Biosphere meets Geosphere

meets
Geobiologie präkambrischer Lebensformen
Joachim Reitner
Göttingen
JR 2013
Der Anfang – kosmische Katastrophen - Supernovae
SN1987A Supernova vom Typ II
23.2.1987, Großen Magellanschen Wolke
165.000 Lichtjahre
haegar.fh-swf.de
NASA
Die extrem stark erhitzten Gasschichten, die neutronenreiches Material aus den äußeren Bereichen des
Zentralgebiets, erbrüten im so genannten r-Prozess (r : „schnell“) schwere Elemente jenseits des Eisens, z.B.
Kupfer, Germanium, Silber, Gold oder Uran. Etwa die Hälfte der auf Planeten vorhandenen Elemente jenseits
des Eisens stammen aus solchen Supernova-Explosionen, während die andere Hälfte im s-Prozess von
masseärmeren Sternen erbrütet und in deren Riesenphase ins Weltall abgegeben wurde
JR 2013
Der Anfang – Kohlenstoff - C
Roter Riese Beteigeuze (Orion)
Hubble/Nasa
Roter Riesen, haben fast allen Wasserstoff verbraucht und das „Heliumbrennen“
begonnen. Ein solcher Stern rußt: Kohlenstoff wird in ihm gebildet, und durch den
Sternenwind freigesetzt.
JR 2013
Der Anfang – Organische Moleküle im Weltraum
140 org-chem Verbindungen!
Ehrenfreund P. & Menten, K. (2000)
JR 2013
Sagittarius B2 : Die Heimat der großen Moleküle
26000 Lichtjahre, nahe dem galaktischen Zentrum
Large Molecule
Heimat
Glycolaldehyd stellt den elementarsten
Einfachzucker dar !
Zusammen mit Propenal formt es Ribose, einen
essenziellen Bestandteil der RNA.
(Hollis et al 2000, The Astrophysical Journal,
Belloch et al 2008)
Radioteleskop Bild IRAM
Max Planck Institute for Radio
Astronomy (MPIfR)
Belloch et al 2008
In der „Large Molecule Heimat“ Wolke
wurden:
Alkohole, Formaldehyd, Ameisensäure, Essigsäure, Azeton,
Ethylenglykol, Glycolaldehyd und Amnioacetonitril gefunden
Amnioacetoniril ist eine
Vorläuferverbindung von Glyzin!
JR 2013
H2O im Weltraum
NGC 1333 IRAS4B, einem jungen Stern, der sich erst
vor ungefähr 10.000 bis 50.000 Jahren bildete, gibt es
schwere Wassermoleküle (H218O).
Jorgensen & van Dishoek 2010
The Astrophysical Journ 10
MPI Extraterrestrische Physik
Garching
JR 2013
Protoplanetare Scheiben
Orion Nebel
Hubble
Durchmesser Sonnensystem
ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser (ESO)
Die protoplanetaren Scheibe eines Braunen
Zwergs ISO- Oph 102 beinhaltet mm kleine
"Saatkörner" künftiger Gesteinsplaneten
JR 2013
Entstehung der Erde durch Akkretion von kleinen chondritischen Körpern
Murchison Chondrit (CM)
JR 2013
Oort´sche Wolke, Kuiper-Belt, Asteroiden-Belt:
Kometen und Meteoriten-Quelle
Stern, Nature 424, 639-642
JR 2013
Kometen als Quelle organischer Verbindungen
Komet Hyakutake, 23.3.96
esa
JR 2013
Kohlige Chondriten als Quelle organischer Verbindungen:
Aminosäuren mit exotischen Delta-Werten
Murchison - Kohliger Chondrit CM
1969 in Südost-Australien gefallen
Masse ca. 100 kg
Insgesamt 74 Aminosäuren
α-Aminoisobutric acid:
Isovaline:
Glycine:
D-Glutamic acid:
L-Glutamic acid:
D-Alanine:
L-Alanine:
L-Leucine:
D,L-Proline:
D,L-Aspartic acid:
Sarcosine:
δ13C (‰ PDB) δ15N(%atmN2)
+5
+17
+22
+6
+28
+26
+184
+66
+37
+60
+58
+60
+57
+60
+50
+61
+129
Engel et al 1990, Engel & Macko, 1997, JR unpubl. Data
JR 2013
Der Beginn -
Entstehung des Sonnensystems
4,566 ± 0,002
Entstehung der Erde
4,530 ± 0,002 182Hf / 182W
Hadaikum, 4,53-3,9 GY
Kleine et al. - Nature 29.08.2002
„Thaia“
Präbiotische Welt
4,4
Älteste (Ererbte) Zirkone
Akkretion chondritischer
Kleinplaneten
Entstehung des Mondes
durch einen Giga-Impact
vor ca. 4,5 Gy
4,0
Stabile Kontinente
und Ozeane
3,9
GY
„Gaia“
Älteste erhaltene Kruste
Acasta-Gneis (4,03 GY,
Slave Craton, NW-Kanada)
Biosphäre vorhanden
JR 2013
Hadaikum, 4,53-3,9 GY
¾ Hohe Temperaturen
¾ Primordialatmosphäre : Silikatdämpfe und H2
¾ Entgasung: H2S, CO2, H2O
¾ Aus Kometen: H2O, CO2, CO, NH3, N2, Corg, CH4, komplexe organische Verbindungen
(ca. 1 Mio. Kometen = heutige Oberflächenwassermenge)
¾ Differenzierung, Bildung des Erdkerns (nach ca. 30Ma (?), Magnetfeld, Wärme)
¾"Einsammeln" übriggebliebener Materie aus dem Sonnensystem
¾ Meteoriteneinschläge ~ 1000 mal häufiger als heute
¾ Mehrfache Verflüssigung durch Impakte
¾Präbiotische Welt (Thioester-Welt, RNA-Welt)
JR 2013
„Ursuppe“
http://ebmeierjochen.wordpress.com/2010/10/27/ursuppe/
JR 2013
„Ursuppen“-Versuch
Miller & Urey, 1953
Heute wird bestritten, dass die frühe Atmosphäre nur aus CH4, NH3, H2O, und H2 bestanden
hat. CO2, NOx und H2S waren vermutlich ebenfalls wichtige Bestandteile. Unter dieser
Annahme funktioniert der Versuch nicht. Trotzdem ist er richtungsweisend, weil er mögliche
Prozesse in kosmischen Staubwolken plausibel erklärt.
as.utexas.edu
JR 2013
„Ursuppen“-Versuch
Miller & Urey, 1953
Heute wird bestritten, dass die frühe Atmosphäre nur aus CH4, NH3, H2O, und H2 bestanden
hat. CO2, NOx und H2S waren vermutlich ebenfalls wichtige Bestandteile. Unter dieser
Annahme funktioniert der Versuch nicht. Trotzdem ist er richtungsweisend, weil er mögliche
Prozesse in kosmischen Staubwolken plausibel erklärt.
as.utexas.edu
JR 2013
Thioester-Welt (Schwefel-Welt)
de Duve, 1991
Proto-Metabolismus
R=organic group
S=Sulfur
H=Hydrogen
R-SH + R'COOH => R-S-CO-R' + H20
Thiol
HS-reiche Fluide
Carboxylic
acid
Thioester
¾ Energiereiche Thioesterbindungen
¾ Vorstufe für ATP
¾ Katalyse der Makromolekülbildung
¾ Stabilisierung an Mineraloberflächen
www.mbio.ncsu.edu/ AG/AG.html
Thioester spielen eine zentrale Rolle bei der Bildung von energiereichen Phosphaten
Thioester können die spontane Polymerisierung von Aminosäuren zu Peptiden und
einfachen Proteinen begünstigen
In der Thioester-reichen „Ursuppe“ entstand wahrscheinlich aus Cysteamin, b-Alanin und
Pantoic Acid „Pantethein“ ein Vorläufer Molekül von Coenzym A (Keefe et al 1995)
JR 2013
Eisen-Schwefel Welt
Wächtershäuser, 1988; Russel & Hall, 1997, 2006
¾ Katalyse der Makromolekülbildung
¾ Stabilisierung an Mineraloberflächen
¾ Fe-Sulfid-Oberflächen als Template
Erforderliches Milieu:
Reduzierende, alkaline
Hydrothermale
Seeps
Rezentes Beispiel:
„Lost City“-Hydrothermal Feld
Proto-Metabolismus
Protoenzyme
Enzyme mit Metallzentren – z.B Ni in MCR, Hydrogenasen, etc
JR 2013
RNA-Welt
'RNA-Welt‚ Entstehung duplikationsfähiger Strukturen
auf Mineraloberflächen
Information!
Als ein Hinweis auf die Existenz der RNA-Welt werden Ribosomen und die katalytisch aktive
ribosomale RNA angesehen, ebenso kleine tRNA als AS kodierende Moleküle könnten
evolutionäre Überbleibsel dieser Zeit darstellen
JR 2013
Protozellen
Deamer et al. 2002
A. Murchison-CM Extrakt
Lipid-Vesikel (LV)
B. Pyranin, im LV
eingefangener
Fluoreszenz Partikel
A. Künstlicher
Lipid-Vesikel (LV)
(Decanoic A.+ Decanol
(1:1, pH 8)
B. LV mit eingeschlossener
DNS 600 BP, Acridin Org.
JR 2013
Protozellen
JR 2013
Der Beginn – LUCA: Last Universal Common Ancestor
ca. 4 Milliarden Jahre
Heutige Bakterien sind meistens
mesophil (25–40°C), einige sind
thermophil.
Gaucher et al. rekonstruierten Proteine
von ancestralen Bacteria, und fanden
heraus, dass die frühesten Bacteria in
Ozeanen lebten in einem
Temperaturbereich von 65–73 °C.
Viele moderne Archaea sind thermophil.
Unbekannt ist jedoch der
Temperaturbereich in denen sich die
frühesten Archaea entwickelt haben.
Basiered auf Analysen und Modellen zur
frühen RNA wird angenommen das LUCA
meso- oder thermophil war.
16sRNA-Stammbaum
www.palaeos.com/Bacteria/default.htm
JR 2013
Der Beginn – Bacteria & Archaea
Komplexe Zellmembran-Lipide
Polarer hydrophiler
hydrophober Schwanz
Kopf
Bacteria
H
O
O
O
O
C
2
HC
ester
C
C
Fettsäuren
C H
HO
Archaea
C
O
C
HC
O
C
H
HO
2
C H
ether
Isoprenoidalkohole
JR 2013
Bacteria & Archaea
Nature,409
Bacteria:
Membranlipide
Ester gebunden
Archaea:
Membranlipide
Ether gebunden
Das komplexe Leben ist eine
Abkühlungsgeschichte!
JR 2013
50
0
0
0.543
1
0.675
Late
1.05
Riphean
Middle
Middle
1.35
Early
1.65
„Great Oxidation Event“
2.5
3
Archean
Älteste Stromatolite
Filamentöse Mikrofossilien
Milliarden Jahre
3.5
4
3.9
Hadean
4.5
pO2 ≤ 1% P.A.L.
2.5
Vendian
Early
2
0.9
Protetozoic
1.5
Late
0.5
pO2 ≥ 15% P.A.L.
Phanerozoic
Starke Erhöhung des O2
Zeit Skala
Archaikum
Archaikum
Aerobe
Welt
Anaerobe
Welt
Älteste chemische Fossilien
Terminaler
Kataklysmus
JR 2013
Die ältesten Lebensspuren-Biosignaturen
„Chemische Fossilien“
Analyse der stabilen Kohlenstoff Isotope 12C und 13C
(13C/12C)Probe – (13C/12C)Standard
δ13C in ‰: ——————————––––––––––––––– x 1.000
(13C/12C)Standard
ø Rohöl
Biosignaturen der stabilen
Kohlenstoff Isotope
Schidlowski (2000)
JR 2013
Indizien für eine Archaische Biosphäre
(a) δ13C Werte in Sedimentgesteinen (Isua, 3.9 Gy)
(b) Mikrofossilien (3,5 Gy)
(c) Stromatolithe (3,5 Gy)
(d) Biomarker (2,7 Gy)
Dresser Stromatolithe North Pole, W-Australien, 3.5 Gy
JR 2013
Die ältesten LebensspurenBiosignaturen
Isua Supracrustal Belt
SW-Grönland (50ºW, 65°N)
1-3 km mächtige Abfolge
3,7-3,9 Gy
Isua Quarzit
δ13C Graphit = -5.9‰ bis -22.2‰
Schidlowski et al. (1979)
BIF
δ13C Graphit = -23‰ to -34‰
Mojzsis et al. (1996)
Metasedimente
δ13C Graphit = -11.4‰ to -20.2‰
Rosing (1999)
JR 2010
Mikrobiell gesteuerte Methanogenese vor ca. 3,5 GY Pilbara
Craton, Westaustralien!
Methan in sog. Fluid Inclusions
10 5
Microbial
10 4
P Ueno et al., 2006
10 3
Mid-ocean
ridges
P
10 2
10 1
Precambrian shield
Thermogenic
Zambales
ophiolite
Fischer-Tropsch
synthesis
Igneous
rocks
(McCollom & Seewald, 2006)
10
-80
-60
-40
-20
0
δ 13 C CH 4 (‰)
Nature (2006)
JR 2010
Mikrobielle, enzymatisch gesteuerte C Fraktionierung
Inorganic
carbon
0
-10
MCR
-20
-30
methanogenesis
-40
-50
-60
North
Pole
Apex
Chert
Biological
carbon fixation
δ13C -120‰
(Data from Hayes et al., 1983; Ueno et al., 2001, 2004; Brasier et al., 2002; House et al., 2003)
JR 2013
C Isotopen organischer Materie durch die Zeit
Inorga nic ca rbon
-20
Isua
13
δ C ( ‰)
0
-40
-60
AOM!
Anaerobe Oxidation von Methan
500
1500
2500
Apex-Chert
Pilbara Craton
Akilia
Island
3500
Age (M a)
[Data for Greenland & Pilbara: Mozjsis et al., 1996; Ueno et al., 2002, 2004; van Zuilen et al., 2003; Brasier et al., 2002; Rosing, 1999]
JR 2013
Die ältesten Fossilien
3.46 GY hyrothermaler Apex Chert,
Warrawoona Group, Pilbara, Western Australia
Apex-Chert: „Schopf“-Locality
JR
W.Altermann
JR 2013
Die ältesten Fossilien
Schopf´s Mikroben-Fossilien aus dem Apex Chert
Sieht aus wie moderne
Cyanobacterien !
Schopf et al. Nature (2002)
JR 2013
Barberton Greenstone Belt, Tree Group, 3.4 GY
South Africa
Biofilme
Fe-umkrustete Mikrobenzellen
5 µm
2 µm
JR 2013
Leben in archaischen ozeanischen Pillow Lavas
Onverwacht Group, South Africa, ca. 3,47 Gy
Furnes et al. 2004, Science
Glass rim
Ozeanische Tiefe Biosphäre - und die
älteste bekannte Biosphäre, die bis heute
existiert!
JR 2013
Archaische Biomarker-Chemische Fossilien: ab 2,7 Gy! ????
I. Methyl-BHP: Cyanobacteria und anoxygene phototrophe Bakterien
II. Sterane-Cholestane: Eukaryota!
ca. 0,5 Gy früher als der fossile Bericht!
Sterane-Cholestane
geohopane
HO
Rezente Eukaryoten
2-Methyl-Bacteriohopanepolyols
Sedimentgestein
Methyl -BHP
Sterane-cholestane
Summons,et al.
Nature 400
Rashby et al 2007
PNAS
Brocks et al.,
Science 285, 1999
JR 2013
50
0
0
Phanerozoic
1
0.675
Late
1.05
Riphean
Middle
1.35
Early
Stromatolithen
1.65
3
Archean
Älteste Stromatolite
Filamentöse Mikrofossilien
Milliarden Jahre
3.5
4
3.9
Hadean
4.5
Aerobe
Welt
„Great Oxidation Event“
2.5
pO2 ≤ 1% P.A.L.
2.5
Middle
Vendian
Early
2
Protetozoic
1.5
0.9
Stromatolithen
pO2 ≥ 15% P.A.L.
0.543
Late
0.5
Starke Erhöhung des O2
Zeit Skala
Great Oxidation Event
Anaerobe
Welt
Kein O2
Terminaler
Kataklysmus
JR 2013
„Great Oxidation Event“
ca.2,5 GY
Oxygene Photosynthese via Cyanobakterien
seit ca. 2,7 GY!
JR 2013
Great Oxidation Event - GOE
δ13C-Isotopen
DIC
Early Proterozoikum
Start of AOM
aus Melezhik et al. 1999
JR 2013
„Great Oxidation Event“
Kontinentale rote Sedimente
Massensterben
anaerober Organismen!
JR 2013
Great Oxidation Event - GOE
Phylogenetische Innovation: Anaerobe Oxidation von Methan (AOM)
Elektronen-Shuttle:
ANME 8e- SR
?
Archaeon
Bacterium
C-Austausch
ANME2-Archaeon
Greigit-SRB
Reitner et al 2005
Anzestrale „Endosymbiose“
Anzestrale „Endosymbiose“
Sensu von Zillig (1991)
AOM via Euryarchaeota
gekoppelt mit
Sulfatreduktion via δ-Proteobacteria (Greigit-SRB)
AOM via Enzym MCR – reverse Methanogenese
CH4+ SO42- → HCO3- + HS- + H2O
Isotopisch sehr leichtes C!
JR 2013
Great Oxidation Event - GOE
Aerobe Photosynthese und Anaerobe Methanoxidation
führten zu einer drastischen Abnahme des CO2 und Methan
Folge:
Erste große globale Vereisung – Huron Vereisung
vor ca. 2,4 GY!
JR 2013
Great Oxidation Event - GOE
Entstehung der Banded Ironstone
Formations ? BIFs
Häufigkeit der BIFs
BIF-Stromatolith
Michigan, 2,2 Ga
Oxygene Photosynthese
Archaikum
Proterozoikum
Oder:
Anoxygene Photosynthese durch
Fe-oxidierende Grüne- und Purpurbakterien
4Fe2+ + CO2 + 11H2O -> CH2O + 4Fe(OH)3 + 8H+
(Widdel et al., 1993; Ehrenreich and Widdel, 1994; Heising and Schink, 1998; Heising et al., 1999)
JR 2013
Banded Ironstone Formations
Dales-Gorge, W-Australien
Häufigkeit der BIFs
Chert/Hematit
Archaikum
Proterozoikum
Kalk!
JR 2013
50
0
0
Phanerozoic
0.5
2.5
Stromatolithen
1.65
Archean
Älteste Stromatolite
Filamentöse Mikrofossilien
Milliarden Jahre
3.5
4.5
3.9
Hadean
Aerobe
Welt
„Great Oxidation Event“
2.5
3
4
pO2 ≥ 15% P.A.L.
Late
Riphean
Middle
1.35
Early
pO2 ≤ 1% P.A.L.
2
Middle
Vendian
Early
1.5
0.675
Late
1.05
0.9
Protetozoic
1
Stromatolithen
0.543
Starke Erhöhung des O2
Zeit Skala
Proterozoikum- Welt der Stromatolithen
Anaerobe
Welt
Kein O2
Terminaler
Kataklysmus
JR 2013
Die Welt der Stromatolithe
Knoll et al.2008
GOE
Archaikum
anoxisch
Stromatolithen-Welt
Ökologisch stabil!
Paläo-Mesoproterozoikum
Cryogenium
Anoxisch-sulfidischer
oxisch (ab grün)
Ozean
Wichtigste Innovation: Entstehung der eukaryoten Zelle durch Endosymbiose
JR 2013
Die Welt der Stromatolithe
Conophyton-Stromatolith
JR 2013
Stromatolith-Anatomie
Liquid Film Wenige Zellen
Cyanobacteria-Biofilm/Stromatolith
Walker Lake, Nevada
Soda-See
Cyanobakterien
EPS-reiche
BiofilmGemeinschaft
Basis-Film
EPS-reich
Wenige Zellen
Mineralisierter
Basis-Film
mit organischen
Resten
Stromatolitisches
Gefüge
Reitner et al 1999
EPS= Exopolymere Substanzen/Schleime = „saure“ Zucker, Proteine usw.
JR 2013
L. Margulis /Sagan: Endosymbionten Hypothese
Spektrum
JR 2013
Gunflint Chert (1,9 Gy)
Erste fossile Eukaryoten
Eukaryoten-Zelle
5µm
10 µm
20 µm
1 cm
Reitner 2009
Komplexe Biofilme
Bacteria, Cyanobacteria
und Eukarya
25µm
JR 2013
Grypania spiralis, das erste Megafossil
der Erdgeschichte
Grypania spiralis
Gaoyuzhuang Formation 1,5 GY
China
JR 2013
Veränderung des
C-Isotopenverhältnisses durch Erdgeschichte
www.snowball earth.org
JR 2013
Cryogenium
Klimakatastrophen vor
ca. 720-630 Millionen Jahren
Ein Glücksfall für die Entwicklung
vielzelligen Lebens?
„Schneeball-Erde“
Mond Europa
JR 2013
Veränderung des
C-Isotopenverhältnisses durch Erdgeschichte
www.snowball earth.org
JR 2013
C-Isotopenverhältnisse im Zeitraum der
neoproterozischen Vereisungen
www.snowball earth.org
JR 2013
Cap-Carbonate –Klimaparadox!
Fransfontain; Namibia
Reitner 2008
JR 2013
Ediacara-Event
JR 2013
Vendobionta –
Eine Schwestergruppe der Tiere (Metazoa)?
Quilting = „Luftmatratzen“ Pneu - Bauplan
Luftmatratze
Dickinsonia
JR 2013
Dickinsonia
Ediacara Hils, Süd-Australien
JR 2013
Vendobionta, White Sea Coast
Dickinsonia – Mikrobielle anoxische Matten
S-oxidierende
Bakterien?
Pyrit – Sulfatreduzierende Bakterien-SRB
Steiner & Reitner 2001
Elephant-Skin
5mm
JR 2013
Reitner 2008
JR 2013
Environment Rekonstruktion
Vendobionta
After Grazhdankin
JR 2013
2. Ca2+ - reiche „Cold Seeps“
Vendium ~550 my (Namibia)
Biodiversitäts-Hotspots
SiO2+CaCO3-Biomineralisations-Event
Swartkloof-Berg
Pinnacle Mounds
JR 2013
Das Cloudina-Ereignis, 550 MY
Beginn der Biomineralisation
1 cm
Reitner 2008
JR 2013
Namacalathus-Community Zone mit
der höchsten Diversität an verkalkten
Metazoa.
Namacalathus wird als coralliner
Schwamm interpretiert.
(Aporater thalamider Bauplan)
Namacalathus hermanastes
Grotzinger,Watters,Knoll 2000
1cm
JR 2013
„Moderne“ Welt –Kambrische Explosion
Wiese & Reitner 2010
JR 2013
Wichtige geobiologische Events des Präkambriums
0.7
Neoproterozoische “Schnee Ball Erde”
Ereignisse, Beginn der “modernen Welt”
Stromatolithen Climax
“Great Oxidation Event-GOE”
AOM, sulphid-reiche Ozeane (“Canfield-Oc.”)
2.5-2.3
C Isotopen
fossiler Bericht
2.0-1.0
Biomarker (BHP) Cyanobacteria +
anoxygene phototrophe Bakterien
Biomarker Cholestane – frühe Eukaryota
2.7
(Daten sehr umstritten!)
Älteste “mikrobielle Fossilien”,
ozeanische & kont. “Deep Biosphere”
biologische Methanogenese
3.5
3.83
Ursprung
des
Lebens ?
Reitner 2009
13C-abgereichertes
4.0-3.8
“Late heavy bombardment”
Bildung der ersten Ozeane?
~4.4
~4.55
C, SW Grönland
Gy
Ursprung von Erde und Mond
JR 2013
Herzlichen Dank für Geduld und Aufmerksamkeit!
Stromatolith!
Hier etwas zum Nachlesen ……