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Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin
Leben – Habitabilität
Gerda Horneck
DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin
Köln, Germany
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Folie 2 > >Horneck
Was ist Leben?
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Folie 3 > >Horneck
Was ist Leben?
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Folie 4 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 5 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 6 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Die Photosynthese
Verwendung von Licht als Energiequelle für den Aufbau der Biomasse
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Folie 7 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Die Photosynthese
Oxygene Photosynthese: CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
CO2 O2
Biomasse
Sonnenlicht
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Folie 8 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Die Photosynthese
Oxygene Photosynthese: CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
In den Chloroplasten der Pflanzen
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Folie 9 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Netto-Reaktionsgleichung für die oxygene Photosynthese:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Die Photosynthese
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Folie 10 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Die Photosynthese
Photosynthetisches Wirkungsspektrum
/nm
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Folie 11 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Die Photosynthese
Verteilung und Menge an Chlorophyll in der Biosphäre (2002)
In Biomasse gebundener Kohlenstoff: 80 1012 kg pro Jahr
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Folie 12 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Die Photosynthese
In der Atmosphäre vorhandenes CO2: 3.0 1015 kg
In Biomasse gebundener Kohlenstoff: 80 1012 kg pro Jahr
0.0387 vol. % in der Atmosphäre
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Folie 13 > >Horneck
Synthese der Bestandteile aus dem Material der Umgebung
Weitere Biosynthese-Mechanismen
Anoxygene Photosynthese
bei Bakterien:
• H2S oder H2 als Elektronen-Donator
Chemosynthese bei Bakterien and Archaeen
• Verwendung einer chemischen Energiequelle
zum Aufbau der Biomasse (z. B. H2, S, Fe2+)
Schwefelbakterien
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Folie 14 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 15 > >Horneck
Umwandlung der Energie aus der Umgebung in Arbeit
Stoffwechsel:
Photosynthese Calvin-Zyklus
Pentosephosphat-Zyklus
Citrat-Zyklus Atmungskette
Proteinbiosynthese
Photosynthese Licht
Proteine
Nukleinsäuren
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Folie 16 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 17 > >Horneck
Katalyse der chemischen Reaktionen
Enzyme als Katalysatoren
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Folie 18 > >Horneck
Katalyse der chemischen Reaktionen
Enzyme:
Beispiel Alkohol-dehydrogenase (ADH)
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Folie 19 > >Horneck
Katalyse der chemischen Reaktionen
Enzyme beschleunigen die Reaktionsraten um Größenordnungen
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Folie 20 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 21 > >Horneck
Die langkettigen Nukleinsäuren, vor allem DNA, übernehmen die
Informationsspeicherung und -weitergabe
Kombination von
3 Nukleinsäurebasen bestimmt
den genetischen Code
(genetische Information)
DNA, Träger
genetischer
Information
Nukleinsäurebasen:
Adenin – Thymin
Guanin - Cytosin
Getreue Reproduktion der Information
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Folie 22 > >Horneck
Getreue Reproduktion der Information
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Folie 23 > >Horneck
Getreue Reproduktion der Information
Replikation der DNA mit Hilfe von Enzymen, d.h. autokatalytisch
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Folie 24 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 25 > >Horneck
Die Zelle ist der kleinste Baustein des Lebens und übernimmt
entweder isoliert – bei den Einzellern – alle notwendigen Funktionen
des Lebens, oder im Verbund – im Gewebe – gemäß einer
Aufgabentrennung bestimmte Teilfunktionen
1-2 m
Mikroorganismen
seit >3.8 Milliarden Jahren
10 - 100 m
Eukaryoten (Pflanzen, Tiere)
seit 1.5 Milliarden Jahren
Isolation zur Kontrolle des Stoffaustausches mit Umgebung
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Folie 26 > >Horneck
Isolation zur Kontrolle des Stoffaustausches mit Umgebung
Die Membran trennt die Zelle von der Umgebung und ermöglicht
gleichzetig die Kommunikation und den Stoffaustausch
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Folie 27 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
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Folie 28 > >Horneck
Regulation
Alle Prozesse des Lebens
sind durch die genetische
Information regulatiert:
Informationsweitergabe:
DNA
RNA
Protein
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Folie 29 > >Horneck
Sieben Pfeiler des Lebens: Synthese der Bestandteile aus
dem Material der Umgebung
Umwandlung der Energie aus
der Umgebung in Arbeit
Katalyse der chemischen
Reaktionen
getreue Reproduktion der
Information
Isolation zur Kontrolle des
Stoffaustausches mit der
Umgebung
Regulation
Vermehrung
Was ist Leben?
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)
![Page 30: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/30.jpg)
Folie 30 > >Horneck
Vermehrung
Exponentielles
Wachstum durch
ZellteilungWuchskurve
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Folie 31 > >Horneck
Vermehrung
Vermehrung des
Wasserflohs in
Abhängigkeit von
der Nahrung
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Folie 32 > >Horneck
Veränderungen des Genotyps erfolgen konstant und zufallsgebunden:
die Geschichte des Lebens wird bis zum universellen Vorfahren zurückverfolgt
16S ribosomale RNA
Evolution: Die molekularbiologische Uhr
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Folie 33 > >Horneck
Evolution:: Die molekularbiologische Uhr
Phylogenetischer
Stammbaum
Horizontaler
Gentransfer
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Folie 34 > >Horneck
Evolution: Die fossile Uhr
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Folie 35 > >Horneck
„Leben ist ein chemisches System
das zur Weitergabe seiner
molekularen Information und
zur Evolution befähigt ist.“
André Brack
(geboren 1938)
Ehrenpräsident von EANA
Leben als autokalytisches System
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Folie 36 > >Horneck
Evolutionstheorie
Charles Darwin, 1809 -1882 „Der Ursprung de Arten
durch natürliche Selektion“
1859
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Folie 37 > >Horneck
„Leben stellt einen dynamischen
Ordnungszustand der Materie dar;
Selbstreproduktion, Mutation und
Metabolismus sind die notwendigen
Voraussetzungen für die natürliche
Selektion.“Manfred Eigen
(geboren 1927)
Nobel-Preis in Chemie (1967)
Leben als thermodynamisches System
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Folie 38 > >Horneck
Leben als thermodynamisches System
Erwin Schrödinger
(1887-1961)
Nobel-Preis in Physik (1933)
„Was ist das Kennzeichen des Lebens?“
„Wann sagt man von einem Stück Materie,
es lebe?“
„Wenn es fortwährend etwas tut,
sich bewegt,
mit der Umwelt Stoffliches austauscht,
dass es „in Bewegung“ bleibt. …..
Einführung des Begriffes der Entropie:
„Leben ist etwas, das negative Entropie
aufnimmt und speichert. Es hält sich auf
einer hohen Ordnungsstufe (negative
Entropie) indem es fortwährend Ordnung
aus seiner Umwelt „aufsaugt“.
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Folie 39 > >Horneck
Was macht unsere Erde habitabel?
Was sind die Kriterien für Habitabilität?
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Folie 40 > >Horneck
Menschen
Temperatur: 15 to 35°C
CO2: <10hPa
O2: >130 hPa, <300 hPa
pH: ~neutral
Sehr enge Grenzen der
Habitabilität
Kriterien sind abhängig vom Art und Typ
Was sind die Kriterien für Habitabilität?
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Folie 41 > >Horneck
Mikroorganismen
Temperatur: -20 to 113 °C
CO2: <100%
O2: 0 to > 20 %
pH: 0 to 13
Trockenheit
Intensive Strahlung
Sehr weiter Bereich
für Habitabilität
Was sind die Kriterien für Habitabilität?
Kriterien sind abhängig vom Art und Typ
![Page 42: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/42.jpg)
Folie 42 > >Horneck
Geschichte des Lebens auf der Erde
Mikroorganismen• kommen seit den Anfängen des Lebens vor• besiedeln Boden, Luft und Wasser• sind an Extremgebiete angepasst (Vorlesung Dr. Rettberg)
![Page 43: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/43.jpg)
Folie 43 > >Horneck
Grenzen für Wachstum und Vermehrung
• Temperatur: -20°C to +113°C
• Wasser-Stress: aw 0.7
• Salzgehalt: Salz Konzentration 30 %, auch
Salzkirstalle
• pH: pH = 1-11
• Nährstoffe: Viele verschiedene Nährstoffe
möglich
Autotrophes Wachstum
Toleranz für lange Hungerzeiten
• Sauerstoff: Aerobier/Anaerobier
• Strahlung: Hohe Srahlenresistenz (<60 Gy/h)
Grenzen der Habitabilität für Mikroorganismen
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Folie 44 > >Horneck
Die Bakterienspore als Überlebenskünstler
Grenzen der Habitabilität für Mikroorganismen
![Page 45: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/45.jpg)
Folie 45 > >Horneck
• Temperatur: -263°C to +150°C
• Wasser- stress: 0 aw 1.0
Sporen überleben im Vakuum (10-6 Pa)
• Salzgehalt: Salzkristalle (Endoevaporite)
• pH: pH = 0 - 12.5
• Nährstoffe: nicht nötig, besser ohne
• Sauerstoff: nicht nötig, besser ohne
• Strahlung: Hohe Strahlenresistenz (<5 kGy)
• Zeit: 25 - 40 x 106 a
Grenzen fürs Überleben
Grenzen der Habitabilität für Mikroorganismen
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Folie 46 > >Horneck
Co-Evolution des Lebens mit seiner planetaren Umwelt
![Page 47: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/47.jpg)
Folie 47 > >Horneck
Der Anstieg des Sauerstoffs in der Atmosphäre
mit der Erfindung der
Photosynthese
vor mehr als
3 Milliarden Jahren
Sauerstoff war für die
damaligen Anaerobier
ein Umweltgift!
![Page 48: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/48.jpg)
Folie 48 > >Horneck
Der Anstieg des Sauerstoffs in der Atmosphäre
![Page 49: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/49.jpg)
Folie 49 > >Horneck
Der Anstieg des Sauerstoffs in der Atmosphäre
Ermöglichte das
Auftreten komplexer
Lebewesen
![Page 50: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/50.jpg)
Folie 50 > >Horneck
Photosynthese
Atmosphärischer O2
Ozonschicht
UV Strahlenklima
Leben breitet sich über
Kontinente aus
Der Anstieg des Sauerstoffs in der Atmosphäre
Leben gestaltet
seine Umgebung
![Page 51: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/51.jpg)
Folie 51 > >Horneck
Strahlungsklima auf der Erde
![Page 52: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/52.jpg)
Folie 52 > >Horneck
UV-Strahlenklima auf der Erde: die Ozonschicht
![Page 53: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/53.jpg)
Folie 53 > >Horneck
UV-Strahlenklima auf der Erde: die Ozonschicht
![Page 54: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/54.jpg)
Folie 54 > >Horneck
UV-Strahlenklima auf der Erde
Absorption durch O3
![Page 55: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/55.jpg)
Folie 55 > >Horneck
Strahlungsbedingungen im Erdorbit
![Page 56: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/56.jpg)
Folie 56 > >Horneck
DLR-Biofilm
als biologisches UV Dosimeter
während der Spacelab D2 Mission
In wieweit schützt die Ozonschicht vor der Ultraviolett-Strahlung der Sonne?
Der Weltraum als Zeitmaschine
![Page 57: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/57.jpg)
Folie 57 > >Horneck
Biologische Dosimetrie der solaren UV-Strahlung
DLR-Biofilm
• Bakteriensporen in dünner
Schicht als biologisches
UV-Dosimeter
• Nach der Exposition Bebrütung
und Anfärbung der gekeimten
Sporen
• Misst die Schädigung der DNA
Kalibrierfelder Messfelder
![Page 58: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/58.jpg)
Folie 58 > >Horneck
Der Weltraum als Zeitmaschine
Die Ultraviolett-Strahlung der Sonne außerhalb der Ozonschicht ist
1000 mal schädlicher als auf der Erde:
Ohne Ozonschicht ist unsere Biosphäre nicht möglich
![Page 59: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/59.jpg)
Folie 59 > >Horneck
Cockell & Horneck,
Photochem. Photobiol. 73, 447 (2001)
Die Evolution des UV-Strahlenklimas
Spacelab
D2 Daten
Cockell, J. Theor. Biol 193, 717 (1998)
![Page 60: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/60.jpg)
Folie 60 > >Horneck
„Die Erde ist bis jetzt die einzige uns bekannte Welt, die Leben beherbergt”
Carl Sagan, Pale Blue Dot, 1994
![Page 61: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/61.jpg)
Folie 61 > >Horneck
Suche nach Spuren von Leben in unserem Sonnensystem
Venus
Express
3 Orbiter:
Mars Express,
Odyssey, MRO
2 Rover, Phoenix
Cassini-
Huygens
Rosetta &
Lander
![Page 62: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/62.jpg)
Folie 62 > >Horneck
Die Suche nach extraterrestrischem
Leben beginnt mit der Suche nach
habitablen Planeten und Monden
Suche nach extraterrestrischem Leben
![Page 63: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/63.jpg)
Folie 63 > >Horneck
Was sind die Voraussetzungen für Habitabilität?
• No.1: Biogene Elemente
• No.2: Geeignete Energiequellen
• No.3: Temperaturbereich
für flüssiges Wasser
![Page 64: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/64.jpg)
Folie 64 > >Horneck
Alle Biomoleküle basieren auf Kohlenstoff als zentralem Atom.
Beim Aufbau der Biomoleküle in den Zellen kommt dem
Kohlenstoff eine Schlüsselrolle zu, und zwar vor allem wegen seiner
Fähigkeit, lange Ketten-Moleküle zu bilden.
Lipide bilden
die Membran
Eiweiße bilden
die Enzyme
Was sind die Voraussetzungen für Habitabilität?
No.1: Biogene Elemente
![Page 65: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/65.jpg)
Folie 65 > >Horneck
Element Universum
%
Mikro
org %
Pflanzen
%
Tiere
%
H
He
B
C
N
O
P
S
Na
Mg
87
12
.
0.03
0.008
0.06
0.00003
0.002
0.0001
0.0003
9.9
.
.
12.1
3.0
73.7
0.6
0.3
.
.
16/8.7
.
.|0.002
21/11
./0.8|2
59/78
0.7|0.2
0.02/0.1
0.01
0.04|0.2
9.3
.
.
19.4
5.1
62.8
0.6
0.6
.
.
Anreicherung der biogenen Elemente in unserer Biosphäre
Was sind die Voraussetzungen für Habitabilität?
No.1: Biogene Elemente: CHONSP + Spurenelemente
![Page 66: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/66.jpg)
Folie 66 > >Horneck
No.2: Geeignete Energiequellen: Licht oder chemisch
Photoautotrophe
Organismen nutzen
das Sonnenlicht
Chemolithoautotrophe
Mikroorganismen
nutzen chemische
Energie
Heterotrophe
Organismen ernähren
sich von organischem
Material
Was sind die Voraussetzungen für Habitabilität?
![Page 67: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/67.jpg)
Folie 67 > >Horneck
No.3: Temperaturbereich für flüssiges Wasser
Wasser ist
• Diffusionsmittel
• Selektives Lösungsmittel
(hydrophile and hydrophobe
Gruppen)
• Reaktionspartner
• Strukturgeber der Biopolymere
• Wärmeleiter
• Lehmproduzent (für präbiotische
Chemie)
Was sind die Voraussetzungen für Habitabilität?
![Page 68: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/68.jpg)
Folie 68 > >Horneck
Kohlenstoffchemie Energiequelle Wasser
3 Voraussetzungen für Habitabilität
![Page 69: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/69.jpg)
Folie 69 > >Horneck
Habitable Zone als Funktion des Abstands vom Stern
Flüssiges Wasser auf der Oberfläche des Planeten
![Page 70: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/70.jpg)
Folie 70 > >Horneck
Habitable Zone als Funktion des Abstands vom Stern
Flüssiges Wasser auf der Oberfläche eines Erd-ähnlichen
Planeten im Abstand von 2 AU in Abhängigkeit vom Alter
des Sternensystems (τH= Phase des H-Brennens)
Franck, 2002)
![Page 71: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/71.jpg)
Folie 71 > >Horneck
ESA„s Mission zur Venus: VenusExpress
Start: 9. November 2005
Ankunft im Venus Orbit: April 2006
Temperatur: 464 °C
Druck: 92 bar
Atmosphäre: 96,5 % CO2
Wolken aus H2SO4
Ist oder war Venus habitabel?
![Page 72: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/72.jpg)
Folie 72 > >Horneck
Ist oder war Venus habitabel?
Oberflächentemperatur: 464 °C
kein flüssiges Wasser an der Oberfläche.
Und in den Wolken?
![Page 73: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/73.jpg)
Folie 73 > >Horneck
Ist oder war Venus habitabel?
Anaerobe acidophile Schwefelsäurebakterien in den
Schwefelsäuretropfen der Wolken?
Unwahrscheinlich !
![Page 74: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/74.jpg)
Folie 74 > >Horneck
Unsere Erde und Habitabilität
Bewohnt seit > 3,5 Milliarden Jahren
Das Leben hat seine Umwelt gestaltet
![Page 75: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/75.jpg)
Folie 75 > >Horneck
Mars war einst wärmer und feucht
?
vor mehr als > 3.8 Ga 20. Mai 2003
Ist oder war Mars habitabel?
![Page 76: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/76.jpg)
Folie 76 > >Horneck
Noachian
bis vor 3.8 Ga
Hesperian
bis vor 1.8 GaAmazonian
bis heute
Ist oder war Mars habitabel?
![Page 77: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/77.jpg)
Folie 77 > >Horneck
Postulierte Mars-Biosphäre
• Leben entstand ähnlich wie
auf der frühen Erde
• vielfältige Mikrobenwelt
Epoche 1 : Noachian
bis vor 3.8 Ga
warm und feucht mit
Flüssen und evt.
flachen Ozeanen
McKay and Davis, 1991
100 km
Mars Express mission (2003-
)
Ist oder war Mars habitabel?
![Page 78: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/78.jpg)
Folie 78 > >Horneck
Postulierte Mars-Biosphäre
• Plankton unter dem Eis
• benthische Mikroben am Boden
eisbedeckter Seen
• im Permafrost
• Ausweitung der Artenvielfalt
Lake
Vanda
Antarktis
Terrestrische Beispiele
Epoche 2: Frühes Hesperian
vor 3.8 - 3.1 Ga
die Eiszeit beginnt;
flüssiges Wasser nur
noch sporadisch
Ist oder war Mars habitabel?
![Page 79: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/79.jpg)
Folie 79 > >Horneck
Sandstein
Antarctica
Terrestrische Beispiele
Postulierte Mars-Biosphäre
• Rückzug in „Oasen“
• endolithisch
• endoevaporitisch
• unterirdische
„Steinfresser“
Epoch 3 : Spätes Hesperian
bis vor 1,8 Milliarden Jahren,
flüssiges Wasser nur noch
• in porösem Gestein und
• in größeren Tiefen
Evaporit
Baja
California
Ist oder war Mars habitabel?
![Page 80: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/80.jpg)
Folie 80 > >HorneckMars von
Pathfinder
Epoche 4: Amazonian
seit 1,8 Ga
hohe Strahlung: UV & kosmische
Luftdruck: Tripelpunkt des Wassers,
flüssiges Wasser nur im Untergrund
Postulierte Mars-Biosphäre
entweder ausgestorben oder in
unterirdischen „Oasen“:
• unterirdische
Mikrobengesellschaften
• im Permafrost
• in unterirdischen
hydrothermalen
Quellen?
Ist oder war Mars habitabel?
![Page 81: Leben Habitabilität - DLR · Ringvorlesung „Planetologie im Überblick, WS 2009/2010, TU Berlin Leben –Habitabilität Gerda Horneck DLR, Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022041912/5e67c0bdbb71cd001e22ec29/html5/thumbnails/81.jpg)
Folie 81 > >Horneck
Spore von
Bacillus subtilis
Episodische Wasserausbrüche
während der gesamten
Marsgeschichte
Postulierte Mars-Biosphäre
Dauerformen als
“Überlebenskünstler”
• Bakteriensporen
Ist oder war Mars habitabel?
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Folie 82 > >Horneck
ESA‟s AURORA Programm
ExoMars MSRBemannte
Mission
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Folie 83 > >Horneck
ASI (Italy),
BNSC (United Kingdom),
CNES (France),
CNSA (China),
CSA (Canada),
CSIRO (Australia),
DLR (Germany),
ESA (European Space Agency),
ISRO (India),
JAXA (Japan),
KARI (Republic of Korea),
NASA (United States of America),
NSAU (Ukraine),
Roscosmos (Russia).
Koordinierte Aktion von 14
Raumfahrt-Nationen
Global Exploration Strategy
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Folie 84 > >Horneck
Habitabilität bei Vorkommen von flüssigem Wasser
Jupiter„s Mond
Europa
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Folie 85 > >Horneck
Habitabilität bei Vorkommen von flüssigem Wasser
Jupiter`s Mond Europa
Lammer et al. 2009
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Saturn`s Mond Enceladus
H2O, N2, CO2, CH4
Habitabilität bei Vorkommen von flüssigem Wasser
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Folie 87 > >Horneck
Vorstufen des Lebens auf Saturn„s Mond Titan ?
• Steine aus Wasser-Eis und Methan
• Ozeane und Flüsse aus Methan
und Äthan
• Komplexe organische
Verbindungen
• Modell der frühen Erde, bevor das
Leben entstand ?
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Folie 88 > >Horneck
Habitable Zone
um das galaktische
ZentrumHabitable Zone
um unsere Sonne
Habitabile Zone in unserer Galaxie
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Folie 89 > >Horneck
Auf der Basis stellarer and geophysikalischer
Eigenschaften
Erweiterte Definition von Habitabilität
Lammer et al. 2009
Kategorie 1: Erdähnliche Himmelskörper (Komplexes mehrzelliges
Leben möglich)
Kategorie 2: Venus- oder Marsähnliche Himmelskörper (einfaches
zelluläres Leben temporär möglich)
Kategorie 3: Himmelskörper mit unterirdischen Ozeanen
(Hydrosphäre) im Kontakt mit der Lithosphäre
Kategorie 4: Himmelskörper mit unterirdischen Ozeanen zwischen
Eisschichten
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Folie 90 > >Horneck
Leben und Habitabilität: Astrobiologie
“The exploration of space has
• widened the horizon of the physical world: the concepts of mass and energy are valid throughout the universe
• lead to generalization of chemistry: the spectra of the stars testify the universality of the concepts in chemistry
• has the potential to inspire biology: to build the foundations for the construction and testing of meaningful axioms to support a theory of life”
Zu einer universellen Definition von Leben
Joshua Lederberg,
1925-2008
Nobelpreis für Medizin 1959
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Folie 91 > >Horneck
Leben, ein kosmischer Imperativ
“ Leben entsteht zu einem gewissen Stadium der kosmischen oder Planetenevolution, wenn die rechten physikalischen und chemischen Voraussetzungen gegeben sind“
Christian De Duve, 1994
Christian De Duve
(geboren 1917)
Nobel-Preis für Physiologie und
Medizin (1974)