Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin

Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin

Leben – Habitabilität

Gerda Horneck

DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin

Köln, Germany

[email protected]

Folie 2 > >Horneck

Was ist Leben?

Folie 3 > >Horneck

Was ist Leben?

Folie 4 > >Horneck

Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus

dem Material der Umgebung

Umwandlung der Energie aus

der Umgebung in Arbeit

Katalyse der chemischen

Reaktionen

getreue Reproduktion der

Information

Isolation zur Kontrolle des

Stoffaustausches mit der

Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)

Nobel-Preis für Physiologie und

Medizin (1974)

Folie 5 > >Horneck






Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 6 > >Horneck

Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung

Die Photosynthese

Verwendung von Licht als Energiequelle für den Aufbau der Biomasse

Folie 7 > >Horneck


Die Photosynthese

Oxygene Photosynthese: CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

CO2 O2

Biomasse

Sonnenlicht

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Die Photosynthese

Oxygene Photosynthese: CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

In den Chloroplasten der Pflanzen

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Netto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Die Photosynthese

Folie 10 > >Horneck


Die Photosynthese

Photosynthetisches Wirkungsspektrum

/nm

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Die Photosynthese

Verteilung und Menge an Chlorophyll in der Biosphäre (2002)

In Biomasse gebundener Kohlenstoff: 80 1012 kg pro Jahr

Folie 12 > >Horneck


Die Photosynthese

In der Atmosphäre vorhandenes CO2: 3.0 1015 kg

In Biomasse gebundener Kohlenstoff: 80 1012 kg pro Jahr

0.0387 vol. % in der Atmosphäre

Folie 13 > >Horneck


Weitere Biosynthese-Mechanismen

Anoxygene Photosynthese

bei Bakterien:

• H2S oder H2 als Elektronen-Donator

Chemosynthese bei Bakterien and Archaeen

• Verwendung einer chemischen Energiequelle

zum Aufbau der Biomasse (z. B. H2, S, Fe2+)

Schwefelbakterien

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Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 15 > >Horneck

Umwandlung der Energie aus der Umgebung in Arbeit

Stoffwechsel:

Photosynthese Calvin-Zyklus

Pentosephosphat-Zyklus

Citrat-Zyklus Atmungskette

Proteinbiosynthese

Photosynthese Licht

Proteine

Nukleinsäuren

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Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 17 > >Horneck

Katalyse der chemischen Reaktionen

Enzyme als Katalysatoren

Folie 18 > >Horneck


Enzyme:

Beispiel Alkohol-dehydrogenase (ADH)

Folie 19 > >Horneck


Enzyme beschleunigen die Reaktionsraten um Größenordnungen

Folie 20 > >Horneck






Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 21 > >Horneck

Die langkettigen Nukleinsäuren, vor allem DNA, übernehmen die

Informationsspeicherung und -weitergabe

Kombination von

3 Nukleinsäurebasen bestimmt

den genetischen Code

(genetische Information)

DNA, Träger

genetischer

Information

Nukleinsäurebasen:

Adenin – Thymin

Guanin - Cytosin

Getreue Reproduktion der Information

Folie 22 > >Horneck


Folie 23 > >Horneck


Replikation der DNA mit Hilfe von Enzymen, d.h. autokatalytisch

Folie 24 > >Horneck






Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 25 > >Horneck

Die Zelle ist der kleinste Baustein des Lebens und übernimmt

entweder isoliert – bei den Einzellern – alle notwendigen Funktionen

des Lebens, oder im Verbund – im Gewebe – gemäß einer

Aufgabentrennung bestimmte Teilfunktionen

1-2 m

Mikroorganismen

seit >3.8 Milliarden Jahren

10 - 100 m

Eukaryoten (Pflanzen, Tiere)

seit 1.5 Milliarden Jahren

Isolation zur Kontrolle des Stoffaustausches mit Umgebung

Folie 26 > >Horneck

Isolation zur Kontrolle des Stoffaustausches mit Umgebung

Die Membran trennt die Zelle von der Umgebung und ermöglicht

gleichzetig die Kommunikation und den Stoffaustausch

Folie 27 > >Horneck






Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 28 > >Horneck

Regulation

Alle Prozesse des Lebens

sind durch die genetische

Information regulatiert:

Informationsweitergabe:

DNA

RNA

Protein

Folie 29 > >Horneck






Reaktionen


Information



Umgebung

Regulation

Vermehrung

Was ist Leben?

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

Folie 30 > >Horneck

Vermehrung

Exponentielles

Wachstum durch

ZellteilungWuchskurve

Folie 31 > >Horneck

Vermehrung

Vermehrung des

Wasserflohs in

Abhängigkeit von

der Nahrung

Folie 32 > >Horneck

Veränderungen des Genotyps erfolgen konstant und zufallsgebunden:

die Geschichte des Lebens wird bis zum universellen Vorfahren zurückverfolgt

16S ribosomale RNA

Evolution: Die molekularbiologische Uhr

Folie 33 > >Horneck

Evolution:: Die molekularbiologische Uhr

Phylogenetischer

Stammbaum

Horizontaler

Gentransfer

Folie 34 > >Horneck

Evolution: Die fossile Uhr

Folie 35 > >Horneck

„Leben ist ein chemisches System

das zur Weitergabe seiner

molekularen Information und

zur Evolution befähigt ist.“

André Brack

(geboren 1938)

Ehrenpräsident von EANA

Leben als autokalytisches System

Folie 36 > >Horneck

Evolutionstheorie

Charles Darwin, 1809 -1882 „Der Ursprung de Arten

durch natürliche Selektion“

1859

Folie 37 > >Horneck

„Leben stellt einen dynamischen

Ordnungszustand der Materie dar;

Selbstreproduktion, Mutation und

Metabolismus sind die notwendigen

Voraussetzungen für die natürliche

Selektion.“Manfred Eigen

(geboren 1927)

Nobel-Preis in Chemie (1967)

Leben als thermodynamisches System

Folie 38 > >Horneck

Leben als thermodynamisches System

Erwin Schrödinger

(1887-1961)

Nobel-Preis in Physik (1933)

„Was ist das Kennzeichen des Lebens?“

„Wann sagt man von einem Stück Materie,

es lebe?“

„Wenn es fortwährend etwas tut,

sich bewegt,

mit der Umwelt Stoffliches austauscht,

dass es „in Bewegung“ bleibt. …..

Einführung des Begriffes der Entropie:

„Leben ist etwas, das negative Entropie

aufnimmt und speichert. Es hält sich auf

einer hohen Ordnungsstufe (negative

Entropie) indem es fortwährend Ordnung

aus seiner Umwelt „aufsaugt“.

Folie 39 > >Horneck

Was macht unsere Erde habitabel?

Was sind die Kriterien für Habitabilität?

Folie 40 > >Horneck

Menschen

Temperatur: 15 to 35°C

CO2: <10hPa

O2: >130 hPa, <300 hPa

pH: ~neutral

Sehr enge Grenzen der

Habitabilität

Kriterien sind abhängig vom Art und Typ


Folie 41 > >Horneck

Mikroorganismen

Temperatur: -20 to 113 °C

CO2: <100%

O2: 0 to > 20 %

pH: 0 to 13

Trockenheit

Intensive Strahlung

Sehr weiter Bereich

für Habitabilität


Kriterien sind abhängig vom Art und Typ

Folie 42 > >Horneck

Geschichte des Lebens auf der Erde

Mikroorganismen• kommen seit den Anfängen des Lebens vor• besiedeln Boden, Luft und Wasser• sind an Extremgebiete angepasst (Vorlesung Dr. Rettberg)

Folie 43 > >Horneck

Grenzen für Wachstum und Vermehrung

• Temperatur: -20°C to +113°C

• Wasser-Stress: aw 0.7

• Salzgehalt: Salz Konzentration 30 %, auch

Salzkirstalle

• pH: pH = 1-11

• Nährstoffe: Viele verschiedene Nährstoffe

möglich

Autotrophes Wachstum

Toleranz für lange Hungerzeiten

• Sauerstoff: Aerobier/Anaerobier

• Strahlung: Hohe Srahlenresistenz (<60 Gy/h)

Grenzen der Habitabilität für Mikroorganismen

Folie 44 > >Horneck

Die Bakterienspore als Überlebenskünstler


Folie 45 > >Horneck

• Temperatur: -263°C to +150°C

• Wasser- stress: 0 aw 1.0

Sporen überleben im Vakuum (10-6 Pa)

• Salzgehalt: Salzkristalle (Endoevaporite)

• pH: pH = 0 - 12.5

• Nährstoffe: nicht nötig, besser ohne

• Sauerstoff: nicht nötig, besser ohne

• Strahlung: Hohe Strahlenresistenz (<5 kGy)

• Zeit: 25 - 40 x 106 a

Grenzen fürs Überleben


Folie 46 > >Horneck

Co-Evolution des Lebens mit seiner planetaren Umwelt

Folie 47 > >Horneck

Der Anstieg des Sauerstoffs in der Atmosphäre

mit der Erfindung der

Photosynthese

vor mehr als

3 Milliarden Jahren

Sauerstoff war für die

damaligen Anaerobier

ein Umweltgift!

Folie 48 > >Horneck


Folie 49 > >Horneck


Ermöglichte das

Auftreten komplexer

Lebewesen

Folie 50 > >Horneck

Photosynthese

Atmosphärischer O2

Ozonschicht

UV Strahlenklima

Leben breitet sich über

Kontinente aus


Leben gestaltet

seine Umgebung

Folie 51 > >Horneck

Strahlungsklima auf der Erde

Folie 52 > >Horneck

UV-Strahlenklima auf der Erde: die Ozonschicht

Folie 53 > >Horneck

UV-Strahlenklima auf der Erde: die Ozonschicht

Folie 54 > >Horneck

UV-Strahlenklima auf der Erde

Absorption durch O3

Folie 55 > >Horneck

Strahlungsbedingungen im Erdorbit

Folie 56 > >Horneck

DLR-Biofilm

als biologisches UV Dosimeter

während der Spacelab D2 Mission

In wieweit schützt die Ozonschicht vor der Ultraviolett-Strahlung der Sonne?

Der Weltraum als Zeitmaschine

Folie 57 > >Horneck

Biologische Dosimetrie der solaren UV-Strahlung

DLR-Biofilm

• Bakteriensporen in dünner

Schicht als biologisches

UV-Dosimeter

• Nach der Exposition Bebrütung

und Anfärbung der gekeimten

Sporen

• Misst die Schädigung der DNA

Kalibrierfelder Messfelder

Folie 58 > >Horneck

Der Weltraum als Zeitmaschine

Die Ultraviolett-Strahlung der Sonne außerhalb der Ozonschicht ist

1000 mal schädlicher als auf der Erde:

Ohne Ozonschicht ist unsere Biosphäre nicht möglich

Folie 59 > >Horneck

Cockell & Horneck,

Photochem. Photobiol. 73, 447 (2001)

Die Evolution des UV-Strahlenklimas

Spacelab

D2 Daten

Cockell, J. Theor. Biol 193, 717 (1998)

Folie 60 > >Horneck

„Die Erde ist bis jetzt die einzige uns bekannte Welt, die Leben beherbergt”

Carl Sagan, Pale Blue Dot, 1994

Folie 61 > >Horneck

Suche nach Spuren von Leben in unserem Sonnensystem

Venus

Express

3 Orbiter:

Mars Express,

Odyssey, MRO

2 Rover, Phoenix

Cassini-

Huygens

Rosetta &

Lander

Folie 62 > >Horneck

Die Suche nach extraterrestrischem

Leben beginnt mit der Suche nach

habitablen Planeten und Monden

Suche nach extraterrestrischem Leben

Folie 63 > >Horneck

Was sind die Voraussetzungen für Habitabilität?

• No.1: Biogene Elemente

• No.2: Geeignete Energiequellen

• No.3: Temperaturbereich

für flüssiges Wasser

Folie 64 > >Horneck

Alle Biomoleküle basieren auf Kohlenstoff als zentralem Atom.

Beim Aufbau der Biomoleküle in den Zellen kommt dem

Kohlenstoff eine Schlüsselrolle zu, und zwar vor allem wegen seiner

Fähigkeit, lange Ketten-Moleküle zu bilden.

Lipide bilden

die Membran

Eiweiße bilden

die Enzyme


No.1: Biogene Elemente

Folie 65 > >Horneck

Element Universum

%

Mikro

org %

Pflanzen

%

Tiere

%

H

He

B

C

N

O

P

S

Na

Mg

87

12

.

0.03

0.008

0.06

0.00003

0.002

0.0001

0.0003

9.9

.

.

12.1

3.0

73.7

0.6

0.3

.

.

16/8.7

.

.|0.002

21/11

./0.8|2

59/78

0.7|0.2

0.02/0.1

0.01

0.04|0.2

9.3

.

.

19.4

5.1

62.8

0.6

0.6

.

.

Anreicherung der biogenen Elemente in unserer Biosphäre


No.1: Biogene Elemente: CHONSP + Spurenelemente

Folie 66 > >Horneck

No.2: Geeignete Energiequellen: Licht oder chemisch

Photoautotrophe

Organismen nutzen

das Sonnenlicht

Chemolithoautotrophe

Mikroorganismen

nutzen chemische

Energie

Heterotrophe

Organismen ernähren

sich von organischem

Material


Folie 67 > >Horneck

No.3: Temperaturbereich für flüssiges Wasser

Wasser ist

• Diffusionsmittel

• Selektives Lösungsmittel

(hydrophile and hydrophobe

Gruppen)

• Reaktionspartner

• Strukturgeber der Biopolymere

• Wärmeleiter

• Lehmproduzent (für präbiotische

Chemie)


Folie 68 > >Horneck

Kohlenstoffchemie Energiequelle Wasser

3 Voraussetzungen für Habitabilität

Folie 69 > >Horneck

Habitable Zone als Funktion des Abstands vom Stern

Flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Planeten

Folie 70 > >Horneck

Habitable Zone als Funktion des Abstands vom Stern

Flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Erd-ähnlichen

Planeten im Abstand von 2 AU in Abhängigkeit vom Alter

des Sternensystems (τH= Phase des H-Brennens)

Franck, 2002)

Folie 71 > >Horneck

ESA„s Mission zur Venus: VenusExpress

Start: 9. November 2005

Ankunft im Venus Orbit: April 2006

Temperatur: 464 °C

Druck: 92 bar

Atmosphäre: 96,5 % CO2

Wolken aus H2SO4

Ist oder war Venus habitabel?

Folie 72 > >Horneck


Oberflächentemperatur: 464 °C

kein flüssiges Wasser an der Oberfläche.

Und in den Wolken?

Folie 73 > >Horneck


Anaerobe acidophile Schwefelsäurebakterien in den

Schwefelsäuretropfen der Wolken?

Unwahrscheinlich !

Folie 74 > >Horneck

Unsere Erde und Habitabilität

Bewohnt seit > 3,5 Milliarden Jahren

Das Leben hat seine Umwelt gestaltet

Folie 75 > >Horneck

Mars war einst wärmer und feucht

?

vor mehr als > 3.8 Ga 20. Mai 2003

Ist oder war Mars habitabel?

Folie 76 > >Horneck

Noachian

bis vor 3.8 Ga

Hesperian

bis vor 1.8 GaAmazonian

bis heute


Folie 77 > >Horneck

Postulierte Mars-Biosphäre

• Leben entstand ähnlich wie

auf der frühen Erde

• vielfältige Mikrobenwelt

Epoche 1 : Noachian

bis vor 3.8 Ga

warm und feucht mit

Flüssen und evt.

flachen Ozeanen

McKay and Davis, 1991

100 km

Mars Express mission (2003-

)


Folie 78 > >Horneck


• Plankton unter dem Eis

• benthische Mikroben am Boden

eisbedeckter Seen

• im Permafrost

• Ausweitung der Artenvielfalt

Lake

Vanda

Antarktis

Terrestrische Beispiele

Epoche 2: Frühes Hesperian

vor 3.8 - 3.1 Ga

die Eiszeit beginnt;

flüssiges Wasser nur

noch sporadisch


Folie 79 > >Horneck

Sandstein

Antarctica

Terrestrische Beispiele


• Rückzug in „Oasen“

• endolithisch

• endoevaporitisch

• unterirdische

„Steinfresser“

Epoch 3 : Spätes Hesperian

bis vor 1,8 Milliarden Jahren,

flüssiges Wasser nur noch

• in porösem Gestein und

• in größeren Tiefen

Evaporit

Baja

California


Folie 80 > >HorneckMars von

Pathfinder

Epoche 4: Amazonian

seit 1,8 Ga

hohe Strahlung: UV & kosmische

Luftdruck: Tripelpunkt des Wassers,

flüssiges Wasser nur im Untergrund


entweder ausgestorben oder in

unterirdischen „Oasen“:

• unterirdische

Mikrobengesellschaften

• im Permafrost

• in unterirdischen

hydrothermalen

Quellen?


Folie 81 > >Horneck

Spore von

Bacillus subtilis

Episodische Wasserausbrüche

während der gesamten

Marsgeschichte


Dauerformen als

“Überlebenskünstler”

• Bakteriensporen


Folie 82 > >Horneck

ESA‟s AURORA Programm

ExoMars MSRBemannte

Mission

Folie 83 > >Horneck

ASI (Italy),

BNSC (United Kingdom),

CNES (France),

CNSA (China),

CSA (Canada),

CSIRO (Australia),

DLR (Germany),

ESA (European Space Agency),

ISRO (India),

JAXA (Japan),

KARI (Republic of Korea),

NASA (United States of America),

NSAU (Ukraine),

Roscosmos (Russia).

Koordinierte Aktion von 14

Raumfahrt-Nationen

Global Exploration Strategy

Folie 84 > >Horneck

Habitabilität bei Vorkommen von flüssigem Wasser

Jupiter„s Mond

Europa

Folie 85 > >Horneck


Jupiter`s Mond Europa

Lammer et al. 2009

Folie 86 > >Horneck

Saturn`s Mond Enceladus

H2O, N2, CO2, CH4


Folie 87 > >Horneck

Vorstufen des Lebens auf Saturn„s Mond Titan ?

• Steine aus Wasser-Eis und Methan

• Ozeane und Flüsse aus Methan

und Äthan

• Komplexe organische

Verbindungen

• Modell der frühen Erde, bevor das

Leben entstand ?

Folie 88 > >Horneck

Habitable Zone

um das galaktische

ZentrumHabitable Zone

um unsere Sonne

Habitabile Zone in unserer Galaxie

Folie 89 > >Horneck

Auf der Basis stellarer and geophysikalischer

Eigenschaften

Erweiterte Definition von Habitabilität

Lammer et al. 2009

Kategorie 1: Erdähnliche Himmelskörper (Komplexes mehrzelliges

Leben möglich)

Kategorie 2: Venus- oder Marsähnliche Himmelskörper (einfaches

zelluläres Leben temporär möglich)

Kategorie 3: Himmelskörper mit unterirdischen Ozeanen

(Hydrosphäre) im Kontakt mit der Lithosphäre

Kategorie 4: Himmelskörper mit unterirdischen Ozeanen zwischen

Eisschichten

Folie 90 > >Horneck

Leben und Habitabilität: Astrobiologie

“The exploration of space has

• widened the horizon of the physical world: the concepts of mass and energy are valid throughout the universe

• lead to generalization of chemistry: the spectra of the stars testify the universality of the concepts in chemistry

• has the potential to inspire biology: to build the foundations for the construction and testing of meaningful axioms to support a theory of life”

Zu einer universellen Definition von Leben

Joshua Lederberg,

1925-2008

Nobelpreis für Medizin 1959

Folie 91 > >Horneck

Leben, ein kosmischer Imperativ

“ Leben entsteht zu einem gewissen Stadium der kosmischen oder Planetenevolution, wenn die rechten physikalischen und chemischen Voraussetzungen gegeben sind“

Christian De Duve, 1994

Christian De Duve

(geboren 1917)


Medizin (1974)

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Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin