(3) Fragen zur Entstehung und den Grundprozessen des Lebens

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Fragen zur Entstehung und den

Grundprozessen des Lebens

www.icbm.de/pmbio

(3)

Spuren des Lebens

Online Biology Book

Mike Farabee, Ph.D.

www.emc.maricopa.ed u/faculty/farabee/BIOB K/BioBookTOC.html

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"Die Zeit vor der Zeit"

Spektrum d. Wiss. Aug. 2004

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Was die Steine erzählen

Spektrum d,. Wiss. Kompakt 2/2002, 8.90 €

Leben ?

Strukturen vom Mars

Leben?

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Woran erkennt man Leben?

Ungereimtheiten und Statistik...

Leben?

Extraterrestrisches Leben?

Wenn's nicht in der Nähe ist, wird es schwierig...

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Urzeugung (generatio spontanea)

Aristoteles (384 - 322 v. Chr.):

Entstehung von Würmern, Larven, Glühwürmchen, Krebsen, Schnecken, Fröschen, Fischen und Insekten u.a. aus Tau, Schlamm, trockenem Holz, Schweiß, Haaren, Fleisch ...

Theorie der Urzeugung: passives Prinzip (Materie, Stoff) + aktives Prinzip (Form → Funktion), Entelechie, Seele, Dualismus

Paracelsus(1493 -1541): Rezept für Herstellung eines Homunculus aus Sperma, Kürbis und Pferdemagen ...

Harvey (1578 - 1657): Ommne vivum ex ovo (ovum auch Lebenskeim) Helmont(1577 - 1644): Erzeugung von Mäusen aus Getreide und Schmutzwäsche Francesco Redi (1627 - 1697): Gaze über Fleisch verhindert Madenentwicklung

Urzeugung

Lange war die Frage nach der Enstehung von Leben kein historisches Problem...

Mondeville (1300 - 1372): Schafbaum Damiani (1107 - 1172: Gänsebaum

Urzeugung

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Needham (1750), Spallanzani (1722-1799): Streit um

Mikroorganismen in gekochten Lösungen (aseptisches Arbeiten)

Schröder undvon Dusch, 1853: Wattestopfen

Pasteur (1822 - 1893), 1860: Keime aus Luft, Schwanenhals- Flaschen (Didaktik!)

Geschichte

Problem der

Urzeugung verlagert in Vergangenheit:

Primäre Biogenese

Pasteur

Pasteurs berühmte Schwanenhals- Versuche (1860) hatten hervorragende didaktische Qualität

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Leeuwenhoek

1684

Wissenschaftliche Aussagen über die Entstehung des Lebens?

* Ziel von Naturwissenschaft: Zuverlässiges Wissen über die reale Welt

* Wissen besteht aus Vorstellungen, Gedanken (partielle Isomorphie)

* Methode: Wahr-Nehmung wiederholt durch unabhängige Beobachter Reproduzierbarkeit, (Täuschungen!?)

* Begriffe, Definitionen

* Gesetze: Korrelation, Deduktion: Vorhersagen aufgrund von Kausalität (Maikäfer)

* Strenge Kausalität (Laplace 1812): Symmetrie vorwärts und rückwärts

Wissenschaft

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Eine Intelligenz, welche für einen gegebenen Augenblick alle in der Natur wirkenden Kräfte sowie die gegenseitige Lage der sie zusammensetzenden Elemente kennte und über- dies umfassend genug wäre, diese gegebenen Größen der Analysis zu unterwerfen, würde in derselben Formel die Bewegung der größten Weltkörper wie des leichtesten Atoms umschließen; nichts würde ihr ungewiss sein, und Zukunft wie Vergangenheit würden ihr offen vor Augen liegen.

P.S. de Laplace, 1812

Laplace

Statistische Kausalität

Planck'sches Wirkungsquantum, Heisenberg'sche Unschärferelation Auf atomarer Ebene lassen sich Energien nicht beliebig teilen,

Makroskopische Kausalität bleibt erhalten, gilt aber nicht mikrophysikalisch

→ Unschärfe, Zufall, Wahrscheinlichkeit, Statistik (Einstein: "Der Alte würfelt nicht!")

Thomas S. Kuhn: Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen, Suhrkamp 1973

Obsolete Paradigmen liefern keine neuen Ansätze mehr, müssen immer mehr korrigiert werden →Revolution, neue Ebene, Verfechter des alten Paradigmas sterben

Unschärfe

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Statistik

Wie lange wird es noch

Menschen auf der Erde geben?

Nach Gott!

Wie lange

überlebt eine Species?

Wissenschaftlich korrekte Antwort (mit 90 %

Wahrscheinlichkeit)

J.R. Gott

(Nature 1993, S.

315; Spektr. d.

Wiss., Sept.'93, S.

30)

Statistik

Wie lange hält eine Tube Zahnpasta?

Den Füllstand brauche ich nicht zu prüfen!

Von 100 Tuben (Flaschen, Rollen Toilettenpapier...) im Badezimmer dürften etwa je 5 % frisch angebrochen oder fast vollständig leer sein.

Für 90 % sollte gelten: sie befinden sich in zwischen den ersten und letzten 5 % ihrer Nutzungsdauer.

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Statistik

Wenn ich das Alter eines beliebigen Gegenstandes kenne, gilt normalerweise:

Die gesamte Lebenserwartung eines 10 Tage alten Gegenstandes liegt deshalb mit 90 % Wahrscheinlichkeit zwischen 10/0.95 und 10/0.05, also 10.53 und 200 Tagen

Mit 90 % Wahrscheinlichkeit befindet sich der Gegenstand zwischen den ersten und letzten 5 % seiner

Nutzungsdauer bzw.

Lebenserwartung.

Homo sapiens

Homo sapiensgibt es seit etwa 270 000 Jahren

Geo 10/2001

Gott sagt: Mit 90 % Wahrscheinlichkeit wird es ihn noch weitere 14 200 (270 000/0.95 – 270 000) bis 5.13 Millionen Jahre (270 000/0.05 – 270 000) geben.

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Macht Statistik dumm?

Hat Gott recht?

Ja, wenn wir uns dumm stellen.

(Alter als einzige verarbeitete Information)

Seit 50 Jahren kann die Menschheit sich an einem Tag auslöschen.

Exponentielles Wachstum natürlicher Populationen hält nur über sehr wenige Generationen and und endet dann meistens mit einer Katastrophe....

Entstehung des Lebens als mikrophysikalischer Prozess

- Aktualismus = Annahme: heutige Gesetze gelten schon immer heutige Bedingungen nicht

- Simulation, Modelle: ? 10 000 oder 300 Millionen Jahre

- "Alte" Eigenschaften der Zelle als Indikatoren

- historischer Ansatz: Fossilien, Paläoklimatologie ...

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Frage nach der primären Biogenese

Extraterrestrische Herkunft?

wenn, dann früh, hilft nicht weiter...

Einheit der Biochemie => heute nur noch nur die Folgen eines oder weniger Ereignisse oder Prozesse

Primäre Biogenese

Geologische Altersbestimmung

Relativ:

Stratigraphisch, Schichtung, seit Stensen (Steno) 1669 Lithostratigraphie, Biostratigraphie

Paläomagnetismus

Absolut:

a) Auszählen periodischer Vorgänge:

Warven-Methode: Jahresschichtung durch Gletscher gebänderte Eisensteine, Stromatolithen

evtl. sogar Tageszuwachs bei Korallen Gezeitenschichtung in Ästuaren

Dendrochronologie: Jahresringe an Bäumen

b) Physikalisch anhand radioaktiver Zerfallsreihen

Altersbestimmung

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Warven

Warven

Erdgeschichte

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Verkürzte Perspektive...

Geologische Zeitskala

Frühzeit

↑Methode von 1890 (Kelvin)...

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Mikrofossilien

... primitiv?

... Cyanobakterien?

Mikrofossilien

3.3 - 3.5 Ga Westaustralien, Warrawoona Gruppe mit fädigen Bakterien

3.1 Ga Fig-Tree-Formation in Südafrika,

Mikrofossilien

Mikrofossilien

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Stromatolith 1.3 Ga

Stromatolithe

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

Stromatolithe

Stromatolithe 3.5 Ga

und rezent

Stromatolithe

Ungestörte Entwicklung ohne Grazer...

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Farbstreifensandwatt

z.B. Mellum...

Gebänderte Eisensteine: Wechsel von

reduzierenden und oxidierenden Bedingungen

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

BIFs

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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

R = [¹³C]/[¹²C] ≈0.011 (z. Vgl. [¹⁴C]/[¹²C] = 1/10¹²) R_Probe- R_Standard

δ¹³C = ______________________ * 1000 in ^o/_oo R_Standard

34S/³²S : ≈0.045

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

15N/¹⁴N : ≈0.0037

Isotopenfraktionierung

Isotopenfraktionierung als Beweis für Leben

Mögen Sie lieber Äpfel oder Birnen?

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Isotopenfraktionierung:

Enzyme bevorzugen leichte Moleküle