www.icbm.de/pmbio ﬁ Mikrobiologie

(1)

Cypionka, icbm.de/pmbio

→ Mikrobiologie

Heribert Cypionka

www.icbm.de/pmbio - - - > Teaching

Institut für Chemie und Biologie des Meeres

Farbstreifen-Sandwatt

Vorlesung Allgemeine Biologie

Das Leben kommt auf alle Fälle

aus einer Zelle,

doch manchmal endet's auch in einer solchen - bei Strolchen.

Heinz Erhardt

Zelle

Wie hat es wirklich angefangen?

→ Primäre Biogenese

(2)

Erdgeschichte

Erdgeschichte, Lebensgeschichte

Cypionka: Grundlagen der Mikrobiologie,

Online Biology Book Mike Farabee

www.emc.maricopa.edu/facu lty/farabee/BIOBK/BioBookT OC.html

Die Erde ist tektonisch sehr aktiv. Archaische Gesteine sind äußerst selten.

Pangaea

(3)

Zerfall radioaktiver Elemente als Chronometer

Alter der Erde

Erdalter

Nach 10 Halbwertzeiten ist nur noch ¹/₁₀₂₄des Isotops vorhanden.

Radiocarbon-Methode

Radiologische Uhren

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Isotopenfraktionierung

Prinzip: Während chemische Reaktionen keine (kaum) Unterschiede zwischen Isotopen (Atomen, die sich durch die Anzahl Neutronen im Kern unterscheiden) machen, bevorzugen Enzyme geringfügig das leichtere von zwei zur Verfügung stehenden Isotopen, da sich dieses leichter in die katalytisch günstigste Position fügt. Folge: Produkte angereichert mit leichtem Isotop, Reservoirs abgereichert

Man kann aus den Isotopenverhältnissen auf eine biotische Genese von Sedimenten schließen.

Isotopenfraktionierung

Natürliche Konzentrationsverhältnisse einiger Isotope

13C/¹²C : ≈0.011 (z. Vgl. ¹⁴C/¹²C = 1/10¹²)

34S/³²S : ≈0.045

18O/¹⁶O : ≈0.0020 (in Kalkschalen => Temperaturbestimmung)

15N/¹⁴N : ≈0.0037

Isotopenfraktionierung als Beweis für Leben

C-Isotopenfraktionierung

(5)

Isotopenfraktionierung:

Enzyme bevorzugen leichte Moleküle

S-Isotopenfraktionierung

Stromatolithe (Kissensteine)

3.5 Ga alt und rezent

Ungestörte Entwicklung ohne Grazer...

Stromatolithe

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Stromatolith 1.3 Ga

Stromatolithe

Die ältesten ca. 3.8 Ga, Isua, Süd- Grönland

Stromatolithe

Farbstreifensandwatt

Farbstreifensandwatt

Solche farbigen Streifen kann man im Sand an der Nordsee z.B. auf Mellum entdecken. Bräunlich-grün Diatomeen, blaugrün Cyanobakterien, lachsfarben Schwefelpurpur- bakterien.

(7)

... primitiv?

... Cyanobakterien?

Mikrofossilien

3.3 - 3.5 Ga Westaustralien, Warrawoona Gruppe mit fädigen Bakterien

3.1 Ga Fig-Tree-Formation in Südafrika,

Mikrofossilien

Gebänderte Eisensteine: Wechsel von reduzierenden und oxidierenden Bedingungen im Jahresrhythmus

Oxidation von Fe²⁺zu Fe³⁺durch (oxygene?) Photosynthese,

Ausfällung von oxidiertem Eisensalzen

Gebänderte Eisensteine(Banded Iron Formations, BIF's) ohne Mikrofossilien, aber Isotopenfraktionierung

Gebänderte Eisensteine

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Eisenausfällungen durch Sauerstoff in einem Bach auf dem Gelände der Universität Oldenburg

Eisenausfällung

Wer waren die ersten Lebewesen?

Die ersten Lebewesen

Wovon haben sie gelebt?

Findet man sie oder ihre Lebensweisen noch heute?

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Die Entwicklungslinien extrem thermophiler und hyperthermophiler Prokaryoten zweigen tief im phylogenetischen Stammbaum ab.

Hinweis auf Entstehung der ältesten

Gruppen an heißen Standorten!

Lebens- weisen

Anoxygen phototrophe Bakterien in Agarkulturen

Anoxygen phototrophe Bakterien

Wie haben die ersten Lebewesen gelebt?

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Die am tiefsten abzweigenen Entwicklungslinien und die Archaeen haben keine phototrophen Organismen.

Hinweis auf chemotrophe Lebensweise der ersten Lebewesen

Ursuppe

Ursuppe

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Miller und Urey, 1953

Chemische Evolution:

Energie (Blitze, Wärme, UV- Strahlung ...)

H₂, CO₂, CH₄, NH₃, H₂O

→Teer, div. organischeVerb., Aminosäuren, wenige

Nukleotide (Adenin), Fettsäuren, Porphyrine, Nicotinamid

"lange Zeit günstige

Bedingungen für die Entstehung von Leben"

Tatsächlich nur: 'Organische Verbindungen können abiotisch gebildet werden. Die Bedingungen dazu hat es wahrscheinlich auf der Erde gegeben.'

Zellen? Nukleinsäuren?

Energiestoffwechsel?

Miller und Urey

Ein plausibles Szenarium - wie es gewesen sein könnte

•Abiotische Bildung organischer Substanz

- irdisch oder außerirdirsch (aber nicht überiridisch) - wenig bei geringer Reduktionskraft der Atmosphäre

•Entstehung der ersten Zellen durch cyclische rekursive Prozesse (Hypercyclen?, viele offene Fragen)

Isotopenfraktionierung und fossile Zellen beweisen: Bis spätestens 3.8 Milliarden Jahre vor heute entstanden Lebewesen:

prokaryotische Zellen mit Membran, DNA, Protein, ATP

•Energie: Strahlung (Licht, UV, keine Ozonschicht), chemische Energie (Hydrolyse, Redoxprozesse)

Szenarium (1)

•Linien mit hyperthermophilen Prokaryoten tief abzweigend, (Wärme nicht nutzbar als Energiequelle), keine (echt)

(12)

•Lebensweise: Anaerob, nicht phototroph, aber: Wachstum unter der Verwertung org. Substanz in der Ursuppe würde 'Teer' als Rest lassen und netto Mineralisierung, aber keine Isotopenfraktionierung bewirken

•^CO2als universeller Elektronenakzeptor und C-Quelle (→CH₄oder Acetat)

•Autotrophie (CO₂-Fixierung) bewirkt frühe Anreicherung von ¹²C/¹³C

•Lithotrophie (und Phototrophie) stets gekoppelt mit Elektronentransport

•Primitive Gärer? - Chemiosmotische Energiewandlung zwangsläufig bei Transport und Elektronentransport

Szenarium (2)

•Chemosynthese (Lithotrophie) mit H₂, S, S₂O₃^2-

•Dissimilatorischer Schwefelstoffwechsel bei vielen Archaeen

•Photosynthese zunächst anoxygen (Purpurbakterien, Grüne Bakterien), ein Photosystem, das nicht Wasser spaltet (aber evtl. Eisen oxidiert!)

•Oxygene Photosynthese später erfunden von Cyanobakterien (Entstehung eines zweiten Photosystem als veränderte Kopie von Photosystem I)

•Aerobe Atmung gleichzeitig mit O₂-Bildung, Umstrukturierung des gesamten Kreislaufs

• Prokaryoten: Teilsexualität (Konjugation), horizontaler Gentransfer (Transfektion, Transduktion, Endocytosymbionten)

•Sexualität, Meiose spät, Blüte der Eukaryoten, Metazoen, Metaphyten erst vor <600 Ma

•wenige Grundstoffwechseltypen bei Eukaryoten

Szenarium (3)

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Lebensweisen

Lebens- weisen

7 6 5 4

3 2

1

1: grüne Pflanze 2: Schwefel-

Purpurbakterium 3: Schwefelfreies

Purpurbakterium 4: Mensch, Pilz 5:Sulfatreduzie- rendes Bakterium 6: Darmbakterium 7: Desulfovibrio

sulfodismutans

Gibt es nicht Standorte, wo die ursprünglichen

Bedingungen für die Entstehung des Lebens noch heute nachvollziehbar sind?

Plattentektonik

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Heiße submarine Hydrothermalquellen

Submarine Hydrothermalquellen

Riftia pachyptila hat weder Mund noch After, lebt durch die Aktivität

chemotropher, sulfidoxidierender Bakterien im

Tropohosom, das mit Schwefelwasserstoff CO₂und Sauerstoff versorgt wird.

Riftia

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Chemolithotrophie Chemolithotrophie

H₂, H₂S, S⁰, Fe²⁺, Mn²⁺, NH₄⁺

SO₄^2-, Fe³⁺, Mn⁴⁺, NO₃^-...

O₂,NO₃^-, CO₂...

H₂O, ,N₂, CH₄...

• Reduzierte anorganische Verbindungen werden als Elektronendonatoren für einen Atmungsprozess genutzt

• Je nach Elektronendonator kann nur Sauerstoff oder auch anderen Elektronenakzptoren genutzt werden

• Oft gekoppelt mit Verwertung von CO₂als C-Quelle:

Chemolithoautotrophie

Chemoorganoheterotroph Lebensweisen

Chemolithoautotroph

• Chemolithoautotrophie nur bei Prokaryoten

• Essenziell für die biogeochemischen Kreisläufe von C, N, S, Fe, Mn ...

Dissimilation Assimilation

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Energie aus der Erde wie der Sonne ? Energie aus der Erde?

Elektronendonatoren

Die Elektronendonatoren stammen aus der Erde, der Akzeptor Sauerstoff aus der Photosynthese an der Erdoberfläche. Energie steckt in der Reaktionsmöglichkeit von Donator und Akzeptor.

Energie aus der Erde?

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Prozesse im Meer

In jedem normalen Sediment erfolgt der Abbau organischer Substanz unter Zwischenschaltung chemolithotropher Prozesse

→ www.mikrobiologischer-garten.de

→ http://caliban.mpiz-

koeln.mpg.de/~stueber/haeckel/kunstformen/natur.htm