wiek Ziemi

„Odciski” fotosyntezy,
czyli co wiemy o początkach życia na Ziemi?
wiek Ziemi – ok. 4.5 mld. lat
?
Poszukiwania pre-LUCA
Last Universal Common Ancestor
Badania pleontologiczne , izotopowe
pierwszy metabolizm produkcji ATP – ok. 300-400 mln. lat temu
upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/Geologica_time_USGS.png
Tablica geologiczna
Eon
Prekambr
Proterozoiczna
Era
wiek (mln lat)
Proterozoik
2500 - 2300
Neoarchaiczna
2800 - 2500
Wydarzenia
3200 - 2800
Pierwsze akceptowalne skamieniałości świadczące o życiu
na Ziemi.
Pierwsze związane formy żelaza.
Paleoarchaiczna
3600 - 3200
Stromatolity? Pierwsze osadowe nawarstwienia (nawet
wcześniej [Nutman et al. 2001], przeciwnicy [Sankaram,
2002]).
Eoarchean
~3800 - 3600
Rozważania nad geochemicznym pochodzeniem życia
(obecnie poddane krytyce)
Wczesny
Imbrian
3850 - 3800
Deszcze meteorytów Ryder (2001).
Mesoarchaiczna
Archaiczna
Hadeik
Eon – jednostka geologiczna, ok. 500 mln lat
Era archaiczna
A relic from the Archean Eon. This famous
outcrop of basaltic pillow lava in Ely,
Minnesota may lack the drama of a Chesley
Bonestell painting, but it demonstrates that
2.7 billion years ago the Earth's surface was
cool enough to bear liquid water.
Pillow lava are formed when molten rock lava
erupts at the bottom of an ocean or lake. The
rapid chilling effect makes the lava solidify
into rounded or ellipsoidal forms. Incidentally,
this site will be one of the stops on this
coming spring's four-day trip to Minnesota's
Superior Country and Iron District. (Photo by
Raymond Wiggers.)
J.B. De Lamarck (1801) i Ch.R. Darwin (1859) teoria ewolucji
proponował wiek Ziemi ok. 300 mln lat
Stromatolity - Należą do jednych z najstarszych śladów życia na Ziemi.
Najstarsze stromatolity pochodzą sprzed 3,4-3,5 mld lat, znaleziono je w Pd. Afryce
(grupa Sebakiwian) oraz w Australii (grupa Warrawoona).
Skały węglanowe złożone z cienkich lamin CaCO3 wytrąconego z wody morskiej
jako efekt uboczny życia sinic.
Występują od archaiku do dziś (szczególnie liczne były w proterozoiku). Występują w postaci
warstw, izolowanych lub połączonych ze sobą kopułowatych form wzrostowych oraz form
poligonalnych o laminach ugiętych miseczkowato. Ich populacja gwałtownie spadła 500-700
mln lat temu.
Original caption: Close-up of PreCambrian stromatolites in
Siyeh Formation, Going to the Sun Highway. Glacier National Park.
Stromatolites growing in Hamelin Pool Marine Nature Reserve, Shark Bay in Western Australia.
?
Chemia nieorganiczna
biologia
Friedrich Wöhler (1800-1882) chemik
1828 - jako pierwszy otrzymał związek organiczny mocznik z substancji nieorganicznej,
(synteza Wöhler’a), wykazał możliwość powstawania związków organicznych bez
udziału tzw. siły życiowej (powstaje w nerkach), dał początek chemii organicznej
1850 – Adolf Stecker, synteza aminokwasów z aldehydów lub ketonów
1861 - Aleksander Mchajłowicz Butlerov, formaldehyd (CH2O),
pokazał drogę syntezy cukrów z formaldehydu przy udziale NaOH
(formaldehyd obecny we Wszechświecie)
H + CO → HCO
HCO + H → H2CO (szybkość reakcji = 9.2 × 10−3 s−1)
1848 - Louis Pasteur, ogłoszenie wyników badań nad optycznie czynnymi izomerami
kwasu winowego. (grzyby tylko jeden izomer przyswajały)
Enancjomorfy to pary chiralnych obiektów geometrycznych, które są swoimi
odbiciami lustrzanymi.
Cząsteczki chiralne występują w formie dwóch izomerów optycznych i wykazują aktywność
optyczną. Jest to zdolność do skręcania o pewien kąt płaszczyzny światła
spolaryzowanego liniowo lub pochłaniają silniej jedną ze składowych kołowych (CD).
Część cząsteczek występuje w przyrodzie w postaci homochiralnej:
np. aminokwasy zawsze w konfiguracji L, a cukry D
Wiele związków wykazuje diametralnie różną aktywność biologiczną w zależności
od tego, którym w parze jest enancjomerem. Na przykład, (+)-glukoza jest w pełni
przyswajalna przez organizm, zaś (-)-glukoza nie jest w ogóle przyswajalna (mimo,
że w smaku jest słodka) i dlatego można ją spożywać bez obaw, że się przytyje.
O
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
OH
(+)-glukoza
OH
OH
OH
(-)-glukoza
„Brak spontaniczności, gdyż chemia jest w założeniu symetryczna”.
1924 A. .Oparin, biochemik
Życie ewoluowało w trzech etapach:
- ewolucja chemiczna, czyli powstawanie pod wpływem wyładowań elektrycznych
prostych związków organicznych (aminokwasów), z dostępnych w atmosferze
prostych związków nieorganicznych.
- ewolucja molekularna, czyli powstawanie układów nadcząsteczkowych,
np. koacerwatów
- ewolucja biologiczna, czyli powstawanie pierwszych organizmów zdolnych
do reprodukcji w oparciu o własną informację genetyczną.
1928 B. Haldane, genetyk, twórca genetyki populacyjnej
Jeszcze nie wiedziano, że źródłem węgla może być CO2 !!!
H2O na Ziemi - 4.3 – 4.2 mld lat temu, pokazały badania izotopowe
w skałach cyrkonu
(Zr1-y,REy) (SiO4)1-x(OH)4x-y
18O
wcześniej szacowano zawartość wody w bazaltowych poduszkach wiek, 38-3.9 mld lat
Komety czy wulkany źródłem wody ???
Świat RNA i nuklidów – możliwa chronologia
Prawdopodobnie istniały formy pre-RNA, które dały początek
funkcji DNA i białek.
Joyce GF (2002) Nature, 418, 214-221
Np. mRNA jest nieodzownym pośrednikiem w odczytaniu kodu DNA i syntezie białek.
Cech TR (2000) Science 289, 878-879
1989 - Cech T i Altman S - Nagroda Nobla z chemii za odkrycie katalitycznej
roli RNA
( pochodzi od mikroorganizmów i niektórych eukariotów)
2009 - Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz i Ada E. Yonath,
Nagroda Nobla z chemii za badania nad strukturą i funkcją rybosomu
Tylko 60 białek wspólnych znaleziono w: - Bakteriach
- Archae (jednokomórkowy mikroorganizm żyjący
w warunkach esktremalnych)
- Eukariotach
a więc prawdopodobnie obecnych w LUCA
Żadne z tych białek nie uczestniczy w replikacji, helizacji i polimeryzacji DNA.
Całą pracę wykonuje RNA.
4.2 – 3.8 mld lat temu ewolucja wybrała:
- ATP (adenozyno trójforforan)
- np. NADPH (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy)
Przykłady ewolucji molekularnej
Wszystkie organizmy na Ziemi
produkują i wykorzystują
w metabolizmie komórkowym ATP.
191 amin.
(analogia w 40%)
196 amin.
Proces sprzężony z tworzeniem
gradientu protonowego
i transferem elektronów
1978 – P.Mitchell chemiosmotyczna teoria
Nagroda Nobla z chemii
Porównanie białka Rieske zawierającego
klaster Fe2S2 (bakterii fotosyntetyzujacej Rhodobacter capsulatus
i z błony mitochondrialnej woła Bos taurus).
proces stereowany światłem
proces wymagający NADPH
Konserwatywna struktura fotosyntetycznego centrum reakcji
Analogiczny skład aminokwasów w 20%
Struktura identyczna dzięki
konserwatywnym aminokwasom
Fotosynteza
beztlenowa
tlenowa
(zw. organiczne, Fe2+, H2)
(pierwsze organizmy – cjanobakterie)
Kiedy zaczęła się fotosynteza tlenowa???
Wraz z pojawieniem się cjanobakterii, 2-1.5 mld lat temu?
Badania tlenków żelaza z pra-oceanów
Ostatnie doniesienia wskazują na obecność tlenu na dnie oceanów już ok. 3.5 mld lat
temu.
W procesie fotosyntezy:
RubisCO – enzym odpowiedizalny za wyłapywanie CO2
(1.8 % 12CO2 więcej niż w atmosferze)
W skałach 0.7% 13CO2 więcej niż w atmosferze
(wzrost efektu izotopowego d13C w skałach do 1.8 % – 2.5 %, świadczy
o istnieniu procesu fotosyntezy)