions in films of concentrated organic solutes that form on mineral surfaces during repeated cycles of wetting and drying (inset A). Inset B shows an example of such a pool on Mount Mutnovsky, an active volcano in Kamchatka, Russia (Kompanichenko et al., 2015). The recent discovery of a 3.5-billion-year-old hot spring setting on a volcanic plateau that formed in the absence of direct plate tectonic involvement is a good analog for an early Earth volcanic landscape emerging from a global ocean just 500 million years after the approximate time frame we are proposing for life's origins (Pearce et al., 2018 Van Kranendonk et al., 2020).

FEIGE. 2. An artist's conception of a geyser-driven Hadean volcanic hot spring system in which cycles of evaporation and rehydration can occur. Inset A shows a ring of dried solutes on the mineral surfaces at the edge of a fluctuating pool. Inset B shows a boiling pool associated with a hot spring site on Mount Mutnovsky in Kamchatka, Russia. (Art credit Ryan Norkus Photo credit Tony Hoffman.)

In summary, the primary polymers of life today—proteins and nucleic acids—are synthesized enzymatically by condensation reactions. The chemical energy of ATP is used to remove the equivalent of water molecules from the amine and carboxyl groups on amino acids to form peptide bonds, or the phosphate and ribose hydroxyl groups on nucleotides to form ester bonds. A certain degree of caution should be exercised when envisaging prebiotic versions of condensation reactions driving polymerization processes. For instance, Krishnamurthy (2018) wrote: “Coincidentally, it turns out that this ester-to-amide mechanism is part of extant biology, with more evolved molecules, as exemplified by (a) the peptidyl-transfer reaction within the confines of the ribosome and (b) the thioester-amide exchange equivalent in the nonribosomal peptide synthesis pathway. Whether this is a ‘preservation’ of a primordial reaction mechanism or a case of convergence due to chemical contingency is an open-ended debate.”

As noted earlier, heating dry amino acids at elevated temperatures was among the first and most obvious energy sources to be tested as a way to drive polymerization. Over ensuing years, dry heat was abandoned because the yields were minimal and products were too short to be able to fold into catalytically active structures such as ribozymes. Furthermore, the bonds formed were often not related to the kinds of bonds used in biology and there was a concern that intractable “tars and asphalts” were the most likely products (Benner et al., 2012). Therefore, researchers went on to explore condensing agents, activated mononucleotides, and mineral surfaces as a way to generate longer polymers.

We do not intend to exclude other versions of activated polymerization or possible involvement of condensing agents, but it seems appropriate to focus first on polymerization that does not require activated monomers or condensing agents. Wet-dry cycles in fresh water would be abundant in the prebiotic environment as long as volcanic land masses had emerged from the global ocean, and a surprising amount of chemical energy is introduced by concentrating potential reactants in dilute solutions as they evaporate to form dry films on mineral surfaces (Ross and Deamer, 2016). Furthermore, wet-dry cycles pump mixtures of reactants toward ever increasing complexity as products accumulate in kinetic traps. Such cycles have the additional advantage that if amphiphilic compounds are present in the mixture of reactants, encapsulation of polymers in membranous compartments occurs as a system goes through cycles of hydration and dehydration.

We conclude that hot springs and fluctuating freshwater pools are plausible candidates for prebiotic sites supporting the assembly of protocells, defined as encapsulated systems of random polymers forming in numerous pools over many millions of years. As described in the next section, protocell populations can be exposed to a variety of environmental stresses. Most protocells are likely to be unstable and their components will be dispersed, but a few will have properties that enhance their robustness. These will be selected in a process representing the first step in a pre-Darwinian version of evolution.


8.2: Astrobiology - Biology

Chris Chyba, Cynthia Phillips, Kevin Hand- The project has two components. The first, an overview of the astrobiological potential of various geological features on Europa, is proceeding well — we are continuing the study of various proposed formation mechanisms for different feature types such as ridges, bands, and chaotic terrain.

Project Progress

Chris Chyba, Cynthia Phillips, Kevin Hand- The project has two components. The first, an overview of the astrobiological potential of various geological features on Europa, is proceeding well — we are continuing the study of various proposed formation mechanisms for different feature types such as ridges, bands, and chaotic terrain. The second, a search for current geological activity by comparing Galileo images taken on different orbits, is also in progress. We have completed a first-stage search of the Galileo Europa images to find overlapping images, and are continuing to work on improving our automated search method to make sure that we find all possible comparison images. We have processed a number of comparison pairs, and are currently working on automated techniques for speeding up the comparison process.

Max Bernstein- As part of performing lab measurements to enable the detection of signs of life and the discrimination between these and false biomarkers we have measured IR spectra of Nitrogen Heterocycles, the class of compounds found in meteorites that include nucleobases. We have been concentrating on the kind of conditions found on icy outer Solar System bodies such as Europa.

Rocco Mancinelli and Amos Banin- In a set of soil samples from the Yungay region of the Atacama desert we have conducted detailed analyses of organic and inorganic C and N concentrations. Organic carbon (OC) and organic nitrogen (ON) were low, especially in the soils from the most extreme arid region. OC/ON ratio was in the range typical for biotically synthesized organic matter. Comparison to estimates of C content in the Mars soil analyzed by the Viking Landers show that the Atacama soils, even in the hard-core extreme desert sites, have very low biological activity as terrestrial soils are concerned, but still have higher concentrations of total organic carbon compared to the Mars soils analyzed by the Viking Pyrolytic experiment.

When soil samples collected from the Yungay region of Atacama desert were analyzed for DNA encoding the genes for the nitrite reductase S gene the gene encoding for the key denitrification enzyme, it was not found. These data combinded with last years data where no trace of nitrogen cycling was detected in the field, even under wet conditions suggests that that either there are no organisms capable of N-cyclein in the soil, or the soil contains somethin inhibiting their activity.

Peter Backus, Jill Tarter, Rocco Mancinelli – We held a two and a half day workshop on July 18-20, 2005 on the topic of the Habitability of Planets Orbiting M Stars. Thirty scientists from nineteen institutions in the US and UK participated. Thirteen of the participants were from six other NAI Teams. Results of the workshop are reported in a paper submitted to the journal Astrobiology. The paper was written over many months through the use of email lists and a secure private web site. Another web site http://mstars.seti.org provided information for the general public.

Nathalie Cabrol- Despite harsh weather conditions in the altiplano this year, both planned ascents were completed successfully, one on the Licancabur volcano to continue our work from previous years, and the other one on our new site (Poquentica), another volcano hosting a lake located 800 km north of Licancabur. During our one-month, 800 km, trek through the Bolivian altiplano, the team also sampled about a half-a-dozen new sites (evaporating lakes, salars, and geothermal centers) Achievements include: (1) a new stratigraphical transect in the geological record of Laguna Verde to study the evolution of paleohabitats and life during fast changing climate conditions (2) Biological sampling and water chemistry of the summit and lower lakes (3) Retrieval of data from the meteorological station at the summit of Licancabur which logged for one year (4) Geophysics: Measurements of UVA , UVB , PAR and UVC were performed (5) Sampling of frozen soil (or permafrost) on the shore of the Licancabur and Poquentica lakes and sampling of ice from those lakes which were both frozen to depth this year preventing diving. Bin Chen has analyzed salt samples from the 2005 trip. She has identified organic composition in the Laguna Blanca samples. She is using the database to characterize the concentration and structure stability of biogenic carbonaceous contents, especially biomarkers such as hopane and the derivatives, which likely existed in the prokaryotic and eukaryotic membranes study the chemical structures of the organic species and their interactions with the host environment (as in rock, salt and soil mixtures) to understand the preservation and evolution of the life in local conditions that include extremes of UV radiation, desiccation, cold temperature and salinity. She investigates abiogenic organics and components such as carbonate, oxyanionic mineral groups, sulfides and hydroxides produced from the biological activities. The next step will be to study the chemical stability and relative abundance of the biomarkers in the samples obtained from the geological transects in conjunction with the geochemistry, temperatures, pH (current lakes), salinity, UV radiation level, elevation in the transect and paleoenvironment. The correlation will help us understand how both extant and extinct life adapt to changes.

David Summers & Bishun Khare- A paper is currently under review in the journal Astrobiology. Effort has partially turned to study of the stable isotope fractionation and the effects of water layers on mineral surfaces. (This data could then be combined with future isotopic composition work from the Atacama where nitrates may be of abiotic origin.) This included designing and constructing a new irradiation apparatus (now finished). Work also contributed to the study of the isotope fractionation in next step in the reaction sequence, reduction of nitrite to ammonia FeS + NO 2 at pH

5, shows an average fractionation of +6 per mil FeCl 2 + NO 2 at pH 8.2 shows an average fractionation of -4 per mil). This work will also contributes to experiments to include the action of Fe(II) in the aqueous phase on the fixation processes.

Emma Bakes- Our mapping of the chemical sequences for anions, neutrals and cationic nitrogenated aromatic molecules in Titan’s organic haze layer is well underway, utilizing the participation of quantum chemist Alessandra Ricca. We are mapping the chemical energetics and the plausibility of each suggested reaction pathway for bicyclic nitrogenated aromatics suggestive of purine and pyrimidine bases of RNA and DNA molecules to probe the plausibility of their photochemical formation in an atmsosphere. UV penetration directly affects the survival or destruction of organic molecules and the irradiation of potential life forms and we have completed and published our investigation of how the UV radiation interacts with large molecules, tholins and the gas phase and to what degree it penetrates to the surface of Titan. Our laboratory study of hydrogen molecule synthesis on aromatics and aerosols to seek a physically plausible pathway to the accelerated oxidation of Titan and the early Earth is complete and published.

Friedemann Freund & Lynn Rothschild – The major objective of this task is to study the causes for the slow but inextricable oxidation of the Earth over the first 3 Gyr of its history. Contrary to the widely held belief that planet Earth became oxidized due to the activity of early photosynthetic microorganisms (akin to present-day blue-green algae and cyanobacteria), we have convincingly shown that there is an alternative and entirely abiogenic pathway toward global oxidation: the presence of oxygen anions in the minerals of common igneous rocks that have converted from a valence of 2— to a valence of 1— (peroxy). Upon weathering this peroxy fraction hydrolyzes to hydrogen peroxide, which in turn oxidizes reduced transition metal cations, foremost ferrous iron to ferric iron. This leads to the precipitation of ferric oxides in the ocean and, hence, to the deposition of Banded Iron Formations ( BIF ). After this process has gone on for sufficiently long time, 1-2 billion years, the rocks on the continents will evolve toward andesitic-granitic compositions and free oxygen will begin to be injected into the atmosphere.

Janice Bishop & Lynn Rothschild- This year we completed analyzing the data from our initial lab experiments and summarized our results in a paper that is in press in the International Journal of Astrobiology. This work showed that nanophase iron oxide-bearing minerals can facilitate growth of photosynthetic organisms by providing protection from UV radiation. Based on the spectral properties of iron oxides and the results of experiments with two photosynthetic organisms, we propose a scenario where photosynthesis, and ultimately the oxygenation of the atmosphere, depended on the protection of early microbes by nanophase ferric oxides/oxyhydroxides. Such niches may have also existed on Mars.

We have begun evaluating the OMEGA hyperspectral visible/near-infrared ( VNIR ) spectra of Mars in an effort to characterize deposits of nanophase ferric oxide-bearing minerals that could provide UV protected niches for photosynthetic microbes if they were present on Mars. This part of the project will be expanded this year as the CRISM hyperspectral VNIR images become available. Concurrent with other projects, we are evaluating the spectral properties of Fe-bearing Mars analog sites on earth and analyzing spectra of Mars for Fe oxide-bearing components. We have collected some material containing nanophase ferric oxides/oxyhydroxides from Yellowstone that we have begun analyzing. From the chemical and spectral data this sample appears interesting and we are hoping to perform some in situ field measurements during the next year.

PROJECT INVESTIGATORS:

Rocco Mancinelli
Project Investigator

Sciences

This page is a gateway to the resources I have curated for the various integrated MYP science classes I teach.

Science is the process by which we learn how our world works. We call this process “the scientific method”. It involves asking questions, generating hypotheses (making predictions), designing investigations to test those hypotheses, collecting and analyzing data, and evaluating the results and the procedure to reach conclusions about our hypotheses. The presentation embedded below shows how the scientific method is applied within the context of my MYP science classes.

You’ll find almost all the resources you need for MYP general sciences on their respective pages: astronomy, biology, chemistry, earth science and ecology, and physics. I’ve tried to make navigation through the notes, videos, homework, and summative tasks as easy as possible by extensively hyperlinking within the “official class notes” presentations shared through Google Drive and Google Classroom. If you’re visiting this site from a school other than where I teach, you may not be able to navigate through all those hyperlinks.

Below you’ll find scoring rubrics for all 4 assessment criteria in MYP sciences. The rubrics are intended for MYP years 4 & 5 but may easily be scaled for MYP years 1 to 3.

Criterion A: Knowing and understanding

MYP Criterion A assesses students’ ability to explain scientific concepts, solve problems, and evaluate information.

Criterion B: Inquiring and designing

MYP Criterion B assesses students’ ability to design scientific investigations. It’s about explaining the question, developing testable hypotheses, changing and measuring variables, and designing safe, logical methods using appropriate materials and equipment.

Criterion C: Processing and evaluating

MYP Criterion C assesses students’ ability to evaluate an investigation and reach a conclusion based on its results. It’s about collecting, organizing, and presenting data reliably, interpreting the results, and evaluating the investigation to determine how it could be improved or extended.

Criterion D: Reflecting on the impacts of science

MYP Criterion D assesses students’ ability to examine and evaluate how scientific innovations shape our planet and our society.


2) Planetary Driver of Environmental Change

The Earth has evolved dramatically over time, from a hot, molten ball (magma ocean) immediately following the giant Moon-forming Impact at c. 4.5 Ga, to the cool planet of today with a dozen or so large tectonic plates that are created at mid-ocean ridges and partly recycled back into the mantle across steep subduction zones. My research on early Earth has suggested that this “modern” (i.e. steep) style of subduction commenced at c. 3.1 Ga, due to a crossover point in time when the amount of conductive heat emanating from the mantle first declined to values beneath the capacity of the crust to lose that heat. This allowed the tectonic plates to grow and to cool and thicken away from mid-oceanic ridges, resulting in the onset of steep subduction (through plate sinking).

Ongoing research into the proposed Mesoarchean change in the tectonic style of the planet includes:

  • Analysis of geochemical proxies of subduction through time, specifically high field strength elements in magmatic rocks, and oxygen and Hf isotopes in zircons. Preliminary results show that onset of steep subduction is accompanied by the start of the supercontinent cycle, which evolved and changed over time, peaking at c. 1 Ga and declining in intensity thereafter (Fig. 1).
  • Analysis of a proposed Paleoarchean suture zone in South Africa, where high-P metamorphic mineral assemblages have been used to infer a suture zone. Detailed mapping in 2012 will be combined with geochronology and geochemistry to test this claim. Preliminary results suggest a more complex situation than previously reported.
  • Analysis of oxygen isotopes in zircons from dated samples from Pilbara, Western Australia. Samples were specifically identified to test the subduction-accretion model developed for this area. Preliminary results show evidence for both high and low oxygen isotope values in zircons dated at exactly the age identified independently for subduction and accretion of the West Pilbara Superterrane, and not from zircons of any other age.

Collaborators: Chris Kirkland (Geol. Survey Western Australia) John Cliff (U. Western Australia)

Figure 1: Schematic diagram of Earth evolution through time, showing steps in crustal growth following on from pulses of mantle heat arising from the aftermath of subduction avalanches during supercontinent amalgamation that were accompanied by changes to Earth tessellation (T1-T4).


8.2: Astrobiology - Biology

Abe, Y., Abe-Ouchi, A., Sleep, N. H., & Zahnle, K. J. (2011). Habitable Zone Limits for Dry Planets. Astrobiology, 11(5), 443–460. doi:10.1089/ast.2010.0545

Catling, D. C., & Zahnle, K. J. (2009). The Planetary Air Leak. Scientific American, 300(5), 36–43. doi:10.1038/scientificamerican0509-36

Catling, D. C., Claire, M. W., Zahnle, K. J., Quinn, R. C., Clark, B. C., Hecht, M. H., & Kounaves, S. (2010). Atmospheric origins of perchlorate on Mars and in the Atacama. Journal of Geophysical Research, 115. doi:10.1029/2009je003425

Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2010). Clouds and the Faint Young Sun Paradox. Climate of the Past Discussions, 6(3), 1163–1207. doi:10.5194/cpd-6-1163-2010

Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2011). Clouds and the Faint Young Sun Paradox. Steig. Past, 7(1), 203–220. doi:10.5194/cp-7-203-2011

Goldblatt, C., & Zahnle, K. J. (2011). Faint young Sun paradox remains. Nature, 474(7349), E1–E1. doi:10.1038/nature09961

Goldblatt, C., Claire, M. W., Lenton, T. M., Matthews, A. J., Watson, A. J., & Zahnle, K. J. (2009). Nitrogen-enhanced greenhouse warming on early Earth. Nature Geosci, 2(12), 891–896. doi:10.1038/ngeo692

Goldblatt, C., Zahnle, K. J., Sleep, N. H., & Nisbet, E. G. (2009). The Eons of Chaos and Hades. Solid Earth Discuss., 1(1), 47–53. doi:10.5194/sed-1-47-2009

Goldblatt, C., Zahnle, K. J., Sleep, N. H., & Nisbet, E. G. (2010). The Eons of Chaos and Hades. Solid Earth, 1(1), 1–3. doi:10.5194/se-1-1-2010

Konhauser, K. O., Pecoits, E., Lalonde, S. V., Papineau, D., Nisbet, E. G., Barley, M. E., … Kamber, B. S. (2009). Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event. Nature, 458(7239), 750–753. doi:10.1038/nature07858

Marion, G. M., Catling, D. C., Zahnle, K. J., & Claire, M. W. (2010). Modeling aqueous perchlorate chemistries with applications to Mars. Icarus, 207(2), 675–685. doi:10.1016/j.icarus.2009.12.003

Tian, F., Claire, M. W., Haqq-Misra, J. D., Smith, M., Crisp, D. C., Catling, D., … Kasting, J. F. (2010). Photochemical and climate consequences of sulfur outgassing on early Mars. Earth and Planetary Science Letters, 295(3-4), 412–418. doi:10.1016/j.epsl.2010.04.016

Tian, F., Kasting, J. F., & Zahnle, K. (2011). Revisiting HCN formation in Earth’s early atmosphere. Earth and Planetary Science Letters, 308(3-4), 417–423. doi:10.1016/j.epsl.2011.06.011

Zahnle, K. (2008). Atmospheric chemistry: Her dark materials. Nature, 454(7200), 41–42. doi:10.1038/454041a

Zahnle, K., Freedman, R. S., & Catling, D. C. (2011). Is there methane on Mars?. Icarus, 212(2), 493–503. doi:10.1016/j.icarus.2010.11.027

Zahnle, K., Haberle, R. M., Catling, D. C., & Kasting, J. F. (2008). Photochemical instability of the ancient Martian atmosphere. Journal of Geophysical Research, 113(E11), None. doi:10.1029/2008je003160


Life in Extreme Conditions

At a chemical level, life consists of many types of molecules that interact with one another to carry out the processes of life. In addition to water, elemental raw materials, and energy, life also needs an environment in which those complicated molecules are stable (don’t break down before they can do their jobs) and their interactions are possible. Your own biochemistry works properly only within a very narrow range of about 10 °C in body temperature and two-tenths of a unit in blood pH (pH is a numerical measure of acidity, or the amount of free hydrogen ions). Beyond those limits, you are in serious danger.

Life overall must also have limits to the conditions in which it can properly work but, as we will see, they are much broader than human limits. The resources that fuel life are distributed across a very wide range of conditions. For example, there is abundant chemical energy to be had in hot springs that are essentially boiling acid (see [link]). This provides ample incentive for evolution to fill as much of that range with life as is biochemically possible. An organism (usually a microbe) that tolerates or even thrives under conditions that most of the life around us would consider hostile, such as very high or low temperature or acidity, is known as an extremophile (where the suffix -phile means “lover of”). Let’s have a look at some of the conditions that can challenge life and the organisms that have managed to carve out a niche at the far reaches of possibility.

Both high and low temperatures can cause a problem for life. As a large organism, you are able to maintain an almost constant body temperature whether it is colder or warmer in the environment around you. But this is not possible at the tiny size of microorganisms whatever the temperature in the outside world is also the temperature of the microbe, and its biochemistry must be able to function at that temperature. High temperatures are the enemy of complexity—increasing thermal energy tends to break apart big molecules into smaller and smaller bits, and life needs to stabilize the molecules with stronger bonds and special proteins. But this approach has its limits.

Nevertheless, as noted earlier, high-temperature environments like hot springs and hydrothermal vents often offer abundant sources of chemical energy and therefore drive the evolution of organisms that can tolerate high temperatures (see [link]) such an organism is called a thermophile. Currently, the high temperature record holder is a methane-producing microorganism that can grow at 122 °C, where the pressure also is so high that water still does not boil. That’s amazing when you think about it. We cook our food—meaning, we alter the chemistry and structure of its biomolecules—by boiling it at a temperature of 100 °C. In fact, food begins to cook at much lower temperatures than this. And yet, there are organisms whose biochemistry remains intact and operates just fine at temperatures 20 degrees higher.

Abbildung 5. What appears to be black smoke is actually superheated water filled with minerals of metal sulfide. Hydrothermal vent fluid can represent a rich source of chemical energy, and therefore a driver for the evolution of microorganisms that can tolerate high temperatures. Bacteria feeding on this chemical energy form the base of a food chain that can support thriving communities of animals—in this case, a dense patch of red and white tubeworms growing around the base of the vent. (credit: modification of work by the University of Washington NOAA/OAR/OER)

Cold can also be a problem, in part because it slows down metabolism to very low levels, but also because it can cause physical changes in biomolecules. Cell membranes—the molecular envelopes that surround cells and allow their exchange of chemicals with the world outside—are basically made of fatlike molecules. And just as fat congeals when it cools, membranes crystallize, changing how they function in the exchange of materials in and out of the cell. Some cold-adapted cells (called Psychrophile) have changed the chemical composition of their membranes in order to cope with this problem but again, there are limits. Thus far, the coldest temperature at which any microbe has been shown to reproduce is about –25 ºC.

Conditions that are very acidic or alkaline can also be problematic for life because many of our important molecules, like proteins and DNA, are broken down under such conditions. For example, household drain cleaner, which does its job by breaking down the chemical structure of things like hair clogs, is a very alkaline solution. The most acid-tolerant organisms (acidophiles) are capable of living at pH values near zero—about ten million times more acidic than your blood ([link]). At the other extreme, some alkaliphiles can grow at pH levels of about 13, which is comparable to the pH of household bleach and almost a million times more alkaline than your blood.

Abbildung 6. With a pH close to 2, Rio Tinto is literally a river of acid. Acid-loving microorganisms (acidophiles) not only thrive in these waters, their metabolic activities help generate the acid in the first place. The rusty red color that gives the river its name comes from high levels of iron dissolved in the waters.

High levels of salts in the environment can also cause a problem for life because the salt blocks some cellular functions. Humans recognized this centuries ago and began to salt-cure food to keep it from spoiling—meaning, to keep it from being colonized by microorganisms. Yet some microbes have evolved to grow in water that is saturated in sodium chloride (table salt)—about ten times as salty as seawater ([link]).

Abbildung 7. The waters of an evaporative salt works near San Francisco are colored pink by thriving communities of photosynthetic organisms. These waters are about ten times as salty as seawater—enough for sodium chloride to begin to crystallize out—yet some organisms can survive and thrive in these conditions. (Kredit: Änderung der Arbeit durch die NASA)

Very high pressures can literally squeeze life’s biomolecules, causing them to adopt more compact forms that do not work very well. But we still find life—not just microbial, but even animal life—at the bottoms of our ocean trenches, where pressures are more than 1000 times atmospheric pressure. Many other adaptions to environmental “extremes” are also known. There is even an organism, Deinococcus radiodurans, that can tolerate ionizing radiation (such as that released by radioactive elements) a thousand times more intense than you would be able to withstand. It is also very good at surviving extreme desiccation (drying out) and a variety of metals that would be toxic to humans.

From many such examples, we can conclude that life is capable of tolerating a wide range of environmental extremes—so much so that we have to work hard to identify places where life can’t exist. A few such places are known—for example, the waters of hydrothermal vents at over 300 °C appear too hot to support any life—and finding these places helps define the possibility for life elsewhere. The study of extremophiles over the last few decades has expanded our sense of the range of conditions life can survive and, in doing so, has made many scientists more optimistic about the possibility that life might exist beyond Earth.


8.2: Astrobiology - Biology

Titan organics comprise a very complex mixture of compounds. Several approaches are being developed that provide targeted detection of specific functional groups, such as nitriles, imines, primary amines, and carbon-carbon multiple bonds.

Project Progress

Titan organics comprise a very complex mixture of compounds. Co-Investigator Jack Beauchamp and Graduate Student Kathleen Upton are developing several approaches that provide targeted detection of specific functional groups, such as nitriles, imines, primary amines, and carbon-carbon multiple bonds. Experiments for the selective and sensitive detection of primary amines through mass spectrometry are currently being conducted due to the biological prevalence of small molecule ( 1

This allows for the selective detection of primary amine functionality in a complex mixture of organic compounds. As a test of this idea, laboratory produced tholins from two different plasma discharge generators (Figure 2) were complexed with 18-Crown-6. These include synthesis as described by Saker et. al. (2003) and the generator most recently developed by Mark Smith and coworkers. 2,3

Each tholin was dissolved in dichloromethane at 2 mg/ml with 2mM 18-Crown-6 ether. Adduct formation with the Saker tholin is shown in Figure 3. The marked peaks in this figure, with M = 18-Crown-6 ether, correspond to two different series (triangles: NH2-(CH2)n-CH2CN, where n=0 is the first in the series, and circles: NH2-(CH2)n-CH(CN)2 ,where n=2 is the first in the series). The results of a similar experiment with the Smith tholin are shown in Figure 4, where several of the crown ether adduct peaks are labeled with an asterisk. Several of these match peaks observed in Figure 3 and others differ by two to six amu. These deviations could indicate the presence of unsaturation (CC or CN multiple bonds) or a different extent of nitrogen incorporation in the Smith tholins.

Complexation with 18-Crown-6 ether leads to the identification of primary amine functionality in both Tholin mixtures. It is particularly noteworthy that the two different preparations yield a very different mixture of primary amines. Beauchamp and Upton are currently trying to understand the origin of these differences in greater detail in addition to starting with fresh preparations of the tholins.

Primary amine functionality can also be selectively detected using an amine reactive reagent with a permanent charge. This can be accomplished with the quaternary ammonium tag , which reacts with primary amines in basic conditions as indicated in Figure 5. The tag is prepared in acetonitrile and is moisture sensitive. 4

They have tested the amine reactive tag illustrated in Figure 5 using a mixture of the neurotransmitters dopamine, serotonin, and norepinephrine, which are all important biological compounds with primary amine functionality. Solutions of 100uM of the neurotransmitter in 0.1M TRIS at a pH of 8.2 with 10ug of the quaternary ammonium tag were allowed to react for 1 hour, after which they were quenched with 0.1% formic acid, and then diluted for analysis. Mass spectrometric analysis using ESI provided excellent yields and greatly enhanced sensitivity for detection of all three neurotransmitters compared to ESI of the underivatized amines.

Unfortunately, due to tholin reactivity with water and acid, the buffer and quench used with the amine reactive tag could not be used to directly derivatize tholin samples. The procedure was modified to use acetonitrile as the solvent. Tholins dissolve well in acetonitrile, as does the amine reactive tag, and tholins are known to be slightly basic due to nitrogen content. 1mg/mL of the Smith tholin and 100uM quaternary ammonium tag were combined in acetonitrle and left at room temperature. Analysis was performed at various points over a two day period, during which no changes indicative of the derivatization were observed in the mass spectrum. Future studies will explore a wider range of reaction conditions to achieve enhanced yields of derivatized products.

Additional experiments in progress include the use of reactive desorption electrospray ionization ( DESI ) 5 for targeted identification of primary amines, using both of the reagents described above. By using this technique, exposure of the tholin to buffers or acids is minimized. The successful 18-Crown-6 adduct formation described earlier is being used as a starting point for reactive DESI , using neurotransmitters as test compounds. Once the ideal reactive DESI conditions are determined, the quaternary ammonium tag methodology will be attempted on neurotransmitters to determine any changes required in the experimental procedure. If successful they will again test the tholin samples to see if primary amines can be selectively detected.

Verweise:
1. Julian R. R. Beauchamp J. L. Int. J. Mass Spectrom. 2001, 210, 613-623.
2. N. Sarker, A. Somogyi, J. I. Lunine, and M. A. Smith, Astrobiology, 2003, 3(4), 719- 726.
3. A. Somogyi, C. Oh, M. A. Smith, J. I. Lunine, J. Am. Soz. Mass Spectrom., Vol. 16, 6, 2005, 850-859.
4. F. Che, L. D. Fricker, J. Mass Spectrom. 2005, 40, 238–249
5. I. Cotte-Rodríguez, Z. Takáts, N. Talaty, H. Chen, R. G. Cooks, Anal. Chem., 2005, 77 (21), 6755–6764

/> Figure 1. 18-Crown-6 ether complexed to protonated butylamine. The complex sequesters the proton at the primary amine site, preventing deprotonation during electrospray ionization. /> Figure 2. Tholin generators used to produce the two samples examined for primary amine content in this study. The Saker generator uses at gas flow system at atmospheric pressure and collects tholins below the discharge, while the Smith generator operates gas flow at low pressure and collects around the discharge

/> Figure 3. ESI/MS spectrum of 18-Crown-6 complexed Saker tholins. The triangles and circles indicated complexed species fitting a particular compound series.

/> Figure 4. ESI/MS spectrum of 18-Crown-6 complexed Smith tholins. The asterisks indicate identified crown ether adducts. /> Figure 5. a) Amine reactive tag for derivatizing primary amines with a permanent charge. b) Derivatization of an arbitrary primary amine RNH2.

PROJECT INVESTIGATORS:

Jesse Beauchamp
Project Investigator


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Bemerkungen:

  1. Wendlesora

    Es passt mir überhaupt nicht.

  2. Aegelweard

    Wie die Variante, ja

  3. Arnon

    Ich stimme zu, das ist eine großartige Botschaft.

  4. Salhford

    So viel wie du willst.

  5. Ethelred

    Bringt Gesundheit, Glück!

  6. Jasen

    Entschuldigung dafür, dass ich mir eine ähnliche Situation einmischte. Schreiben Sie hier oder in PM.

  7. Meztizuru

    Ich bin sicher, Sie haben sich getäuscht.



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