Szczypta (al)chemii i nauk

Szczypta (al)chemii i nauk pokrewnych

... dla humanistów

Wojciech Grochala

Uniwersytet Warszawski

Centrum Nowych Technologii

Misja chemii

Dynamiczna samoorganizacja

Chemia supramolekularna

atom – cząsteczka – supracząsteczka – kryształ – obiekt NANO (MEZO) MIKRO MAKRO

Nierównowaga termodynamiczna

Życie

CO₂ + H₂O  1/6 C₆H₁₂O₆ + ½ O₂ ……  CO₂ + H₂O

Nierównowaga c.d.

Protektorat chemiczny

• bez H₂O : spontaniczny samozapłon ciała

• bez ściany komórkowej:

wnętrze identyczne z zewnętrzem (osmoza)

• różnica potencjałów chem.

OUT/IN;

• autoreplikacja wymaga

nierównowagi i dopływu energii

C₆H₁₂O₆ 6 (C + H₂O)

Niższa energia (swobodna)

Obieg materii

Głównie C, H & O

Proste związki chemiczne Materia złożona Proste związki chemiczne

C₆H₁₂O₆

 

Giordano Bruno sp. z o.o.: XX w.

Obieg materii, c.d.

& energii

C₆H₁₂O₆

? Fotosynteza niezbędna?

Początek życia?

Chemosynteza

5.5 mln lat

Jask. Movile (1986)

7-10% O₂, 2-3.5% CO₂ 1-2% CH₄, 8-12 mg/l H₂S, NH₃ 48 gat. w tym 33 endemity

Chemosynteza

5.5 mln lat

Jask. Movile (1986)

7-10% O₂, 2-3.5% CO₂ 1-2% CH₄, 8-12 mg/l H₂S, NH₃ 48 gat. w tym 33 endemity

Chemosynteza

5.5 mln lat

Jask. Movile (1986)

7-10% O₂, 2-3.5% CO₂ 1-2% CH₄, 8-12 mg/l H₂S, NH₃ 48 gat. w tym 33 endemity

Skład chemiczny

Życie

Wszechświata (H, He) Ukł. Słonecznego

Ziemi

organizmów żywych człowieka





Dlaczego węgiel?

Kameleon

Sztywne Giętkie

• dostępny (wraz z H, O & N)

• reaktywny

• wystarczająco kinetycznie trwałe wiązania C–C

• możliwość funkcjonalizowania cząsteczek (chemia ORGANICZNA)

• możliwość wpływania na geometrię

Transmutacja (1828)

“Nieudacznik”

Friedrich Wöhler 1800–1882 cyjanian amonu mocznik

Początek chemii organicznej!

+NH ₃

CO ₂ + H ₂ O  H ₂ CO ₃

Burza w szklance wody

Chemia prebiotyczna

eksperyment Millera–Ureya, Uniw. w Chicago (1952)

Harold Clayton Urey 1893–1981 Stanley Lloyd Miller

1930–2007

H₂O, CH₄, NH₃, H₂ + PIORUNY  …

• 11 z 20 aminokwasow! (1996)

• > 20 ! (2007)

• modyfikacje: CO₂, N₂, H₂S, SO₂  … 1^st exp.: glycine, α-

and β-alanine

“primordial soup”

Burza w szklance wody

Chemia prebiotyczna

eksperyment Millera–Ureya, Uniw. w Chicago (1952)

Harold Clayton Urey 1893–1981 Stanley Lloyd Miller

1930–2007

H₂O, CH₄, NH₃, H₂ + PIORUNY  …

• 11 z 20 aminokwasow! (1996)

• > 20 ! (2007)

• modyfikacje: CO₂, N₂, H₂S, SO₂  … 1^st exp.: glycine, α-

and β-alanine

“primordial soup”

Burza w szklance wody

Abiogeneza: monomery  polimer

Także 1952:

• Wollman (William) M. MacNevin CH₄ + H₂O  nierozp. żywice

1978:

• A. Bar-nun, H. Hartman

CO₂ + H₂O  alkohole, aldehydy i kwasy karboksylowe (fotoliza UV)

1961:

• Joan Oró

HCN + NH₃ + H₂O  adenina!

1967:

pozostałe zasady nukleinowe C₅H₅N₅ = 5 x HCN e^– , hν

Zapach i kolor…

“…identyczny z naturalnym”

Robert Burns Woodward 1917–1979

quinine, cholesterol, cortisone, strychnine, lysergic acid, reserpine, chlorophyll,

cephalosporin & colchicine, penicyline, vit. B12

Synteza totalna

“Era woodwardiańska”

Roald Hoffmann (Safran) 1937–…

Zapach i kolor…

“…identyczny z naturalnym”

Robert Burns Woodward 1917–1979

quinine, cholesterol, cortisone, strychnine, lysergic acid, reserpine, chlorophyll,

cephalosporin & colchicine, penicyline, vit. B12

Synteza totalna

“Era woodwardiańska”

Roald Hoffmann (Safran) 1937–…

Katastrofa tlenowa

Śmierć i Życie

Wielkie wymieranie bakterii beztlenowych!

Ca. 2.22–2.45 mld lat temu GOE

Atm. redukująca Atm. utleniająca

3 O ₂

Śmierć i Życie, c.d.

• Wolne (dwu)rodniki: niskie bariery reakcji

• Okiełznanie drapieżnego reagenta (spalanie)

• Eksplozja życia…

• … i śmierci (wolne rodniki: kancerogeny, mutageny, …)

• ¹O₂ singletowy!

• Natleniajcie czerwone wino (Fe²⁺  Fe³⁺)!

barrique

Kwas taninowy

3 O ₂

Śmierć i Życie, c.d.

• Wolne (dwu)rodniki: niskie bariery reakcji

• Okiełznanie drapieżnego reagenta (spalanie)

• Eksplozja życia…

• … i śmierci (wolne rodniki: kancerogeny, mutageny, …)

• ¹O₂ singletowy!

• Natleniajcie czerwone wino (Fe²⁺  Fe³⁺)!

barrique

Kwas taninowy

Fe w dwóch odsłonach

Fe vs. Co vs. “teflon”

• Fe²⁺  Fe³⁺ hemoglobina (strunowce)

barrique Hem

• Android Ash i sztuczna hemoglobina (Co salen)

• Perfluorodekalina (eksp. z żabą) (“teflon”) krew tętnicza (Fe³⁺) +

krew żylna (Fe²⁺)

Fe w dwóch odsłonach

Fe vs. Co vs. “teflon”

• Fe²⁺  Fe³⁺ hemoglobina (strunowce)

barrique Hem

• Android Ash i sztuczna hemoglobina (Co salen)

• Perfluorodekalina (eksp. z żabą) (“teflon”) krew tętnicza (Fe³⁺) +

krew żylna (Fe²⁺) Oxycyte

F-t-

butylcyclohexane C₁₀F₂₀

Rozwój życia

Drzewo genealogiczne

Najstarsze skamieliny

Nasze siostry bakterie

Stromatolity – Prekambr; ślady po cyjanobakteriach!

Park nar. Glacier 3.5 mld lat

Zach. Australia 3.48 mld lat

Big jump: organizmy fraktalne

XIX-w. dylematy

Najstarsze organizmy prekambryjskie

aka najstarsze znane org.

wielokomórkowe (fauna ediakarańska) A. Murray (1868)

eksplozja kambryjska

okres kriogeński

Nie wiadomo w ogóle czy to ZWIERZĘTA!

Zajęło cztery lata zanim Elkanah Billings odważył się wysunąć hipotezę, że mogą to być skamieniałości organizmów żywych.

Ich prosty kształt był powodem, dla

którego współcześni Billingsowi odrzucili jego propozycję i uznali skamieniałości za struktury powstałe skutek ucieczki gazu, nieorganiczne konkrecje lub nawet

sztuczki, spłatane przez złośliwego Boga, aby odwieść ludzi od wiary…

Charniodiscus 565–555 MA

Organizmy fraktalne, c.d.

Dickinsonia: ruch?!

Despite Charnia's fern-like appearance, it is not a plant or alga because the nature of the fossilbeds where specimens have been found demonstrate that it originally lived in deep water, well below the photic zone where photosynthesis can occur

Charnia masoni 579–555 MA (1957)

Charniodiscus 565–555 MA

Organizmy fraktalne, c.d.

Dickinsonia: ruch?!

Despite Charnia's fern-like appearance, it is not a plant or alga because the nature of the fossilbeds where specimens have been found demonstrate that it originally lived in deep water, well below the photic zone where photosynthesis can occur

Charnia masoni 579–555 MA (1957)

Dickinsonia costata 558–555 MA

do 1.4 m

Charniodiscus 565–555 MA

Organizmy fraktalne, c.d.

Dickinsonia: ruch?!

Despite Charnia's fern-like appearance, it is not a plant or alga because the nature of the fossilbeds where specimens have been found demonstrate that it originally lived in deep water, well below the photic zone where photosynthesis can occur

Charnia masoni 579–555 MA (1957)

Dickinsonia costata 558–555 MA

do 1.4 m Mawsonites spriggi

Tateana inflata (= 'Cyclomedusa' radiata

Charniodiscus 565–555 MA

Organizmy fraktalne, c.d.

Dickinsonia: ruch?!

Despite Charnia's fern-like appearance, it is not a plant or alga because the nature of the fossilbeds where specimens have been found demonstrate that it originally lived in deep water, well below the photic zone where photosynthesis can occur

Charnia masoni 579–555 MA (1957)

Dickinsonia costata 558–555 MA

do 1.4 m Mawsonites spriggi

Tateana inflata (= 'Cyclomedusa' radiata

Archaeonassa-type (late Edicarian)

Fraktale

Warszawa rządzi!

obiekt samo-podobny (tzn. taki,

którego części są podobne do całości) albo "nieskończenie subtelny"

(ukazujący subtelne detale nawet w wielokrotnym powiększeniu)

Benoît Mandelbrot 1924–2010

Wacław Franciszek Sierpiński 1882–1969

Fraktale w Przyrodzie

Prosta genetyka!

Charnia masoni 579–555 MA (1957)

Romanesco Broccoli

Skrętność

Życie a rękawiczki

enancjomery

laevus & dexter χείρ (cheir) - dłoń

2D

Ludwik Pasteur 1882–1969

Homochiralność – skąd?

Życie jest niesymetryczne!

23 L–aminokwasy proteinogeniczne (+bardzo niewiele D) D–cukry (+ bardzo niewiele L)

Enzymy sa chiralne! vs. Zapach mięty & kminku!

Burkholderia caryophylli potrafi metabolizować L–glukozę!

Nadmiar enancjomeryczny izowaliny (2009) – idea Rubinsteina (1983)

• Przypadek + kinetyka (wzmocnienie chiralne)

• Promieniowanie spolaryzowane 17%

• FeS₂ + kalcyt (powierzchnia) 1879 L. Sohncke 65 grup przestrz.

(z 230)

Systematyka & taksonomia

Genom projects!

Arystoteles + Teofrast z Eresos:

roślinki i zwierzątka (520 gat.)

Karol Linneusz "Systema naturae“ (1758):

systematyka 2-członowa (8 tys. gat.) Kladystyka współczesna:

(8.74±1.3 mln gat., 2011), w tym:

6.5 mln – ląd (znanych 14%) 2.2 mln – oceany (znanych 9%)

Karol Linneusz 1707–1778 podobieństwo

pokrewieństwo

dwa gatunki są bardziej spokrewnione (później rozdzieliły się od wspólnego przodka) im bardziej ich DNA, RNA i białka są bardziej podobne

Systematyka & taksonomia, c.d.

3 DOMENY

jądrowce Thomas Cavalier-Smith (1983–8):

Cesarstwo: Procaryota

Bacteria – bakterie (wszystkie prokarionty)

Cesarstwo: Eucaryota

Protozoa (jednokomórkowe eukarionty nie zaliczone do innych królestw)

Chromista (niektóre glony, np. brunatnice i okrzemki i pewne heterotrofy)

Fungi – grzyby

Plantae – rośliny (łącznie z zielenicami i krasnorostami) Animalia – zwierzęta

Początki życia

+ poziomy transfer genów…?

?

last universal common ancestor, LUCA

“LUCA był termofilnym lub mezofilnym proteoeukariontem, od którego pochodzą współczesne eukarionty a bakterie i archeany pojawiły się na jego wczesnych etapach ewolucji. Pochodzący od progenotów

proteoeukariont mógł zawierać DNA, jednak za prawdopodobne uznaje się, że genom tego organizmu był zbudowany z RNA, a zmiana na DNA nastąpiła dopiero po wykształceniu trzech domen.”

3.5-3.8 mld lat

Jądro komórkowe eukariontów mogło powstać w wyniku wbudowania w komórkę kompleksu wirusów DNA

Początki życia

+ poziomy transfer genów…?

?

last universal common ancestor, LUCA

“LUCA był termofilnym lub mezofilnym proteoeukariontem, od którego pochodzą współczesne eukarionty a bakterie i archeany pojawiły się na jego wczesnych etapach ewolucji. Pochodzący od progenotów

proteoeukariont mógł zawierać DNA, jednak za prawdopodobne uznaje się, że genom tego organizmu był zbudowany z RNA, a zmiana na DNA nastąpiła dopiero po wykształceniu trzech domen.”

3.5-3.8 mld lat Komin hydrotermalny

Do +350 ^oC Do 300 atm Brak światła Endemity

Jądro komórkowe eukariontów mogło powstać w wyniku wbudowania w komórkę kompleksu wirusów DNA

Bioróżnorodność

Przewaga bakterii

King Phillip Came Over From Greater Spain

11 15 12

Kusząca alternatywa

Panspermia…?

• chemia w warunkach kosmicznych (0-gravity)

• chemia kosmosu (ok. 200 znanych cząsteczek ISMs)

LUCA ( Last Universal Common Ancestor )

I TO ma być “początek”?!

Genom LUCA musiał zawierać co najmniej 500-1000 genów (2008) Zidentyfikowano co najmniej 140 domen białek tworzących

prawdopodobnie proteom LUCA (2012)

Rekonstrukcja sekwencji domen białkowych wskazuje, że charakteryzowały się one wysoką hydrofobowością

Fenyloalanina (F), Izoleucyna (I), Leucyna (L) & Valina (V) – FILV Z (jakiego?)

oleju do wody?

Poznaj kuzyna!

“My name is LUCA…”

Komórka i jej ŚCIANA

Duże cząsteczki

• Zwierzęta: fosfolipidy + kanały białkowe

• Rośliny: pektyna

• Grzyby: chityna

• Bakterie:

peptydoglykan (cukro- białko)

Fosfolipidy w wodzie – micella

Fosfatydylo- cholina

Komórka i jej ŚCIANA

Duże cząsteczki

• Zwierzęta: fosfolipidy + kanały białkowe

• Rośliny: pektyna

• Grzyby: chityna

• Bakterie:

peptydoglykan (cukro- białko)

Fosfolipidy w wodzie – micella

Fosfatydylo- cholina

Komórka bakteryjna

1D  2D

“Błona lipidowa jest nieprzepuszczalna więc w przypadku

samorzutnego postania miceli,

transport z i do byłby raczej mało możliwy, stąd życie raczej

zaczęło się poza takimi układami (błona

komórkowa umożliwa wymianę materii

poprzez kanały białkowe).”

Liczba komórek bakter.

w ludzkim ciele…

A WIRUS?

"organisms at the edge of life"

Cząstki wirusa (wiriony) złożone z:

i) materiału genetycznego (DNA lub/i RNA) ii) ochronnej otoczki proteinowej

iii) i czasami zewnętrznej koperty lipidowej (dla ochrony gdy są poza żywą komórką) Wyewoluowały z:

• plazmidów? (progressive, up the hill)

• bakterii? (regressive, down the hill) 1. Przenoszą materiał genetyczny

2. Reprodukują się (ale NIE przez podział kom.!) 3. Ewoluują przez dobór naturalny

the most abundant biological entities on Earth and they outnumber all the others put together infect all types of cellular life including animals, plants, bacteria and fungi

Love-me, love-me-not

Mechanizmy obronne

antyciała

(immunoglobuina = proteina)

Guanozyna (nukleozyd)

Aciclovir™

(falszywy n.)

Love-me, love-me-not

Mechanizmy obronne

antyciała

(immunoglobuina = proteina)

Guanozyna (nukleozyd)

Aciclovir™

(falszywy n.)

bakteriofagi

Love-me, love-me-not, c.d.

Czy TO jest ŻYCIE?

MS2

3569 nukleotydów RNA (1976)

Escherichia coli Mr Kowalski

Główni podejrzani

“RNA world hypothesis” (1967)

• RNA

• DNA

• Białka

• Tłuszcze

• Cukry

“Aktualnie uważa się, że RNA jest najbardziej pierwotne z tego to powodu, że katalizuje powstawanie białek a nie odwrotnie.

Nie wiadomo skąd się wzięło RNA. ”

(chromosomalne)

1–1,000 kbp

zdolne do replikacji (~jak wirus)

Główni podejrzani

“RNA world hypothesis” (1967)

• RNA

• DNA

• Białka

• Tłuszcze

• Cukry

“Aktualnie uważa się, że RNA jest najbardziej pierwotne z tego to powodu, że katalizuje powstawanie białek a nie odwrotnie.

Nie wiadomo skąd się wzięło RNA. ”

(chromosomalne)

1–1,000 kbp

zdolne do replikacji (~jak wirus)

RNA vs. DNA

HIV

Pojedyńczy zwitek

D vs. R:

RNA mniej trwałe niż DNA bardziej podatne na hydrolizę

+Reverse transcriptase…

Spiegelman Monster

Pre-RNA: PNA, TNA, GNA…!

Fragment 218 nukleotydów zdolnych do reprodukcji przez RNA replication enzyme (polimeraza, kodowana przez RNA) 1965

Sol Spiegelman 1914–1983 1997: Eigen & Oehlenschlager

nawet 48 nukleotydów się replikuje

1975: Sumper & Luce nawet zasady nukleinowe mogą się replikować w obecności polimerazy…!

The very beginning?

(not quite)

J.D. Bernal: biopoesis, the process of living matter evolving from self- replicating but nonliving molecules (passing through a number of

intermediate stages) 1969

Autoreplikacja (autokataliza) – molekularne replikatory NIEADDYTYWNOŚĆ

SYNTEZA TEMPLATOWA Louis Pasteur:

“living things come only from other living things”

Defnicja życia 2.0 & …

Więc chyba jednak RNA!

Jerzy Dzik:

“obiekty żywe – czyli zdolne do ścisłego

dziedziczenia właściwości autokatalitycznych, które podlegają losowej zmienności”

Silesaurus opolensis Polonosuchus silesiacus 2003

J. Dzik

2005 T. Sulej

230 mln lat

Kataliza! M. Powner i wsp. (2009)

Status: 2015

Status prawny? Kiedy… DUSZA?

Cells emerged at least 3.5 billion years ago. The current belief is that these cells were heterotrophs. The early cell membranes were probably more simple and permeable than modern ones, with only a single fatty acid chain per lipid. Lipids are known to

spontaneously form bilayered vesicles in water, and could have preceded RNA, but the first cell membranes could also have been produced by catalytic RNA, or even have required structural proteins before they could form.

A 2012 study led by A. Mulkidjanian suggests that inland pools of condensed and cooled geothermal vapour have the ideal characteristics for the origin of life. Scientists discovered in 2002 that by adding a montmorillonite clay to a solution of fatty acid micelles (lipid

spheres), the clay sped up the rate of vesicles formation 100-fold.

B & Mo & O – kataliza powstawania RNA (NA MARSIE???)

4.6 vs. 3.5 billion ya

Symbioza & inter-breeding

Transfer (genów) horyzontalny

Mariaż (i rozwód???) z cyjanobakterią

W 2008 roku Tal Dagan i William Martin przebadali pół miliona genów pobranych z 181 prokariotów i stwierdzili, że ponad 80% z nich nosi oznaki horyzontalnego transferu

 zwiększona różnorodność genetyczna Jądrowce:

mitochondrium

chloroplasty

• Własne DNA (mitoch. & plastom)

• ATP podobne do nukl. adenozyny Homo sapiens (5% neandertalczyka) goryl australopitek H. erectus

H. neandertalensis

H. sapiens

H. heidelbergensis

Przodkowie za Mieszka I: 43 gener.  4400 mld

Dziękujemy Ci, bakterio!

Szokujące mezalianse

Dziedziczność grup krwi (A, B, AB, 0)

 sero-antropologia, rasy żyjące i wymarłe

 konflikt serologiczny (przed odkryciem Rh!)

Grupa 0 jako najbardziej archaiczna?  Teoria Plejad

"teza walki na śmierć i życie za mało uwzględnia zjawisko symbiozy, nie słyszy harmonii jako zasadniczej melodii natury"

"walka o byt nie jest jedynym hasłem życia, istnieje może prawo, które byśmy nazwać mogli prawem najmniejszego cierpienia"

Ludwik Hirszfeld 1884–1954

Deutsch English Français Italiano

Norsk bokmål Polski

Przyczynek do ewolucji

Powstanie Homo sapiens…

Zbawienne mutacje i pasy van Allena.

O śmierci komórki, klonowaniu, Frankensteinie i Golemie innym razem…

Szamanizm vs. zorza polarna:

-epilepsje i wizje wrodzone

-brak ciągłości genet. (dziedziczności)

Wielkie wymieranie (x6)

Orzeł czy reszka?

Sześć (?) pouczających przypadków zagłady życia na Ziemi:

99.9 % gatunków wymarło (background extinction rate 1–13 mln lat, ssaki ~1 mln) O–S

Fauna morska, fossils

Late D

P–Tr

Tr–J K–Pg

(H) Cm1,2

Snowball Earth: 650 Ma

Wielkie wymieranie (x6), c.d.

Śmierć na wiele sposobów…

O–S Late D P–Tr Tr–J K–Pg

(H) Cm1,2

Ruch Gondwany na biegun płd. (globalne ochłodz., zlodowac., spadek poz. morza), 2x spadek poziomu CO₂ (poprzedzający)

“Wielkie Wymieranie” –96% mor. & 70% ląd. kręgowców, przyczyna ? gaz cieplarniany (metan) z hydratów?

2x, na lądzie rośliny i owady, wymierają trylobity, przyczyna ?

Tuż przed rozpadem Pangei, przyczyna ?

Impakt asteroidy, 66,038,000 ± 11,000 ya (Ir)

Chicxulub crater

(~180 km) bolid 10 km 100 teraton TNT

Klimat, wpływ człowieka ?

Superkontynent Pannotia zaczyna się rozpadać, przyczyna ?

Skąd nadejdzie “koniec świata”?

Kupcie sobie bilet na Marsa

100-letnia perspektywa: Piękne Yellowstone.

Near Earth Object (NEO) Program

http://neo.jpl.nasa.gov/risks/ http://volcanoes.usgs.gov/observatories/yvo/

55 x 80 km

2,1 mln, 1,3 mln 0,64 mln

Od 1980 r., > 1000 obiektów identyfikowalnych

Zamiast zakończenia

ET: fobie i nadzieje

Zamiast zakończenia

ET: fobie i nadzieje

Samotność, horror vacui i życie pozaziemskie