Astrobiologie Astrobiophysik I - kip.uni-heidelberg.de · System, and characterize those that are...

AstrobiologieAstrobiophysik I

LiteraturP Lunine: Astrobiology: A Multidisciplinary Approach (Pearson/Addison-Wesley)P Gilmour/Sephton: An Introduction to Astrobiology (Cambridge)P Horneck / Rettberg: Complete Course in Astrobiology (Wiley)P Ulmschneider: Intelligent Life in the Universe (Springer)P Russell/Norvig: Artificial Intelligence, A Modern Approach (Prentice Hall)P Knoll: Life on a Young Planet (Princeton)P Luisi: The Emergence of Life. From Chemical Origins to Synthetic Biology

(Cambridge) P Hazen: Genesis: The Scientific Quest for Life´s Origin (Joseph Henry Press)

P Webpages, e.g., Wikipedia, NAI.

Astrobiologie – AstrobiophysikAstrobiologie

Multidisziplinäres Studium des Anfangs, der Verteilung sowie der Entwicklung von Leben im realen Universum

αστρον: Sternβιος: Lebenφυσικη: Naturλογος: Wissen Astrobiophysik

Multidisziplinäres Studium der theoretischen Konzepte und Muster von Leben sowie seinen möglichen Umwelten

Physik Astronomie

Chemie

Biologie

Geologie

Astrobiologie

Mathematik

Informatik Informationstheorie

Physik Astronomie

Chemie

Biologie

Geologie

Astrobiologie - Astrobiophysik

Theoretische Konzepte

Natürliche Prozesse Künstliche Genese

Überprüfung der Theorie

Beeinflußung

EntropieInformationstheorie Phasenraum

Fraktale Muster

Evolution Biologie

Physik Künstliche Intelligenz

LinguistikBionik

Psychologie

Chemie

Astrobiologie – Astrobiophysik

Beide sowohl alte wie neue Disziplinen über ThemaGibt es woanders Leben?

Früher ebenso bekannt als Exobiologie, Xenobiologie, Geobiologie.

Zentrale Fragen Was ist Leben? Wie entstand Leben auf der Erde? Wie ist seine Zukunft auf der Erde? Ist unsere Erde der einzige belebte Planet? In welchen Umgebungen kann Leben auftreten? Wie können wir Leben woanders im All finden? Wie welche Wege hat Leben woanders genommen? Wie häufig sind komplexes oder intelligentes Leben? Welche Dinge sind überhaupt komplex oder intelligent?

Astrobiologie: Erst jetzt sind notwendige Werkzeuge zur Forschung verfügbar

geworden.Gibt es Leben woanders im Universum?

Ù Verifizierbare Hypothese.Ù Überprüfbare wissenschaftliche

Verfahren.Heute: formalisiertes Forschungsfeld.

Ù Peer-reviewed Journals.Ù NASA fördert und betreibt ein Institut für Astrobiologie (NAI).Ù Zunehmende Anzahl an Universitäten bieten Graduiertenprogramme in

Astrobiologie an. Ù Mission im Sonnensystem zum Auffinden von Lebensformen

(Mars, Titan, Europa, ...).Ù Suche nach Spuren von Leben in den Atmosphären von

Exoplanten. Ù Suche nach erdähnlichen Exoplaneten.


Calvin & Hobbes

SOMETIMES I THINK THESUREST SIGN THAT INTELLIGENTLIFE EXISTS ELSEWHERE INTHE UNIVERSE IS THAT NONEOF IT HAS TRIED TO CONTACT US.

Astrobiologie

Vom Leben auf der Erde zum Leben im Universum

Epikur(zu Herodot 300 v.Chr.)

Es gibt eine Unzahl von Welten und man kannnicht zeigen, daß sie nicht belebt sind.

Jacques Monod(in seinem Buch 1970):

Es war nahezu absolut unwahrscheinlich, daß Leben überhaupt entstanden ist.

From NASA’s Astrobiology Roadmap:“Astrobiology is the study of the origins, evolution, distribution,

and future of life in the universe. It requires fundamental concepts of life and habitable environments that will help us to recognize biospheres that might be quite different from our own.

Astrobiology embraces the search for potentially inhabited planets beyond our Solar System, the exploration of Mars and the outer planets, laboratory and field investigations of the origins and early evolution of life, and studies of the potential of life to adapt to future challenges, both on Earth and in space.

Interdisciplinary research is needed that combines molecular biology, ecology, planetary science, astronomy, information science, space exploration technologies, and related disciplines. The broad interdisciplinary character of astrobiology compels us to strive for the most comprehensive and inclusive understanding of biological, planetary and cosmic phenomena.”


NASA’s Astrobiology Institute:

How do habitable worlds form and how do they evolve? How did living systems emerge? How can we recognize other biospheres? How have the Earth and its biosphere influenced each other over

time? How do rapid changes in the environment affect emergent ecosystem

properties and their evolution? What is the potential for biological evolution beyond the planet of

origin?

astrobiology.nasa.gov/nai


NAI research example


NASA’s Astrobiology Roadmap (1) Understand the nature and distribution of habitable

environments in the Universe Determine the potential for habitable planets beyond the Solar System, and characterize those that are observable.

Explore for past or present habitable environments, prebiotic chemistry and signs of life elsewhere in our Solar System Determine any chemical precursors of life and any ancient habitable climates in the Solar System, and characterize any extinct life, potential habitats, and any extant life on Mars and in the outer Solar System.

Understand how life emerges from cosmic and planetary precursors Perform observational, experimental and theoretical investigations to understand the general physical and chemical principles underlying the origins of life.


NASA’s Astrobiology Roadmap (2) Understand how past life on Earth interacted with its changing

planetary and Solar System environment Investigate the historical relationship between Earth and its biota by integrating evidence from both the geologic and biomolecular records of ancient life and its environments..

Understand the evolutionary mechanisms and environmental limits of life Determine the molecular, genetic, and biochemical mechanisms that control and limit evolution, metabolic diversity, and acclimatization of life.


NASA’s Astrobiology Roadmap (3) Understand the principles that will shape the future of life, both

on Earth and beyond Elucidate the drivers and effects of ecosystem change as a basis for projecting likely future changes on time scales ranging from decades to millions of years, and explore the potential for microbial life to adapt and evolve in environments beyond its planet of origin.

Determine how to recognize signatures of life on other worlds and on early Earth Identify biosignatures that can reveal and characterize past or present life in ancient samples from Earth, extraterrestrial samples measured in situ, samples returned to Earth, remotely measured planetary atmospheres and surfaces, and other cosmic phenomena.


Beginn des Lebens: Ideen

Altes Chinaspontane Bildungvon Blattläusen auf Bambus

Altes Indiaspontane Bildungvon Fliegen aus Schmutz und Schweiß

Altes Babylonspontane Bildungder Würmer aus Schlamm

Altes Griechenland Leben ist inhärent in Materie, ewig.Entwickelt sich spontan unter günstigen Bedingungen. Aristoteles entwickelt Theorie der

Spontanen Genese von Leben ausNicht belebter Materie (Abiogenesis).Bis zur Renaissance bleibt seine These bestehen

Thales Democritus Epicurus Lucretius Plato

Aristoteles


Francesco Redi (1668):Keine “spontane Genese” von

Made aus altem Fleich, wenn verschlossen

oder versiegelt.Made = Larve der Fliege

Francesco Redi Italien


Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723):Geschäftsmann; stellte Ein-Linsen-Mikroskopezum Spaß her. Fand kleinste Lebewesen einschließlich Bakteria. Spontane Genese?

Niederländischer Naturalist van Leeuwenhoek


Lazzaro Spallanzani (1729–1799):Italienischer Priester und WissenschaftlerErörterte Idee der spontanen Genese via Microbia in Brühe: Heiße versiegelte Brühe, keine Microbia, dafür aber bei offenen Versuchen (Kontamination über Umgebungsluft).

Gegenargument Keine Luft – kein Leben

Lazzaro Spallanzani


Bis ins 19. Jahrhundert sind organische Verbindungen assoziert mit mystischer

« Vitalenergie »

1827 : Jöns Jacob Berzelius« Kunst kann nicht Elemente der

anorganischen Materie soverbinden wie es der

lebendigen Natur eigen ist. »

[ Schwede - Erfand Begriffe: Polymerization, Katalyse,

elektronegativ, elektropositiv, Erstbeschreiber von Se, Si, und Ti ]


[Freund und früherer Student von Berzelius]

1828: Friedrich Wöhler gelang als Erstemvia abiotische Synthese eine Herstellungvon Harnstoff (NH2-CO-NH2) « ohne einetierische Niere » aus Ammoniumzyanat(NH4OCN)

Seit jenem Versuch: organische Chemie = Chemie von

Kohlenstoffverbindungen


1850: A. Strecker –Erste Laborsynthese von Alanin

(Mixtur von Essigsäure (CH3CHO), NH3, und HCN)

1861: A. Butlerov -Erste Laborsynthese von Formose(Mixtur von Formaldehyd (HCHO)

mit NaOH)


Vorführender

Präsentationsnotizen

Adolph Strecker, Alexandr Butlerov Organic chemistry is on good hands….

Louis Pasteur (1822–1895):Französischer ChemikerSchwanenhals-Flasche zur Protektion vor Microbiasterile Brühe bleibtsteril Keine spontane Genese

“Alles Leben kommt

von existentem Leben.”

Woher kam

erstes Leben?Louis Pasteur


1871 : Charles Robert Darwin, in einem Brief an einen Freund (J.D. Hooker) “It is often said that all the conditions for the first production of a living organism are now present, which could ever have been present. But if (& oh what a big if) we could conceive in some warm little pond with all sorts of ammonia and phosphoric salts, -light, heat, electricity & C present, that a protein compound was chemically formed, ready to undergo still more complex changes, at the present day such matter would be instantly devoured, or absorbed, which would not have been the case before living creatures were formed”


Wenig Fortschritt bis 1924, und dann


1924: Aleksandr Ivanovich Oparin (1894–1980)

Der Ursprung des Lebens

• Chemische Evolution am Fuß desDarwin´schen Evolutionsbaumes.

•Analysen in oxidierender Atmosphäre in ersterAusgab (1924) und in hoch reduzierenderUmgebung in der Zweiten (1938).• Heterotropher Ursprung des Lebens in derprabiotischen Suppe


“At first we found carbon scattered in theform of separate atoms, in the red hotstellar atmospheres. We then found it asa component of hydrocarbons whichappeared on the surface of the Earth.(…)In the waters of the primitive ocean thesesubstance formed more complexcompounds. Proteins and similarsubstance appeared.(…) [They] (…)acquired a more and more complex andimproved structure and were finallytransformed into primary living beings –the forbears of all life on Earth.”


Alexandr Oparin (1894–1980); John B.S. Haldane (1892–1964):entwickeln eigenständig ihre Thesen

CO2, NH3, H2O CH4, NH3, H2, H2O


Stanley L. Miller (1930–2007); Harold C. Urey (1893–1981):

Annahme:Atmosphäre der Erde bestand aus CH4, NH3, H2, H2O

Verbindungen mit elektrischen Entladungen und Temperaturkontrolle in vielen Zyklen für Tage versiegelt

10–15% des C in Form von organischen Verbindungen2% des C in proteinogenen Bausteinen (esp. Glycin), als Kohlenhydrate, Lipide, Bausteine für Nukleinsäuresynthese

Urey

Miller


Eine Definition des Lebens

Was ist Leben?

Definition des Lebens ist beim Beginn des Lebens benötigt.Eine Definition des “minimal life” – wird benötigt.

Lebewesen auf der Erde teilen ähnliche Eigenschaften

wie Metabolismus, Reproduktion und andere, Adaption an ihre

Umgebung

aber: einige Lebewesen haben nicht alle Eigenschaften

Eine biologische Definition des Lebens

+ Bewegung+ Reperatur+ Metabolismus

Probleme mit der biologischen DefinitionReproduKtion:

Hybride wie Maultiere können sich nicht fortpflanzenAmeisenarbeiter bilden eine specializierte, sterile Kaste.

In jeder Spezies gibt es meistens einige wenige infertile Mitglieder, welche aber sehr wohl am Leben sind.

Spezies als ganzes a whole does reproduziert sich.Keine Spezies bekannt, in der sich alle Mitglieder fortpflanzen.

Ist ein Virus am Leben?Organisation: keine ZelleMetabolismus: neinaber: Virus kann sich vervielfältigen und

sich entwickeln.

MaultierArbeiterameise

Virus


Diskussion unter Biologen, ob ein Virus am Leben ist .

Eine Frage der Lebensdefinition?


Probleme mit der biologischen Definition von LebenFeuer erfüllt viele Bedingungen für LebenHomeostasis, Metabolismus, Wachstum, Adaptation, Antwort auf Stimuli, Reproduktion

Computerprogramme können programmiert werdensich zu vervielfältigen, sich zu entwickeln, zu antworten und komplizierte

Aufgaben zu bewältigen (Intelligenz)

Sidney Fox (1957): Aminosäuremischungen können polymerisiert vorliegen und sich zu sphärischen Microspheres verbinden. Sie können neue Microspheres bilden über Knospung (asexuell), aber dabei wird kein genetisches Material weitergegeben.(Ist wichtig für Modell der Protozelle).


Working definition, (see also NASA Exobiology Program):

“Life is a self-sustaining chemical system capable of self-replication and of undergoing Darwinian evolution.” (Shortcomings, but workable.)

L.E. Orgel: Living organisms are CITROENS – Complex Information, Transforming Reproducing Objects that Evolve by Natural Selection.

Chemical robots: By chance, some parts self-assembled to generate robots capable of assembling other parts to form identical robots. Sometimes, minor error in assembly created more efficient robots, which became dominant species.


Eine weitere Definition des LebensErwin Schrödinger (1944): “Life decreases or maintains its entropy by feeding on negative entropy.”

Negative entropy or negentropy or syntropy of a living system is the entropy that it exports to maintain its own entropy low.

2nd Law of Thermodynamics:Entropy of an isolated system tends to increase, i.e., entropy of a closed system that is adiabatically isolated remains constant (if in equilibrium) or increases (until in equilibrium).

But: In a living system heat or matter is exchanged with the environment, so no contradiction to 2nd law. Not a closed system. General formulation: “Life is a member of the class of phenomena that are open or continuous systems able to decrease their internal entropy at the expense of substances or free energy taken in from the environment and subsequently rejected in a degraded form.”

SchrödingerEine Definition des Lebens

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