Livsbetingelser i Universum Föreläsning 3 Livets uppkomst och utveckling

Schema Se också det detaljerade schema som finns på Studentportalen. Där finns även för varje föreläsning referenser till kurslitteraturen. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) Introduktion och generella funderingar Jordens historia och förutsättningar för liv Livets uppkomst och utveckling Uppkomsten av vårt solsystem Livbetingelser i solsystemet Mars Planeter kring andra stjärnor Liv i andra stjärnsystem Filosofiska funderingar Övningar och diskussionsseminarier Tentamen

Redovisningsuppgift 1 2 3 Introduktion och generella funderingar Jordens historia och förutsättningar för liv Livets uppkomst och utveckling Möjlighet till redovisningsuppgift 4 5 6 Uppkomsten av vårt solsystem Livsbetingelser i solsystemet Mars Möjlighet till redovisningsuppgift 7 9 8 10 Planeter kring andra stjärnor Liv i andra stjärnsystem Filosofiska funderingar Övningar och diskussionsseminarier Tentamen

Redovisningsuppgift 1 Ge, i dina egna ord, en kortfattad kronologisk beskrivning av hur jorden och livet utvecklats. Börjar med händelserna som äger rum efter jordens tillkomst, för 4570 miljoner år sedan, och sluta med när den moderna människan träder fram. Försök fånga de viktigaste stegen, och betona vilka händelser/processer på jorden varit relevanta för livets utveckling. Lämna detaljerna därhän. (max 1 A4) Lämna in uppgiften genom Studentportalen senast den 18 november. Skriver du inte uppgiften på dator, kan du också lämna in den på föreläsningen. Plagiatkontroll genom URKUND kommer att ske. Godkänd redovisningsuppgift kan tillgodoräknas på tentamen.

Föreläsning 3 Livets uppkost och utveckling Vilka är livets minsta byggstenar? Hur och var kan livet ha uppstått? Hur såg det äldsta livet ut? Hur utvecklades livet på jorden?

ADP och ATP

Var hittas grundämnen som behövs för att bygga organiska molekyler? De dominerande molekyler i jordens tidiga skede var I atmosfären : CO2, N2, H2S, SO2, CH3 och H2 I haven : H2O I bergen : Mineraler (t ex salter) med tyngre grundämnen Såväl atmosfärens gaser som mineralerna kan lösas upp i haven.

Vilka naturliga förutsättningarna finns det som kan skapa organiska strukturer? För att skapa mer komplexa molekyler från urjordens enkla molekyler behövs en energikälla som kan stimulera kemiska reaktioner. I den tidiga atmosfären förekom många elektriska urladdningar.

Miller-Urey experimentet Stanley Miller och Harald Urey gjorde 1953 ett mycket viktigt experiment. I den första behållaren simulerades avdunstning av vatten från havet genom att värma ett vattenbad. I den andra behållaren utsatte de under en vecka en gasblandning av metan (CH4), ammonia (NH3), och vattenånga (H2O) för elektriska urladdningar. De simulerade regn genom att kyla och återföra den kondenserade gasen till 'havet' i den första behållaren.

Resultatet av Miller-Urey experimentet var att det bildades relativt stora mängder av organiska molekyler. Bland dessa fanns många kolväten, men också aminosyror. Till exempel så kan aminosyret glycin lätt bildas enligt : CO2 CO + [O] CH4 + 2[O] CH2O + H2O (formaldeyd + vatten) CO + NH3 HCN + H2O (vätecyanid + vatten) Vätecyanid och formaldehyd kan sen kombineras till glycin : CH2O + HCN + NH3 NH2-CH2-CN + H2O NH2-CH2-CN + 2 H2O NH3 + NH2-CH2-COOH (= glycin) Närmare analys av provflaskarna i 2008 visade att åtminstone 22 olika aminosyror bildades under experimentet.

Det fanns vissa problem med Miller-Urey experimentet : Experimentet utgick från en atmosfär rik på metan Det bildades mycket stora mängder av andra komplexa organiska molekyler, bl a många sockrar. Dessa bilder en sorts tjock och kletig tjära, som inte löser sig i vatten. Molekylerna som är viktiga för liv utgör bara en nästan obefintlig del. Miller-Urey experimentet var ändå ett viktigt steg i utforskningen av hur livets molekyler kan ha kommit till. Senare experiment har visat att en mer jordlik gasblanding också ger upphov till aminosyror, och att tjäran kan minskas genom att utsätta blandningen för UV-strålning.

Järnmineral kan ha bidragit till reaktionerna Fe2+-joner i vatten kan absorbera UV-strålning och starta reaktioner som leder till att metan bildas av koldioxid. Magnetkis, FeS kan reagera med vätesulfid (H2S) och producera svavelkis (pyrit, FeS2), som är en stabil järnförening. H2S + FeS FeS2 + 2H Vid processen frigörs energi och väte, som kan reagera med kol- och kväveföreningar och bilda kolväten och vätecyanid (HCN), som kan bilda andra organiska föreningar, som t ex aminosyror.

Bildandet av större strukturer Hur sedan större strukturer bildades är inte klarlagt. Utvecklingen kan dock inte ha gått i ett enda steg från atomer till DNA och celler. Det måste ha funnits en kedja av ganska sannolika steg som tillsammans gav upphov till den första RNA-molekylen. Problemet liknar kycklingen-och-egget. Interaktionerna kan ha underlättats på såkallade lermineraler.

RNA världen - Från kemi till biologi 'pre-cells'

Var finns förutsättningarna för organiska byggstener att uppstå? Den ursprungliga bilden, att livet uppstod i varma, bubblande pöler är troligen lite för enkel. Andra tänkbara platser som har de rätta förutsättningar är bland andra hydrotermiska källor. Dessa är ihåliga varma vulkaniska undervattenskällor. Insidan på dessa källor erbjuder naturliga inneslutningar och ytor för reaktionerna att äga rum i. Det finns dessutom gott om svavelföreningar. (Wikimedia Commons)

Aminosyrorna i naturen är enbart vänsterhänta

DNA-världen Från RNA-världen utvecklades sedan en DNA-värld. DNA är stabilare och tål att stå emot enstaka felkodningar. DNA dubbla stuktur tillåter en snabbare kopiering. För att framställa proteiner bildas först en RNA-kedja från en delad DNA-kedja. RNA fungerar sedan som mall för en protein.

Den genetiska koden Flera koder motsvarar samma aminosyra. Grupperingen visar dessutom på en äldre kod baserat på två basgrupper

Murchinson-meteoriten Kan liv spridas inom det inre solsystemet?

Har livet startats flera gånger?

De äldsta spåren efter liv Levande organismer absorberar olika isotoper med olika effektivitet. Även om bergen är metamorfa, så kan mineralernas isotopfördelningen antyda att levande processer har förekommit. Jordens äldsta berg finns på Grönland och är 3850 miljoner år gamla. Dessa innehåller isotopiska spår efter liv.

De äldsta spåren efter liv Tunnlar i vulkaniskt glas borrade av 3500 miljoner år gamla bakterier (från Sydafrika).

De äldsta spåren efter liv Stromatoliter 3500 miljoner år gamla fossila stromatoliter har strukturer identiska med dagens stromatoliter

De äldsta spåren efter liv 750 miljoner år gamla mikrofossiler 3465 miljoner år gamla mikrofossiler (Australien) J.W. Schopf et al. / Precambrian Research 158 (2007) 141 155

Bacteria och Archea är de mest primitiva livsformer Analys av DNA av bacteria och archea visar att dessa har varit bland de mest primitiva livsformer på jorden.

Värmetåliga grupper tycks vara de mest ursprungliga Bakterier och arkebakterier som finns vid heta källor har enzym som skyddar mot höga temperaturer. Dessa enzym finns inte hos några andra organismer. De värmetåliga grupperna tycks därför vara de mest ursprungliga bland såväl bakterier som arkebakterier. Det verkar rimligt att ur-cellen uppstod vid en het källa för omkring 3900 miljoner år sedan. Under några 10-tals miljoner år utvecklades sedan bakterier och arkebakterier.

De första organismerna De första organismerna måsta ha varit autotrofa bakterier. Utan syre (O2) i atmosfären måste metabolismen ha varit anaerobisk. Det äldsta livet var sannolikt svavelbaserat. Svavel fanns tillgänglig i stora mängder kring de varma källorna, och spjälkning av H2S producerar dessutom inget giftigt syre. Dagens purpurbakterier lever precis på detta sätt.

Cyanobakterier De första fossilen är troligen avtryck av cyanobakterier. Cyanobakterier använder fotosyntes som energikälla. De var inte de första fotosyntetiska organismerna, men utvecklade den till fulländning. Cyanobakterier kan spjälka vatten, och släpper därmed ut syre. Cyanobakterier kan dessutom binda kväve (N), som är ett viktigt grundämne för livets molekyler.

Uppkomsten av bandade järnmineral Under perioden 3000-2000 miljoner år sedan bildas bandade järnmineral. Järnioner i vattnet fångade det fria syret, och förhindrade att atmosfären blev syrerik. Närmare analys as svavelisotoper visar att atmosfärens syrekoncentrationen ökade först för ungefär 2300 miljoner år sedan.

Specialiserade strukturer i cellerna Bakterier saknar cellkärna, men Gemmata obscuriglobus har kärna. N (blå) = DNA E (grön) = kärnvägg CM (röd) = cellvägg

Utveckling av specialiserade cellstrukturer

Sexuell fortplantning DNA i enkla värdceller kan lätt skadas av parasiters DNA (till exempel virus). Vid sexuell fortplantning blandas gener så att bara hälften överförs från en cell till dottercellen, vilket innebär att parasitens DNA kan sållas bort. Sexuell fortplantning tillåter också att mutationer sker över större delar av DNA (cross-over), vilket gynnar en snabbare evolution.

De första 'djuren' De första multicellulära organismer utvecklades för ungefär 1200 miljoner år sedan. De första djuren, som lever på andra organismer och har utvecklat ett inre matsmältningssystem. träder fram ungefär samtidigt. Stromatoliterna går kraftigt tillbaka under denna tid. Det fanns antagligen på ett tidigt stadium mjuka maskliknande organismer, som bland annat kunde få enkel och riklig föda i stromatolitmattorna.

Utlöste syreproduktionen till en miljökatastrof? Geologiska observationer visar att flera stora nedisningar av jorden inträffade för 750-580 miljoner år sedan. Landmassorna var exceptionellt stora, och havsytan var låg. En möjlig förklaring kan ha varit att de nya organismerna alltför snabbt utvecklade en effektiv fotosyntes som gav en stark syreproduktion. De lägre halter av koldioxid i atmosfären gav en låg växthuseffekt. Den sista stora nedisningen av jorden ägde rum för ungefär 635 miljoner år sedan.

De första riktiga fossiler Nya geologiska fynden visar att det kan ha funnits svampdjur för över 635 miljoner år sedan. Fynden är 50 miljoner år äldre än de fossil av djur man tidigare har hittat. Nedisningarna kan ha gett en genetisk press som stimulerade utvecklingen till större organismer. Svampdjur är väldigt enkla och primitiva djur och kanske den äldsta nu levande djurgruppen

Under Ediacara-tiden (635-550, också Prekambrium) uppstod de första mer komplexa djur. 5

Den kambriska explosionen Den egentliga utvecklingen av högre livsformer började under den kambriska tiden för ca 550 miljoner år sedan. Utlösande faktorer kan ha varit : Syrekoncentration i atmosfären börjar komma upp till dagens nivå. Fortplantning blir mer komplex. Snöbollsperioder tar slut.

Den kambriska explosionen Nu uppkom mängder med djurarter som hade hårda kroppsdelar som bevarats som fossil, t ex trilobiter. Leddjuren har sin segmentering och typiska huvudstruktur, Bland dessa fossil finns Pikaia, inte olik dagens lancettfiskar, som anses vara en föregångare till ryggradsdjuren. Allt liv är då fortfarande i vattnet. Efter den kambriska tiden har inga nya stammar eller grundstrukturer uppstått.

Under det kommande Ordovicium (510 milj) börjar planterna kolonisera landet (475 milj). Insekter följer efter. Under Silur (440 milj) dominerar blötdjur och leddjur. För 400 milj år sedan tog fiskar med lungor sig upp på land som amfibier och groddjur. Under Karbontiden (360 milj) hade ormbunksväxterna sin storhetstid. För 245 miljoner år sedan utvecklades dinosauriena.

Massutplåningar

Meteroritnedslag

Uppkomst av primater och människan

Och nu?

Slutsatser för idag Livets byggstenar kan relativt lätt och spontant bildas i vanliga naturliga processer. Livet uppstod troligen kring varma vulkaniska undervattenskällor. Livet kan ha uppstått flera gånger, men alla dagens livsformer har utvecklats från en enda urcell, som levde för ungefär 3900 miljoner år sedan. Först 2500 miljoner år senare utvecklades de högre livsformerna.

Nästa tillfälle Uppkomsten av vårt solsystem : Hur kom solen och solsystemet till? Hur kom planeterna till? Hur stort är solsystemet?