© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio
Fragen zur Entstehung und den
Grundprozessen des Lebens
www.icbm.de/pmbio
(6)
Lebensweisen Energiestoffwechsel
Freier Wille
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Wachstum
• Leben beinhaltet Wachstum als wesentliches Merkmal
• Wachstum erfordert Zunahme der Biomasse und
• Zellteilung nach Replikation des Genoms
• Zunahme der Biomasse (Assimilation) benötigt Baustoffe
• Verarbeitung der Baustoffe benötigt Energie
Wachstum
Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Lebensarbeit ist überwiegend Biosynthese und Transport.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Binäre Teilung
• Wachstum ist ein rekursiver cyclischer Prozess (Ergebnis der letzten Replikation dient als Ausgangspunkt der nächsten Generation)
1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 ....
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio
• Als wichtigste Baustoffe werden Kohlendioxid (CO2) oder organische Verbindungen <CH2O> genutzt
• Organismen sind entweder autotroph (= nutzen CO2als Haupt-Kohlenstoffquelle) oder
• heterotroph (= verwenden vorgefertigte organische Baustoffe)
• CO2ist und war meist reichlich verfügbar, erlaubt Isotopenfraktionierung
• Autotrophie erfordert jedoch aufwendige assimila- torische Stoffwechselwege (z.B. Calvin-Cyclus)
Baustoffe
Baustoffe
• Als Energiequellen werden nur Licht und chemische Energie genutzt (phototrophe oder chemotrophe Lebensweise)
• Chemische Energie kann aus organischen oder anorganischen Verbindungen gewonnen werden (organotrophe oder lithotrophe Lebensweise)
• Wärme ist Voraussetzung und Produkt von Leben, wird aber nicht als Triebkraft verwertet.
• Lebewesen sind Energiewandlungsmaschinen und erzeugen verschiedene Energieformen: elektrische, mechanische, magnetische, akustische, chemische,
Energie
Energiequellen
LebensweisenLebens- 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
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Dagowsee
Lebens- weisen
Anoxygen phototrophe Bakterien aus dem anoxischen Bereich des Dagowsees
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Dagowsee
Lebens- weisen
Anoxygen phototrophe Bakterien in Agarkulturen
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio 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.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio D. sulfodismutans
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Biologischer Umweg
Energiekopplung - der Umweg als biologisches Prinzip
Stoffwechsel verläuft über Umwege.Korrekte chemische Bilanz-Gleichungen führen uns in die Irre.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Glucose-Oxidation
Beispiel: Wachstum mit Glucose
Glucose + Sauerstoff →Kohlendioxid + Wasser(1) C
6H
12O
6+ 6 O
2→6 CO
2+ 6 H
2O (2) C
6H
12O
6+ 6 H
2O → 6 CO
2+ 24 [H]
(3) 24 [H] + 6 O
2→12 H
2O
Summe der Gleichungen (2) und (3) = Gleichung (1) Der Stoffwechsel verläuft über typische biologische Umwege, die Energiewandlungen erlauben.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio
Photosynthese-Gleichung
CO2+ H2O →O2+ <CH2O>
Woher kommt der freigesetzte Sauerstoff?
Logisch: CO2 gibt O2ab, nimmt H2O auf.
Test mit 18O-markiertem Wasser CO2+ H2*O →* * O2+ <CH2O>
Der biologische Umweg ist der Normalfall.
2 H2O →O2+ 4 [H]
4 [H] + CO2→<CH2O> + H2O
Photosynthese
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Heterotropher Aerobier
Stoffwechsel eines
heterotrophen Aerobiers (z.B.
Mensch)
z.B. Glucose
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Atmung
Energie- wandlung Protonen- kreislauf
Begriffe werden meist aufgrund anfänglicher Beobachtungen – oft ohne Verständnis für funktionale Zusammenhänge - gebildet, und bekommen mit der Zeit weitere Phänomene untergeschoben.
Die Begriffe 'Elektronentransport- Phosphorylierung' oder 'oxidative Phosphorylierung' finden sich noch in fast jedem Lehrbuch.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Heterotropher Aerobier
Stoffwechsel eines chemo- lithotrophen Aerobiers (z.B.
Thiobacillus)
Lichtenergie
=> Umwandlung in Gradienten
Wie kann Lichtenergie genutzt werden?
Ein klassischer Photosynthese- Apparat – cyclischer Elektronentransport
Heterotropher Aerobier
Lebens-
weisen
photo-
tropher
Lebe-
wesen
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Halobacterium
Wie kann Lichtenergie genutzt werden?
=> Umwandlung in Gradienten
Ein einfacher Apparat
‘zur‘ Licht- nutzung
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Gradienten
Weshalb steckt in einem Gradienten Energie?
Energie hängt ab von Wahrscheinlichkeiten
Die Wahrscheinlich- keit, dass sich hier ein Teilchen von oben rechts nach unten links bewegt, ist momentan Null.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Maxwell‘s Dämon
Weshalb steckt in einem Gradienten Energie?
Energie hängt ab von Information
Der Dämon lässt nur heiße Teilchen von links nach rechts.
Warum kann es ihn nicht geben?
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Patent-Membran
Weshalb steckt in einem Gradienten Energie?
Energie ist equivalent zu Information!
Die drehbaren Dreiecke lassen impulsreiche (heiße) Teilchen in eine Richtung durch.
Leider verlieren die Teilchen bei der Wechselwirkung mit der Patentmembran Energie.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Entropie
Entropie ist equivalent zu Information (Negentropie)!
Teilchen haben eine zur Temperatur proportionale Energie, die man bei gleichbleibendem Druck und Temperaturkonstanz nicht für Arbeit nutzen kann.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik, Entropie-Satz.
Lebewesen ‘arbeiten‘ bei gleichbleibendem Druck (isobar) und Temperaturkonstanz (isotherm)!
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Freier Wille
Sind Sie aus freiem Willen hier?
Ich weiß es nicht. Die
Hirnforscher sagen, es gibt
keinen freien Willen.
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Freier Wille -Interview
Siehe auch: Spektrum d. Wiss. 02/2001 S.72
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Wille Illusion?
© Heribert Cypionka, www.icbm.de/pmbio Freier Wille
