Orienteringskurs. Astrobiologi. Del 4

Transkript

1 Orienteringskurs Astrobiologi Del 4

2

3 Jordens ungdom 4,6 miljarder år före nutid Jorden bildades, het planet, tät atmosfär, maffig växthuseffekt 4,4 miljarder år före nutid första hav, jordskorpan bildades under havet 4,4-3,9 miljarder år f. n. många meteorit-och kometinslag jorden fortfarande het Hadean period Inte så mycket information geologiska formationer från denna tid omvandlas senare

4 De äldsta bergarterna-tecken av liv? Isua-berg (sedimenter) innehåller korn som visar högre andel av 12 C än omgivningen. Tecken av liv? Aktiveringsenergi 12 C-Glucos 12 CO 2 13 C-Glucos 13 CO 2 Aktiveringsberg är lite mindre vid 12 CO 2: inbyggs preferentiellt i planter Forskarna hävdar att det finns också abiotiska väger för 12 C- anrikning (tex Fischer-Tropsch) Isua-formation Grönland (ålder 3.8 miljarder år)

5 Första otvivelaktiga tecken av liv - sedimenter bildad av biofilmer av mikroorganismer (t.ex. alger) - äldsta stromatoliter kan vara 3.5 miljarder år gamla - man trodde att stromatoliter orsakas bara av en fåtal arter stämmer kanske inte Stromatoliter Gamla stromatoliter Stromatolitkultur i Australien

6 Hur kunde de första levande organismer ha sett ut? Under nutiden: 3 cellarter Eukaryoter Alla flercelliga (djur, högre planter, svampar), men också några encelliga organismer Eukaryoter (utbildad cellkärna) Bakterier Arkeer (Archaea) har många egenskaper gemensam med eukaryoter Prokaryoter (ingen cellkärna, bara DNA-slinga)

7 Prokaryotisk cell

8 Prokaryoter

9 Eukaryoter Råmaterialer kommer i cellan Sopmaterial lämnar cellen - utpräglad cellkärna - cellmaterialet sitter inom cellmembranen - cellen interagerar med omgivningen - komplex biokemi äger rum - alla funktioner kontrolleras av genetisk information Energi lämnar cellen Energi kommer in i cellen

10 Eukaryotisk cell Nukleus: DNA i kromosomer Mitokondrier: producerar energi Endoplasmatisk reticulum: syntes och smältning av fettsyror och proteiner, ribosomer finns där Golgi-komplex: proteincessering och transport Samma byggnadsmönster i alla eukariotiska celler Finns det en gemensam förfader? Lysosomer: nedbrytning av sopmaterial Kloroplaster fotosyntes (bara i planter)

11 Gemensamma egenskaper av alla celler - cellmembraner - genetisk kod - översättningsmekanism (m-rna, t-rna) - alla funktioner kontrolleras av genetisk information Last Universal Common Ancestor (LUCA)

12 Gemensamma gener Gener: Sequenser av basparer i DNA/RNA gener i nästan alla eukaryoter, 24 i Bakterier 145 i arkeeer (Archeae) - ju närmare två arter står varandra, desto flera gener överensstämmer - information kan användas för att bedöma närheten av 2 arter (schimpanser och människor har 98% liknande gener) - möjligt att rekonstruera generna av LUCA

13 Gemensamma gener osäkra Lateralgentransfer (mellan olika arter efter separation i träden gör bestämning av LUCA-gen svårare)

14 Problem med LUCA-hypotesen - 2 olika membrantyper i celler: isoprenoidmembraner i arkeer och fett(lipid-)membraner i bakterier och eukaryoter Membranprotein Yttervärlden Fosfolipider Cytoplasma - möjlig massiv gentransfer i tidiga celler (hade kanske permeabel cellmembran) - kanske var generna inte lokaliseras i bestämda organismer, men interagerade med varandra

15 Egenskaper av membraner med korta kolkedjor - Membraner med korta kolkedjor ~10 kolatomer släpper små enheter igenom (aminosyrer, nukleobaser), men är genomträngliga för polymerer - polymerer (proteiner, DNA, RNA) kunde hållas fast i cell-plasman och aminosyror och nukleobaser kommer in som efterskott - de första cellerna kunde bildas på detta vis Aminosyror, nukleobaser Proteiner, DNA

16 Isoprenoid- versus lipidmembran Lipidmembran förgreningar Isoprenoidmembran Vilken membrantyp hade LUCA? Isopren

17 Chicken and egg problem DNA/RNA proteins - för translation av DNA via RNA till proteiner krävs proteiner RNA-polymerase, ribosomer - Proteiner syntetiseras av ribosomer från RNA (DNA) mall Translation

18 Teori: Första genombrottsorganism - första kodering av proteiner med RNA - mycket primitiv, nästan slumpaktig, många fel - men kan utveckla sig genom Eigen-kretsen Naturlig variation Darwin-selektion Eigen krets Nya funktioner utvecklas Darwin-selektion Ökande nogrannhet av translation Större genomer

19 Hur kan dessa organismer ha sett ut? Virus kunde ge svar: - har ibland bara en RNA-sträng med 3500 nukleobaser - koderar 3 proteiner: replikase (för RNA replikation), maturase (interaktion med värdscellen) och skalprotein - virus lever i område (värdscell) var alla byggstenar (aminosyror, nukleobaser) är närvarande - genombrottsoranismen kunde ha levat i en liknande omgivning

20 Vad hände före genombrottsorganismen - proteiner kan inte replicera sig själva - DNA kan inte funka som enzym - RNA kan ha vissa enzymegenskaper, det finns s. k. ribozymer - kunde kanske replicera sig själv - före första RNA-proteinorganism kunde en RNA-organism ha existerat. Hammarhead-ribozym

21 RNA-världen - följd av baser bestämmer strukturen av RNA molekyler (och i följd ribozymer) - RNA molekyler kan kopiera sig själv (inga proteiner närvarande) - några ribozymer fortfarende kvar i eukaryoter, mindre i prokaryoter - minsta naturliga ribozymer har bara 40 nukleobaser (artificiella 29)

22 Problem - byggstenarna (nukleotider måste vara närvarande) - fanns det cellmembraner? (sparande av polymerer) - nuvarande ribozymer har inga polymerisationsfunktioner (polymerisation utgörs av proteiner) Negativt laddad Nukleotid RNA

23 Var kommer RNA polymerer från? - lerpartiklar har oftast positivt laddade joner absorberad på (negativ laddade) ytan - positiv laddade joner tilldrar sedan nukleotider, polymerisation kan händer Negativa joner - annan möjlighet: mycket kalla saltlösningar. Montmorillonit lerpartikel

24 Varifrån kommer energin för polymerisationen? - i moderna livet från klyvning an P-O bindningen i trifosfater Bindning av 5 -C-atom av en ribosmolekyl till 3 -Catom av en annan. Också reaktiv Problem: 2 -OH gruppe på ribos kan också reagera med fosfat (inte i DNA)

25 Hur bildas nukleotider? - från nukleosider och fosfat - nukleosidproduktion inte hel klarlagt Adenin - möjligen via ribosfosfat eller ribos + HCN (Problem: rätt kiralitet) b-ribos Nukleosid Anomer C-atom Nukleotid

26 Annan möjlighet RNA kanske inte första biopolymer PNAs (peptid nucleic acid) (akiral!) Threose nucleic acids (TNA) bara 2 OH grupper! RNA bildas av kopiering fran dessa polymerer och sedan slog igenom genom Darwinselektion

27 Sammanfattning av problem med RNA-organismer och RNA-världen - beroende av omgivning för byggstenar - hur gick urvalet av komponenter till - bildning av nukleotide och polymerer - homokiralitet - Hur bildas celler? - ribozymer är dåliga på polymerisation - instabilitet - hur växer de fram till tillräcklig storlek - hur bildas en tillrävcklig mängd av RNA organismer att de kan överleva och vidareutvecklas? - var kunde de leva?

28 Var kunde RNA-organismer existera? - Polymerisation kräver vatten - nucleotider är negativt laddade - Katalysatorer (lera) kunde ha underlättad polymerisationen Life on the beach

29 Var kunde RNA-organismer existera? Porous black smokers

30 Porösa black smokers

31 Habitat för RNA-organismer -porer i porösa black smokers kunde utgör de första celler utan membraner - annan möjlighet: mycket kalla lösningar polymerisation lättare kalla och heta områden uppenbarligen fördelaktiga kan organismer leva där?

32 Vägen till liv Eukaryoter LUCA Prokaryoter DNA genomer Riborgis eigensis: antagen organism med genetisk kod och genetisk information primitivea proteiner för att kopiera RNA RNA värld (RNA, proto-ribosomer, ribozymer) Prebiotisk kemi

33 Tidtabell av vägen till liv Tidsskala: miljarder år före nutid