Energy Sources of Life

Energy Sources of Life
D. Schulze-Makuch, L.N. Irwin: „Life in the Universe“
Präsentation von: Manu Sharma
Energie in terrestrischen Organismen
• Energie wird im Allgemeinen auf zwei Weisen gespeichert
1.
2.
Langfristige Speicherung durch hoch-energetische Moleküle
(z. B. ATP)
„Speicherung“ in Form von Stoffgradienten entlang einer
Membran
Exkurs: Trophie-Arten
 Chemotrophie: Bezeichnet die Gewinnung von Energie aus
chemischen Verbindungen (biotisch und abiotisch)
 Phototrophie: Bezeichnet die Gewinnung von Energie aus
Lichtenergie
 Autotrophie: Aufbau von biotischen Verbindungen durch
Nutzung abiotischer Kohlenstoff-Quellen
 Heterotrophie: Kohlenstoff wird aus biotischen Verbindungen
gezogen
Oxidation-Reduktion
 Weit verbreitete Energiegewinnungsart
 Viele verschiedene Pathways im Laufe der Entwicklung des
Lebens evolviert
 Oxidation: Stoff dient als Elektronendonor, gibt Elektronen
ab
 Reduktion: Stoff dient als Elektronenakzeptor, nimmt
Elektronen auf
 Reduktion und Oxidation prinzipiell gekoppelt
Oxidation von Wasserstoff
 Energieerzeugung durch Protonengradienten
 H2 + ½O2  H2O
 2.5 eV pro Reaktion, entspricht 237,14kJ/mol
 Weit verbreitete Reaktion, verhältnismäßig effizient, hoher
Energielevel
 Pathway selbst wahrscheinlich spät evolviert
Methanogenese
 Oxidation von Wasserstoff mit Reduktion von Kohlendioxid
gekoppelt
 4 H2 + CO2  CH4 + 2 H20
 Benötigt mehr Energieinvestition, aber dafür Produktion von
zwei Molekülen Wasser  daher exergon
 Autotrophes Leben nahe von hydrothermal Vents möglich
Schwefeloxidation
 Meist in Nähe von vulkanischer Aktivität
 Weite Oxidationsvielfalt, daher vielseitig einsetzbar, generell
bei Mikroben auffindbar
 Praktiziert von Thiobacillus thiooxidans
 S° + 6Fe(III) + 4H2OHSO4- + 6Fe(II) + 7H+
 Hohe Energiebilanz, vergleichbar mit Oxidation von
Wasserstoff
Eisenoxidation/-reduktion
 H2 + 2Fe(III)  2H+ + 2Fe(II)
 Praktiziert von Pseudomonas sp.
 Fe(II) + ¼ O2 + H+  Fe(III) + ½ H2O
 Geringer Energiegewinn pro Eisen, praktiziert von
Thiobacillus ferrooxidans
 Eisenzyklus kann Grundlage für Ökosystem in eisbedeckten
Systemen sein (z. B. Europa)
Photosynthese
 Ermöglicht Energiegewinnung durch Lichtenergie
 Lichtenergie in großen Mengen vorhanden  großer Vorteil für
Produzentenklasse
 Lichtabsorption erfolgt über verschiedene Pigmente, sind an
bestimmte Spektren angepasst
 Energiegewinn mit Chemo-Heterotrophie vergleichbar
(190kJ/mol)
 Aufgezählte Energiegewinnungsarten teilweise bis sehr
effizient  ineffiziente Arten wurden möglicherweise
ausselektioniert
 Auf anderen Planeten vielleicht schlechtere Bedingungen,
daher Möglichkeit alternativer Energiegewinnungsarten
gegeben
Elektromagnetische Wellen
 Photosynthese nutzt Wellen im sichtbaren Bereich
 Auch Energiesynthese mit höher- oder niederenergetischen
Wellen möglich?
 UV-Strahlung verursacht Schäden und Umbauten in
bekannter Biochemie  daher unwahrscheinlich
Infrastrahlung
 Prinzipiell möglich, aber mehr Strahlung für selbes
Energieniveau wie PS nötig
 Infrarotstrahlung jedoch häufig vorhanden  praktisch jeder
Körper über 0°K strahlt IF-Strahlung
 Grüne Schwefelbakterien bei hydrothermal vents gefunden
 zu tief für Photosynthese, Energie durch IF?
Wärmeenergie 1
 Möglichkeit vor allem bei hydrothermal vents
 Bei Temperaturgradienten zwischen Vakuole und Zellplasma
 Konformationsänderung von Metaboliten
 Theoretische Effizienz hoch  praktisch jedoch fragwürdig:
 Wärmeenergie schwer auffangbar, daher wären sehr spezielle
Systeme notwendig
Wärmeenergie 2




Zufuhr von Wärme (von vents)
Mobilität von Membranmolekülen erhöht  Änderung im
Membranpotential
Änderung im Membranpotential kann für
Energiegewinnung genutzt werden
Potentialänderung nicht bewiesen, bei Monolayers wäre
Änderung möglich
Methoden bei Wärmeenergie
4 verschiedene Zelltypen entworfen
1. Bewegliche Zelle, nimmt warmes Wasser in Bodennähe auf
und schwebt hoch in kaltes Wasser  nutzt dort
Gradienten
2. Sessil, filamentös, Zelle nimmt in Bodennähe warmes
Wasser auf, Vakuole schwebt in Zelle nach oben und
erkaltet, während Zelle Energie gewinnt

Methoden bei Wärmeenergie
3.
Sessil, lebt von Wasserstrom, kaltes Wasser wird eingesaugt
und in Bodennähe erwärmt  strömt dann wieder aus

4.
Mögliche Vorform von Filterorganismen
Sessil, aufgrund von Hitzeänderungen variierende
Strömungsmuster, bewegliches Ende ständigen
Wärmegradienten ausgesetzt  Energiegewinnung
Kinetische Energie
 Bei Strömungen im Wasser
 Sessiler Organismus mit Haarcilien, Biegung in Strömung
führt zur Öffnung von Na+-Kanälen
 Einstrom von Na+ führt zu Energiegewinnung, direkt oder
mit H+ kombiniert
 Na+ müsste mit Exocytose wieder ausgeschieden werden
Osmose/Ionische Gradienten 1
 Osmosegradienten würden zum Wassereinstrom führen
 Wassereinstrom (Osmotischer Druck) erzeugt so Energie
 Durch Wassereinstrom  Konformationsänderung in
energetischen Molekülen
 In hypertonischen Arealen könnte Wasser wieder
ausgeschieden werden
Osmose/Ionische Gradienten 2
 Sowohl Wasserein- wie auch –ausstrom kann Energie
erzeugen
 Effektdämpfung durch Ausscheidung von bspw. Na-Ionen
(erleichtert durch erhöhten Zelldruck)
 Auch ionische Gradienten könnten genutzt werden (z. B. H+)
Magnetfeld 1
 Erde besitzt verhältnismäßig schwaches Magnetfeld 
theoretischer Energiegewinn wäre gering
 Bei Planeten mit starkem Magnetfeld  Energiegewinn
theoretisch möglich
 Ionen im Zellplasma gelöst Bewegung normal zu den
Feldlinien des Feldes resultiert in Spannung,
Energiegewinnung möglich
Magnetfeld 2
 Möglichkeit von Transport von Protonen in eine Zellorganelle
bei Spannungsaufbau, bei Abbau Ausstrom von Protonen
 Auch Trennung von Proton und Elektron zu beiden Enden der
Zelle möglich
 Energiegewinnung könnte optimiert werden durch längere
Zellen
 Induktion zwar mögich, aber Energiegewinn wäre zu gering
Gravitation
 Methoden zur Gewinnung wären kompliziert, während
Energiegewinn gering wäre
 Direkter Gewinn von Energie durch Gravitation daher
unwahrscheinlich
 Indirekte Effekte könnten jedoch Leben bedingt ermöglichen
(bspw. durch vulkanische Aktivität)
Tektonischer Stress
 Meteoriteneinschläge führen Energie zu
 Einschlagsenergie selbst wird schwierig nutzbar,
geschmolzenes Gestein jedoch persistenter
 Tektonische Bewegungen könnten piezoelektrischen Strom
erzeugen  Energiegewinn wäre jedoch sehr gering
Druck
 Druckgradienten könnte nur schwer nutzbar gemacht
werden
 Winde würden Organismus in Atmosphäre ständig verwehen
 Im Planeteninneren hoher konstanter Druck, aber keine
Gradienten im mikrobioellen Bereich
 Bei Vents möglich, aber große Fluktuationen
Energiegewinn durch Spin 1
 H2 besitzt zwei unterschiedliche Konformationen:
1.
2.
Orthohydrogen: beide Protonen-Spins sind parallel
Parahydrodogen: Protonen-Spins sind antiparallel
 Bei hohen Temperaturen mehr O-Wasserstoff, aber bei 20K
Equilibrium zu mehr als 98% P-Wasserstoff
Energiegewinn durch Spin 2
 O-Wasserstoff stabiler und höher energetisch
 Kollidieren zwei O-Wasserstoffmoleküle  P-
Wasserstoffmoleküle entstehen und Energie wird frei
 Vor allem bei dunklen und kalten Planeten
Radioaktivität
 Energiegewinn unwahrscheinlich, hoch energetische
Strahlung würde Biochemie stark beschädigen
 Methode wäre unsicher und schwer zu kontrollieren
 Auf der Erde existieren Organismen, die Schäden bis zu
einem gewissen Grad reparieren (bspw. Deinococcus
radiodurans)
Quellen
 D. Schulze-Makuch, L.N. Irwin: „Life in the Universe, Advances
in Astrobiology and Biogeophysics“, Springer-Verlag Berlin
Heidelberg 2008