Evolution, Microbial Life, and the Biosphere PDF

EVOLUTION, MICROBIAL LIFE, AND THE BIOSPHERE Kafli 1 Jóhann Örlygsson EFNI FYRIRLESTURS • • • • • • • Origin of Earth and Life Tracing Biological Evolution Prokaryotic versus Eukaryotic Microorganisms Microbial Evolution and Biogeochemical Cycles Evolution of Eukaryotes Sequence of Major Events d...

EVOLUTION, MICROBIAL LIFE, AND THE BIOSPHERE Kafli 1 Jóhann Örlygsson EFNI FYRIRLESTURS • • • • • • • Origin of Earth and Life Tracing Biological Evolution Prokaryotic versus Eukaryotic Microorganisms Microbial Evolution and Biogeochemical Cycles Evolution of Eukaryotes Sequence of Major Events during Biological Evolution Astrobiology 2 UPPRUNI JARÐARINNAR OG LÍFS • Uppruni alheimsins - stóri hvellur (big bang) fyrir 13 Ga árum síðan (1 Ga = 109 ár) • →Myndun á vetni og helíum • Jörðin og sólkerfið 4.6 Ga ára gamalt og varð til þegar heit stjarna sundraðist og ný varð til (sólin) • Fyrstu 600 milljón árin – stórskotahríð á jörðina • → allt sauð og allt vatn hvarf á jörðinni • Elstu steinar á jörðinni koma frá Grænlandi og eru um 3.8 Ga ára gamlir • Líklegt er að vatn hafi orðið til þetta leiti 3 FOSSIL EVIDENCE • • • • • Erfitt er að sjá einhver lífsform á þeim steingervingum sem eru til frá elstu tímum jarðarinnar en þó má með “góðum vilja” sjá bakteríulík form “Stromatolites” eru steingerfðir “microbial mats” sem í eru lög af þráðlaga bakteríum Elstu stromatolites benda til þess að elstu bakteríur hafi verið þráðlaga ljóstillífandi bakteríur Aðstæður voru loftfirrtar og því hefur verið um fjólubláar og grænar bakteríur að ræða en ekki cyanobakteríur Þetta má sjá með því að bera nútíma setlög við þessi gömlu 4 GEOLOGICAL TIMETABLE ON EARTH 5 ORIGIN OF LIFE ON EARTH • Hvernig myndaðist líf á jörðinni ? Hvaða aðstæður voru til staðar ? • Talið er að þegar líf varð til hafi umhverfið verið mjög afoxað, þ.e. án súrefnis • Vatn verður að vera til staða • Hitastig: 0 – 100°C • Efni sem voru allsráðandi voru: – CH4, CO2, N2, NH3, (CO, H2), H2S, (FeS) – NH3 + CH4 → HCN 6 ORIGIN OF LIFE • Hitastigið var yfir 100 gráður og því ekkert vatn allavega fyrsta milljarðinn (4.6 til 3.6) • Líklega hafa því fyrstu lífverurnar verið hitakærar bakteríur • Ljóst er að til þess að lífverum gætu þróast þarf lífræn efni eins og sykrur, amínósýrur, purin, pyrimidin, núkleotíð og fitusýrur • Stóra spurningin er því þessi – Er hægt að mynda lífræn efni úr frumefnum þeirra? 7 ORIGIN OF LIFE • • • • • Stanley Miller (1953) reyndi fyrstur manna að sanna þetta Síðar kom í ljós að þær aðstæður sem Miller notaði voru ekki alveg réttar, og seinna meir voru notuð s.k. fumarolic gastegundir sem líkjast meira þeim sem koma úr eldgosum (CO2, N2, SO2, H2S) og hægt var að búa til margvíslega lífræn efni með þessari aðferðafræði Deilt er um hvar á jörðinni fyrstu lífverurnar hafi myndast Áður fyrr var talið að þetta hafi gerst í grunnu vatni en í dag er talið líklegra að þetta hafi gerst í verndaðra umhverfi eins og t.d. í neðansjávarhverum eða djúpt í iðrum jarðar Yfirborð með steinefnum hefur skipt máli í þessu samhengi, s.k. “exposed surfaces” 8 ORIGIN OF LIFE • Enn á þó eftir að svara spurningum eins og hvernig fyrsta fruman varð til og hvers eðlis var hún? • Einnig spurningin um hvort í upphafi hafi orðið til ein fruma sem allar aðrar lífverur eru komnar af • Margir vísindamenn telja að lífið eigi uppruna sinn í neðansjávarhverum eða í iðrum jarðar 9 TRACING BIOLOGICAL EVOLUTION • Getum við fylgt eftir þróun – Steingervingar – útdauðar lífverur notaðar – Skyldleikatré – núverandi lífverur notaðar 10 CELL THEORY: A DEFINITION OF LIFE • Fimm hópar örvera • Dreifkjarnungar: – Bakteríur, fornbakteríur, • Heilkjarnungar: – Sveppir, þörungar, frumdýr • Fruma grunneining lífveru • Veirur ? • Fruma: efnaskipti, ensím, fjölgun 11 BYGGING FRUMA • Umfrymi – ríbósóm • DNA • Frumuhimna – Fita og prótein • Frumuveggur (sumar) 12 THE TREE OF LIFE • Ríbósóm: 16S og 18S rRNA • Hafa breyst mjög hægt í þróun • Sama hlutverk (prótein framleiðsla í öllum lífverum) Þrjár megin línur: Bakteríur, fornbakteríur og heilkjarnungar 13 PROKARYOTIC VS. EUCARYOTIC MICROORGANISMS • • • • • Stærð Kjarni Litningar Plasmíð Frumulíffæri 14 MEGINMUNURINN Á LÍNUNUM ÞREMUR 15 OTHER MORPHOLOGICAL DIFFERENCES • • • • Ríbósóm stærð Hvatberar Grænukorn Svipur mismunandi – 9+2 16 REPRODUCTIVE DIFFERENCES • Dreifkjarnungar – kynlaus skipting – Eru einlitna • Heilkjarnungar – – Tvílitna – Par af öllum litningum 17 CELL SIZE AND SURFACE AREA • Flestir heilkjarnungar eru stærri • Hlutfall yfirborðs við rúmmál er því allt öðruvísi 18 MICROBIAL NUTRITION • Photosynthetic – Orka úr ljósi – Ef þær binda CO2 → autotrophs – Ljóstillífandi + CO2 = photoautotrops • Chemotrophs – Orka úr efnum = chemoheterotrophs – Lífræn efni = Organotrophs 19 20 MICROBIAL EVOLUTION AND BIOGEOCHEMICAL CYCLES • Ekkert búið að sanna hvaða efnaskipti voru í upphafi lífs • Margir vísindamenn telja að fyrstu lífverurnar hafi verið háhitakærar bakteríur – sem komu upp í hverum eða í iðrum jarðar • Í líftrénu eru fyrstu greinarnar hitakærar bakteríur og fornbakteríur • Rússinn Oparin telur að einfaldar gerjandi bakteríur hafi verið fyrstar – Frumbjarga lífverur þurfa bæði að búa til orku og binda CO2 → flóknari • Aðrir segja að vetnisbakteríur hafi verið líklegar 21 MICROBIAL EVOLUTION AND BIOGEOCHEMICAL CYCLES • Talið er að ljóstillífandi örverur hafi þó þróast “fljótlega” – Svipar til Proteobacteria og Chlorobi • Líklega loftfirrt ljóstillífun og gátu notað vetnissúlfíð eða S til að binda CO2 • Síðar er talið að cyanobakteríur hafi komið fram – Súrefni myndast í þeirra efnaskiptum • Komu fram fyrir 2.5 – 3.0 Ga síðan og smám saman myndaðist súrefni í andrúmslofti 22 MICROBIAL EVOLUTION AND BIOGEOCHEMICAL CYCLES • Uppruni heilkjarnunga – líklega með samruna upphafsfrumu við fornbakteríur eða bakteríur • Carl Woese – tilgáta um að upp hafi komið lífform sem hann kallaði “progenote”, væri með frumuhimnu og gæti haft erfðaefni innan hennar • Einangrun slíkra fyrirbæra gæti síðan útskýrt að tvær meginlínur þróuðust 23 EVOLUTION OF EUCARYOTES • Talið er að fyrstu heilkjarna lífverurnar hafi þróast fyrir um 2.45 Ga árum síðan • Samlífiskenningin 24 SAMLÍFISKENNINGIN - PROVE • Uppruni hvatbera er frá bakteríum: – DNA ekki bundið himnum – 70S ríbósóm – Stærð og bygging svipar til gram neikvæðra baktería án frumuveggjar – 16s rRNA →Proteobacteria • Grænukorn svipar til cyanobactería – DNA ekki bundið himnum – 70S ríbósóm – 16S rRNA →cyanobacteria 25 SEQUENCE OF MAJOR EVENTS DURING BIOLOGICAL EVOLUTION 26 ASTROBIOLOGY • Eru rannsóknir á lífi í geimnum • Hvers konar líf er líklegt – örverur! • Athuguð að: – Jörðin hefur haft örverulíf í 3.5 Ga af 4.5 Ga sem hún hefur verið til – Örverur þola árekstra utan úr geimnum – Örverur lifa alls staðar þar sem lífverur lifa – Talið er að örverur komi til með að lifa á jörðinni þó svo að allar aðrar lífverur deyi 27 ASTROBIOLOGY • Örverur lifa við suðumark • Örverur lifa undir frostmarki • Örverur framleiða brennisteinssýru og geta lifað við pH 1.0 • Örverur geta lifað í mettuðu salti • Allt þetta bendir til þess að mjög líklegt er að aðrir staðir séu til það sem örverur hafi getað þróast og jafnvel gefið af sér flóknari lífverur • Metan hefur fundist á mars! 28