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Photosynthese

Entstehung und Entwicklung von Leben, Wahrscheinlichkeit für extraterrestrisches Leben
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Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 29. Okt 2013, 11:14

Weiss jemand, inwiefern man ein gutes Model entwickeln kann, das je nach vorherschendem Druck, Elementmix und Spektralanteilen eines Sterns(bzw was davon zur Planetenoberfläche vordringt) eine Mischung an Molekülketten ermittelt, die abgefangene Energie quantenweise in ein höherenergetisches Molekül verarbeiten kann?
z.B. das von der niederenergetischsten Strahlung angefangen langsam ein Molekül(oder mehrere) schrittweise in einen höherenergetischen Energiezustand anheben kann?
Welche Moleküle kommen für so etwas in Frage? Gibt es da schon Ausarbeitungen? Auf der Erde sind Chlorophyl und ähnliches ja das scheinbare Optimum.
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Re: Photosynthese

Beitrag von seeker » 29. Okt 2013, 13:03

Ich weiß nicht genau auf was du hinaus willst.
Willst du elektrische Energie erzeugen oder chemische Energie oder keins von beiden?

Das Anheben von Elektronen in einen höheren Quanten-Energiezustand geschieht bei allen Farbstoffen (im Prinzip mehr oder weniger bei allen Stoffen) - darauf beruht ihre Absorption und damit die Farbigkeit der reflektierten Strahlungsanteile (im UV/VIS-Bereich, im IR sind es Molekülrotation, Streckungsschwingungen, usw.).
Man kann die verschiedensten Farbstoffe herstellen, vom IR bis zum UV. Man kann heute auch gezielt Absorptionsmaxima durch Modellierung schon berechnen, bevor die Substanz hergestellt ist. Eine chromophore Gruppe in einem Molekül hat -soweit ich weiß- normalerweise nur ein bis zwei wellenlängenabhängige Absorptionsmaxima. Für eine Breitbandabsorption mischt mann daher meist mehrere Farbstoffe.
Chlorophylle absobieren besonders gut im roten und blauen Spektrum, schlecht im grünen. Deshalb erscheinen sind sie grünlich, weil das der reflektierte Strahlungsanteil ist.

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Re: Photosynthese

Beitrag von gravi » 29. Okt 2013, 19:03

Du meinst sicher chemische Reaktionen nullter Ordnung, also Reaktionen, die durch Lichtquanten initiiert werden.
Solche photochemischen Reaktionen können schon bei einfachen Molekülen stattfinden, z.B. die Reaktion von Chlor und Wasserstoff zu Knallgas. Die Photosynthese der Pflanzen ist natürlich ein Paradebeispiel.

Ich wüsste nun aber nicht, wie man ein Modell zu solchen Reaktionen entwickeln könnte. Vermutlich wären viel zu viele Parameter zu berücksichtigen, etwa die vorherrschende Konzentration, doch ich glaube auch nicht, dass man das irgendwie verallgemeinern könnte. Jede Substanz hat eine andere spezifische Absorptionswellenlänge, bei der eine Anregung erfolgen wird. Du müsstest zudem das genaue Spektrum des Sterns kennen, die (absorbierende) Atmosphäre des Planeten, Temperaturen, Konzentrationen und natürlich die zu betrachtenden Substanzen, Katalysatoren...
Schwierig, ganz schwierig...

Gruß
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Re: Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 30. Okt 2013, 16:04

Hab einige der Begriffe gefunden die ich suchte wie z.B. Elektronentransportkette, Photonengradient, usw

Es geht mir darum welche Photosystem-Ketten möglich sind.
z.B. 200nm Licht stell aus Molekülgruppe A Molekülgruppe B (undvielleicht noch eine C) her
500nm Licht macht aus B die Gruppe D
370 nm Licht macht aus C die Gruppe E
970 nm Licht macht aus E das Endprodukt chemischer Energieträger F
Vielleicht ist sogar noch das bei der Reaktion gestreute Licht irgendwie nutzbar...

So gibt es je nach Lichtwellenlänge unterschiedliche Molekülarten, die die vorhandenen Lichtquanten optimal nutzen können um ein höherenergetisches Produkt mit dem festen Energieunterschied/-quant delta herstellen zu können.
Einige dieser Wellenlängen können auch einen Zustand anregen, der dann als Katalysator für eine andere Photonenabsorbtionsmechanismus dient bzw dort das erforderliche Differential zur Umwandlung herabsetzt.

Es geht mir darum inwieweit man verfügbares Farbspektrum des Sterns nutzen kann eine mögliche Synthese auf einem Planet auszuschließen oder für möglich erklären zu können.
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Re: Photosynthese

Beitrag von gravi » 30. Okt 2013, 19:06

Das verstehe ich schon. Das Problem ist jedoch, dass wir die Atmosphären der Planeten nicht kennen und damit auch nicht, welche Wellenlängen sie passieren lassen und welche nicht.
Wie will man da eine konkrete Aussage treffen?

Gruß
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Re: Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 2. Nov 2013, 02:07

Darum geht es ja gerade, genau das herauszufinden.
Auf der Suche nach Ausserirdischem Leben ist denke ich die Möglichkeit ein energetisches Gefälle aufzubauen, das Lebewesen dann nutzen können um die niederentropischen Produkte dann in höherentropische Produkte umwandeln zu können.
Möglicherweise wäre auch eine direkte Nutzung der Energie zum Leben möglich.

Ich denke die Möglichkeit Energiequellen für die Herstellung von Energiespeicher zu nutzen ist viel wesentlicher als die Suche nach Wasser oder Leben auf Kohlenstoffbasis.
Wir kennen ja inzwischen einige Möglichkeiten Sonnenenergie in Elektrizität umzuwandeln. Bei Pflanzen kommt es denke ich mehr auf die Energiemenge pro Photon an um einen angeregten Zustand anzustreben bzw Teilchen/Elektron anzuregen und die Deckung mit dem benötigten Quasiimpuls um das Teilchen zusätzlich noch physisch zu verschieben.

Durch den Empfang eines Photons wird ein Molekülteil nicht nur in einen angeregten Zustand gebracht, sondern auch während der Wirkzeit des Photons(ungefähr =Wellenlänge/c) die angregten Teilchen leicht zu beschleunigen/verschieben. Soweit ich weiss findet dies auch in diversen Photosensoren und Restlichtverstärkern Anwendung.

Ist es wirklich so schwer/rechenaufwendig im Computer diverse Teilchenkombinationen auf Beschuss mit Photonen bestimmter Wellenlänge testen zu lassen?
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Re: Photosynthese

Beitrag von seeker » 2. Nov 2013, 10:53

Aha! Jetzt verstehe ich das etwas besser.
Du möchtest also abschätzen, welche Arten einer Photosynthese auf einem Planeten überhaupt möglich sein können?

Hui! Das ist eine gleichermaßen interessante wie auch schwierige Frage.

Folgendes ist zu bedenken:
Wenn sich Leben gemäß der Evolutionslehre entwickelt hat, dann muss sich jeder Energiegewinnungsmechanismus einigermaßen kontinuierlich und lückenlos entwickelt haben können.
D.h.: Jede Vorstufe von irgendwelchen Dingen, die den heutigen Lebewesen nützlich sind, muss ebenfalls nützlich gewesen sein, wobei dieser Nutzen auch ein anderer gewesen sein kann.
Beispiel: Aus den Schwimmblasen der Fische haben sich unsere Lungen entwickelt. Unsere Lungen konnten daher nur deshalb entstehen, weil auch die Schwimmblasen einen Überlebensvorteil gewährten.

Das sollte man nicht unterschätzen. Das ist eine sehr starke Einschränkung dessen, was die Evolution überhaupt hervorbringen kann.
Aus diesem Grunde haben heutige Landtiere z.B. keine Räder und keine Solarzellen auf dem Rücken, Vögel keine Propeller.
Warum? Weil die Vorstufen dazu keinen Überlebensvorteil gebracht hätten.

Zur Strahlung

Hier ist folgendes zu berücksichtigen:

Zu energiereiche Strahlung kann ein Lebewesen nicht oder nur sehr erschwert nutzen, weil es davon geschädigt wird.
Aus UV-Strahlung z.B. könnte man evtl. zwar chemische Energie gewinnen, jedoch würde dieselbe Strahlung andere Moleküle desselben Lebewesens zerschlagen.
Das liegt daran, dass UV-Quanten mit ca. >=2eV Energien tragen, die im Bereich der Bindungsenergien normaler Bindungen in Molekülen liegen (z.B. der C-H Bindung oder auch der O-H Bindung im Wassermolekül; der Wasserstoff wird abgespalten, es entstehen sehr reaktionsfreudige und schädliche Radikale).
Das Lebewesen muss seine eigene Photosynthese überleben können - und das ist im UV sehr schwierig.
Photosysnthese beruht weiterhin auf reversiblen Prozessen. Es würden im UV aber nicht-reversible Prozesse ablaufen.

Zu energiearme Strahlung (IR und tiefer) wiederum kann auch nicht für Photosynthese genutzt werden, weil ihre Energie nicht ausreicht, um irgendwelche delokalisierte Pi-Systeme auf ein höheres Energieniveau zu heben. Diese Strahlung wirkt im Wesentlichen auf die Molekülschwingungen und -Rotationen ein.

Damit bleibt eigentlich nur der VIS-Bereich der EM-Strahlung (ca. 400-800nm), vielleicht noch teilweise der NIR-Bereich (800-3000nm), der genutzt werden kann.
Evtl. könnte die Natur in die Trickkiste greifen, um den nutzbaren Wellenlängenbereich zu erweitern. Jedoch müsste sich -wie gesagt- so etwas auch evolutionär nahtlos entwickeln (können). Dieser evolutionäre Bereich ist hochkomplex und außerordentlich schwer abzuschätzen.

Grüße
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Re: Photosynthese

Beitrag von gravi » 2. Nov 2013, 19:23

Zu seekers ausführlicher Antwort möchte ich noch hinzufügen:

Du möchtest also diverse Molekülgruppen daraufhin untersuchen, inwieweit sie durch Licht aller möglichen Wellenlängen angeregt werden können, sprich Photosynthese betreiben.
Die Schwierigkeit dürfte darin liegen, wie seeker es ja schon gesagt hat, dass man fast jedes Molekül durch eine bestimmte Wellenlänge anregen kann. Nehmen wir nur mal die organischen Moleküle, so kommt man leicht auf ein paar Millionen (um 17!). Ausschlaggebend ist dann nicht nur die spezifische Wellenlänge, sondern auch noch die Intensität. Wenn ich mich hier im Sommer in der Sonne tummle, so kann ich das ein paar Stunden ertragen. Im gleichen Zeitraum am Mittelmeer gehe ich ohne Sonnenschutz glatt als Krebs durch.

Hinzu kommt noch die Evolution. Auf anderen Planeten mag es durchaus sein, dass die Natur einem Lebewesen ne Art Fotozelle verpasst hat, um daraus Energie zu gewinnen. Ausschließen kann man das nicht, die Biochemie macht sicher eine Menge möglich (wenn auch nicht alles; seekers Gedanke mal weitergesponnen: ich würde gerne mal ne Kuh auf Rädern sehen oder einen Geier mit Propeller :wink:).

Die Kohlenstoffchemie ist also ungeheuer vielfältig, so umfassend, dass eine nicht abzuschätzende Anzahl an möglichen Lebensformen denkbar ist. Womit man gleichzeitig Leben auf Siliziumbasis (fast) ausschließen kann - doch eine Kombination ist dann doch wieder möglich.

Nein, ich glaube, deine Simulation ist kaum durchführbar...

Schönen Gruß
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Re: Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 5. Nov 2013, 08:12

Soweit ich weiss entstehen bei Photosynthese Radikale, diese werden dann jedoch durch einen gesonderten Mechanismus gebunden bevor sie Schäden anrichten können, tertiäre Mechanismen können begrenzte Schäden zum Teil reparieren oder unschädlich machen oder deaktivieren die Funktion der fehlerhaften Komponenten.
Ja, die Moleküle müssen eben so aufgebaut sein, daß sie gegen die vorherrschenden Wellenlängen relativ stabil sind.
Die Energie darf höchstens bzw genau ausreichen, die Teilchen anzuregen und nicht zu zerstören,
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Re: Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 7. Nov 2013, 06:57

Mir ist jetzt etwas eingefallen. Auch wenn hochfrequente Strahlung schädlich sein kann, ist es eigentlich völlig irrelevant, solange ein Teil des gerade synthetisierte Stoffes regelmäßig abtransportiert wird.
Die Planetenoberfläche muss nicht der Lebensraum der ersten Tierchen sein.
Später kann man sagen, daß sich an der bestrahlten Fläche des Lebewesens ein Gleichgewicht zwischen synthetisiertem und durch weitere Bestrahlung wieder zerstörten Stoffes einstellen kann, wobei dann ein Teil des energiereicheren Stoffes regelmäßig hinter eine durch Zweitsystem gebildete Schutzschicht abtransportiert wird.

Das "Prohormon" Vitamin D wird z.B. auch in unserer Haut durch UV Strahlung von glaube 230-270 nm Wellenlänge synthetisiert und entfernt sich dann von dieser für das Vitamin zerstörerischen Umgebung. Der Mechanismus zur Energiegewinnung kann durchaus vom Rest des komplexeren Lebewesens abgekoppelt sein, wenn Zellen anfangen im Verbund zu existieren. Hier sind denke ich Mechanismen völlig ausreichend, die eine Art Schildfunktion und Radikalbinderfunktion haben.

Sonnenlicht ist für uns ja auch lebensfeindlich wenn man es so möchte, trotzdem haben wir natürliche UV Blocker entwickelt, die durch Bestrahlung mit dem zerstörerischen Licht entstehen.
Unsere Haut hat ohnehin die Funktion, das ein Teil als "Schild" gegen Umwelteinflüsse an der Oberfläche abstirbt und sich entsprechend "opfert".
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Re: Photosynthese

Beitrag von gravi » 7. Nov 2013, 19:33

Das sind interessante Aspekte!
Ist es nicht auch so, dass zur Zeit der Entstehung von Leben auf der Erde z.B. die so schädliche UV- Strahlung noch viel intensiver war? Immerhin gab es ja noch keine Ozonschicht, weil noch gar kein Sauerstoff freigesetzt war. Dennoch konnte die Biosynthese greifen bis hin zur Entwicklung erster Zellen. Womöglich war der UV-Anteil aufgrund seiner hohen Energie sogar eher hilfreich für die Synthesen...?

Gruß
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Re: Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 8. Nov 2013, 00:16

Naja, das erste makroskopischere Leben ist gemutmaßt in den Ozeanen entstanden, wo vielleicht auch totes Zeug an der Oberfläche schwamm und abschirmte. Ausserdem muss ja für Leben nur sichergestellt sein, daß Zellteilung schneller vonstatten geht, als Zellen zerstört werden.
Mechanismen von Zellen, die ihnen einen Überlebensvorteil gegenüber anderen geben, sind von Nachteil, da sie Zellteilung, Komplexität der Zelle, Nährstoffumsatz zu sehr erhöhen und ineffizient machen würden.
Kapazitäten solche UV-Schutzmechanismen zu entwickeln sind mehr vorhanden, wenn rivalisierende Lebensformen selbst auch einen stärkeren Nutzen von UV Schutz als von physischem Schutz haben.
Ist die Konkurenz verzweifelt damit beschäftigt UV-Schutzmechanismen zu synthetisieren, bleiben einem selbst auch mehr Möglichkeiten Kapazitäten dafür freizuschaufeln.
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Re: Photosynthese

Beitrag von seeker » 8. Nov 2013, 09:50

Schaut euch mal diese aufschlussreichen Graphiken genau an, die zeigen, was von der Sonne abgestrahlt wird und was davon auf der Erdoberfläche ankommt:
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenstrahlung
https://www.univie.ac.at/physikwiki/ind ... t_der_Erde

Nicht uninteressant ist, dass die Photosynthese gerade da arbeitet, wo die meiste Energie runterkommt.

Zum Vitamin D:
UV-C kommt praktisch nicht auf der Erdoberfläche an. Deshalb habe ich die 230nm kurz nachgeschlagen (kam mir zu kurzwellig vor): Die Vitamin D-Produktion findet im UV-B statt (um die 300nm).

Du hast aber Recht: Die Biologie kann sich schon schützen. Es gibt ja sogar radiophile Mikroorganismen, die sich auch bei starker radioaktiver Strahlung bester Gesundheit erfreuen.
Wie machen sie das? Salopp: Jedes Gen in 100-facher Ausfertigung, unglaublich effiziente Reparaturmechanismen. Da kann die Strahlung dann ionisieren wie sie will...
Allerdings ist diese Fähigkeit eine Anpassungsleistung, die nicht von Anfang an (bei den Vorfahren) schon vorhanden gewesen sein kann.

Möglich wäre auch indirekt hochenergetische Strahlung zu nutzen. Stichwort: Fluoreszenz
Ein Photosysnthese betreibender Organismus könnte sich hinter einem fluoreszierenden Strahlenschild verstecken und nur die Fluoreszenzstrahlung als Energiequelle nutzen.

Wichtig erscheint mir:
1. Die Biologie wird das nur dann tun, wenn es Vorteile bringt, bzw. wenn die Vorteile die Nachteile (= den Aufwand) ausgleichen bzw. übertreffen.
Und: Jede Strategie kann sich nur dann in ihrer Lebensraumnische durchsetzen, wenn sie konkurrierenden Strategien überlegen ist.

2. Ein solcher Schutzmechanismus kann in eine evolutionäre Sackgasse führen, sodass der Mikroorganismus zwar gut klarkommt, sich aber nicht mehr zu komplexeren Organismen weiterentwickeln kann.

3. Leben ist deutlich älter als Photosynthese. Ich rechne damit, dass sich das erste Leben an schattigen, geschützten Plätzen (im Wasser) aufgehalten hat.
Das erste Leben kann noch keine eigenen Schutzmechanismen gehabt haben. Das war noch viel zu sehr damit beschäftigt überhaupt einmal zu leben.
Schutz kann daher nur die natürliche Umgebnung geboten haben. Ein wenig mutierende UV-Strahlung, im genau richtigen Maß kann dabei allerdings schon als Evolutionsmotor gedient haben.

Ergo:
Die erste Energiequelle des Lebens muss stets chemische Energie gewesen sein. Es kann sich nur auf solchen Planeten Leben entwickeln, wo das möglich ist (Umweltbedingungen, Flüssigkeiten, welche Planeten/Monde um welche Sterne/Planeten können das bieten, welche nicht?, wie sieht es dort mit der Strahlung aus?).
Ein späterer Strategieumschwung auf Nutzung von Strahlung muss sich lohnen - und zwar von Anfang an, wo die entsprechenden neuen Energiegewinnungsmechanismen noch in den Kinderschuhen stecken.
D.h.: Die zu nutzende Strahlung muss ausreichend zur Verfügung stehen. Ein Mikroorganismus wird den Strahlungsanteil im Spektrum nutzen, der am leichtesten zugänglich ist und der reichlich vorhanden ist. I.d.R. wird das immer irgendwo in der Nähe des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts sein.
Z.B. auf der Erde lohnt sich UV und IR einfach nicht, da wenig vorhanden.

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Re: Photosynthese

Beitrag von Skeltek » 8. Nov 2013, 11:18

seeker hat geschrieben: Ein späterer Strategieumschwung auf Nutzung von Strahlung muss sich lohnen - und zwar von Anfang an, wo die entsprechenden neuen Energiegewinnungsmechanismen noch in den Kinderschuhen stecken.
D.h.: Die zu nutzende Strahlung muss ausreichend zur Verfügung stehen. Ein Mikroorganismus wird den Strahlungsanteil im Spektrum nutzen, der am leichtesten zugänglich ist und der reichlich vorhanden ist. I.d.R. wird das immer irgendwo in der Nähe des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts sein.
Z.B. auf der Erde lohnt sich UV und IR einfach nicht, da wenig vorhanden.
Naja, ich denke mal wenn es so ist, wird Photosynthese wohl entstanden sein, lange Zeit nachdem es lohnenswerter geworden ist.
Das Spektrum geringerer Intensität zu nutzen kann schon lohnen, wenn die andere Wellenlänge nicht nutzbar ist.
Die Idee mit der Fluoreszenz kam mir auch, wobei ich eher damit gerechnet hattee das es sich um Streustrahlung eines vorherigen Reaktion gehandelt habe, wobei mir Fluoreszenz einfach nicht in den Sinn kam >.>

Allgemein würde ich sagen, daß man je nach Strahlungsfrequenz des Sterns die habitable Zone abhängiger von chemischer Oberflächenkomposition ist als von der Temperatur und Entfernung zum Stern.
Ein geringerer Energieumsatz pro Zeit stört ja nicht weiter, solange die primären Bestandteile einer Zelle nicht einfrieren.
Nutzung chemischer Energie für das erste Leben setzt ja voraus, daß makroskopischere Mechanismen ein sich ständig erneuerndes Entropiegefälle zur Verfügung stellen.
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