Archiv der Kategorie: RNA-Welt

BLICK IN DAS INNERE DES UNIVERSUMS – NICK LANE – LIFE ASCENDING – BESPRECHUNG – Teil 2

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Nick Lane, „Life Ascending“, London: Profile Books Ltd, 2009 (Paperback 2010)

KONTEXT

  1. Im vorausgehenden Teil 1 wurde nach einer kurzen Einleitung die Entstehung des Lebens im Lichte neuerer Erkenntnisse skizziert. Wer dadurch neugierig geworden ist, sei ermuntert, den Text von Lane und die angegebenen zusätzlichen Artikel und Bücher selbst zu lesen. In dieser Besprechung können nur die großen Linien angesprochen werden und mögliche Zusammenhänge mit dem Thema dieses Blogs. Interessant vielleicht auch die Nachbemerkungen zur Besprechung in Teil 1.
  2. Nachdem in Teil 1 neuere Forschungsergebnisse andeuten, wie sich das biologische Leben (= das Leben) im Rahmen der allgemeinen physikalischen (und chemischen) Gesetze in Form von grundlegenden hoch stabilen metabolischen Prozessketten formieren konnte, stellt sich die Folgefrage, wie der Weg von diesen komplexen, und doch – verglichen mit den späteren biologischen Strukturen – noch so einfachen Strukturen zu den eigentlichen Selbstreproduktionsmechanismen kommen konnte.

DNA – Der Code des Lebens (SS.34-59)

  1. Lane beginnt mit dem Sachverhalt, dass die Reproduktion einer Zelle letztlich gesteuert wird vom sogenannten Genom, das aus einer endlichen Menge von DNA-Molekülen besteht, wobei jedes DNA-Molekül jeweils in einem Doppelstrang ausgeführt ist. In diesem Doppelstrang bildet jedes Element ein Paar aus zwei Basen.
  2. [Anmerkung: ein DNA-Molekül bildet zusammen mit weiteren Elementen ein Chromatin. Ein Chromosom enthält – je nach Zellphase – entweder genau ein Chromatin oder ein Chromatin und seine Kopie (bei der Zellteilung werden diese beiden auf auf zwei neue Zellen als Schwester-Chromatine aufgeteilt). Die Gesamtheit der Chromosome bildet das Genom.]
  3. [Anmerkung: ein Grundelement (Nukleotid) der DNA besteht aus einem Strukturelement (einem Zucker-Phosphat Molekül), an das sich eine Base anlagern kann. Zwei solche Nukleotide können sich dann über die Basen komplementär zu einem Paar verbinden. (vgl. CELL S.3)]
  4. Es gibt vier Basen Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Dazu gibt es die starke chemische Tendenz, dass A sich nur an T bindet und C nur an G. Dadurch sind die beiden Stränge komplementär. (vgl. S.34f) Die Anordnung nutzt also eine vorgegebene chemische Bindungstendenz aus.
  5. Die Gesamtzahl der Nukleoide in einem menschlichen Genom wird auf ca. 3 Mrd (10^9) geschätzt. Bei ca. 15 Billionen (10^12) Körperzellen [Anmerkung: neuere Schätzungen gehen auf ca. 34 Billionen) bedeutet dies, dass das Genom 15 Billionen Mal (und öfters, da ja Körperzellen absterben und wieder ersetzt werden müssen) kopiert werden muss. Bei einer geschätzten Fehlerrate von 1 Nukleotid in 1 Mrd bedeutet dies, dass bei einer Kopie ca. 3 Fehler auftreten. Der Unterschied zwischen Menschen wird auf ca. 1 Unterschied pro 1000 Nukleotide geschätzt, also ca. 3 Mio; Lane spricht von 6-10 Mio. (vgl. SS.36-38)
  6. Beispiel: Die Trennung vom Schimpansen soll ca. vor 6 Mio Jahren geschehen sein. Die empirisch ermittelte Abweichungen werden mit 1,4% angegeben, also jede Art hat ca. 0.7% ihres Genoms in dieser Zeit verändert [Anmerkung: Bei einer angenommenen Generationendauer von 30 Jahren ergäben sich ca. 1050 Änderungen an Nukleotiden pro Generation auf jeder Seite].(vgl. S.38)
  7. Das Wissen um die Kombinatorik der Basen auf einem DNA-Molekül nützt allerdings letztlich nur dann etwas, wenn man auch weiß, welche potentiellen Strukturen und ihre lebensweltbezogenen Funktionen damit kodiert werden.(vgl. S.39) In der Zeit vor der Entdeckung von Watson und Crick 1953 waren die Details der biochemischen Maschinerie unbekannt.(vgl. S.40f)
  8. Nur langsam entdeckte man, dass die Proteine außerhalb des Zellkerns über die Zwischenstationen Messenger RNA (mRNA) (erste Kopie von DNA-Abschnitten) und Transfer RNA (tRNA) (Rückübersetzung) und Ribosom (Zusammenbau von Aminosäuren anhand der tRNA-Informationen) erzeugt werden. Und nur langsam entdeckte man, dass jeweils vier Nukleotide aus der DNA ein Codon bilden, das für genau eine Aminosäure steht, deren Aneinanderreihung ein Protein (bei kürzeren Formen spricht man von einem Peptid) ergibt. Während 4^4 = 64 Kombinationen mit einem Codon möglich wären, schätzten Crick und Watson damals die Zahl der relevanten Aminosäuren für biogene Proteine auf 20. [Anmerkung: im menschlichen Körper kommen 21 verschiedene Aminosäuren vor. Insgesamt sind heute 23 Aminosäuren bekannt, die bei Proteinen Verwendung finden (wobei heute mehr als 400 Aminosäuren bekannt sind, die biologisch wichtig sind aber nicht in Proteinen vorkommt).] Es stellte sich heraus, dass der Kode redundant ist: es können mehrere verschiedene Codons die gleiche Aminosäure kodieren. Drei von 64 Codons dienen als STOP-Signal. Da dieser Kode universell für alle Lebensformen gilt wird daraus geschlossen, dass alle diese Lebensformen einen gemeinsamen Vorläufer gehabt haben müssen, von dem diese Kodierung übernommen wurde. (vgl. SS.39-45) Crick entwickelte daraus die These (1981), dass das Leben von außerhalb der Erde kam (Raumschiff, Aliens,…), und sich dann hier ausgebreitet hat.
  9. Die Hypothese von Crick wurde durch den Gang der Forschung überholt. Generell erschien die Hypothese von Crick auch nicht sehr plausibel, da das Auftreten von komplexen Molekülen ohne entsprechende Umgebungen wenig Chancen bietet, dass diese Moleküle überleben.(vgl. S.45f)
  10. Realistischer erschienen solche Hypothesen, die aufzeigen können, wie die Elemente von Aminosäuren aus Vorläufermaterial aus vorgegebenen Umgebungen rekrutiert werden konnten.(vgl. S.46)
  11. Und in der Tat, man entdeckte nach und nach, dass es einen Kode in den Codons gibt! Die Codons mit ihren vier Elementen haben Positionen 1-4. Ein einzelnes Codon steht nicht nur irgendwie für eine bestimmte Aminosäure, sondern die Abfolge der Elemente im Codon steuern sehr stark auch den Prozess der Aminosäurebildung! So fand man heraus, dass es folgenden Zusammenhang gibt: ein C an erster Stelle legt fest, dass als erster Baustein bei der Aminosäureherstellung ein alpha-ketoglutarate benutzt werden soll; ein A an erster Stelle legt fest, dass als erster Baustein bei der Aminosäureherstellung ein oxalocetate benutzt werden soll; ein T steht für pyruvate; ein G steht für eine beliebige Anzahl von einfachen Vorläufern.(vgl.S46f und Fußnote 5)
  12. Die zweite Position im Codon reguliert, wo im Spektrum zwischen hydrophob und hydrophil sich die Aminosäure ansiedeln soll: die fünf häufigsten hydrophoben Elemente korrespondieren mit T an Position 2; die meisten hydrophilen Elemente mit dem Element A; G und C stehen für Elemente in der Mitte des Spektrums.(vgl. S.47)
  13. Position 3 und 4 lassen keine feste Kodierung erkennen. Dies deutet darauf hin, dass die frühen Vorformen des DNA-Kodes möglicherweise nur 2 Elemente hatten, die stark deterministisch waren. Experimente mit Punktmutationen zeigen, dass der genetische Kode verglichen mit zufälligen Anordnungen extrem stabil ist. Er stellt eine interessante Kombination dar aus einem sehr konservativem Anteil (Position 1-2), und einem experimentellen Anteil (Positionen 3-4).(vgl. SS.47-49)
  14. Bleibt als Frage, wie kam der Prozess zustande, in dem DNA eine Proteinproduktion steuert, wo aber DNA spezifische Proteine für ihr Funktionieren voraussetzt und die spezifischen Proteine eben DNA?(vgl.S.49)
  15. Eine Lösung deutet sich an über RNA Moleküle: diese sind flexibler und können als Katalysatoren wirken, die zur Bildung jener ersten Proteine geführt haben, die wiederum Vorformen von DNA-Molekülen ermöglichten.(vgl.49-51)
  16. Allerdings, wo kommen diese RNA-Moleküle her? Man weiß, dass RNA-Moleküle sich nur bei hohen Konzentrationen bilden können, da sie beim Zusammenbau Nukleotide verbrauchen. Wo findet man solche hohen Konzentrationen? Die Entdeckung der unterseeischen Schlote eröffnet ein mögliches Szenario. Modellrechnungen zeigten, dass die Wahrscheinlichkeit sehr hoch ist, dass sich in solchen Schloten (speziell in den Poren des Gesteins) solche hohen Konzentrationen von RNA-Molekülen bilden können. Simuliert man RNA-Moleküle isoliert, dann tendieren sie dazu, sich nur mit einer minimalen Struktur fortzupflanzen, nur genau so viele Elemente, wie zur Reproduktion notwendig sind (die berühmten ‚Spiegelmann Monster‘). Dieses Modell ist offensichtlich nicht dazu geeignet, die Bildung komplexer RNA-Moleküle, dazu noch in Kooperation mit Proteinbildung zu erklären. Eine Lösung muss in einem umfassenderen Rahmen gesucht werden, in dem die RNA-Moleküle nur eine Teilkomponenten sind. Dieser umfassenderer Rahmen wurde wieder in der Struktur der unterseeischen Schlote gesehen. Die Poren bilden natürliche Umgebungen, die wie eine Zelle wirken, in der komplexere metabolische Prozesse ablaufen können, in deren Kontext die RNA-Moleküle nur eine Teilfunktion haben.(vgl. S.53-55)
  17. Zum Thema umfassender Rahmen gehören auch die Entdeckungen, dass aufgrund genetischer Strukturen die Eukaryotischen Zellen (jene mit einem Zellkern) von den Archaeen abstammen, diese wiederum haben sehr viel mit den Bakterien gemeinsam. Letztere beiden unterscheiden sich aber bei der DNA Replikation, was so gedeutet wird, dass beide einen gemeinsamen Vorläufer haben müssen, von dem sie sich unterschiedlich weiter entwickelt haben.(vgl.S.55f)
  18. Die Arbeitshypothesen laufen darauf hinaus, dass die flexibleren RNA-Moleküle zwischen Proteinerzeugung und DNA-Bildung vermittelt haben (nach dem Muster von Retroviren?). Erst in dem Maße, wie sich die stabileren DNA-Moleküle bilden konnten, war auf Dauer eine Reproduktion gesichert. Für die beiden chemischen Unterschiede von RNA- und DNA-Molekülen gibt es genügend chemische Bestandteile in der unterseeischen Schlotumgebung, so dass eine DNA-Erzeugung aus RNA-Molekülen prinzipiell möglich erscheint.(vgl. SS.55-59)

DISKURS

  1. Die Details der neuen Erkenntnisse können einen erschlagen, und doch ist dies ja nur die berühmte Spitze des Eisbergs. Hinter diesen Fakten verbergen sich hochkomplexe Prozesse und entsprechend aufwendige Forschungen, die hier natürlich nicht beschrieben werden können. Nick Lane macht das großartig.
  2. Aber, treten wir ein paar Schritte zurück und fragen uns, was sich in diesen vielen Fakten an allgemeineren Strukturen andeutet.
  3. Offensichtlich nimmt man aktuell an, dass man mindestens die folgenden Strukturen unterscheiden sollte:
  4. Die heutigen eukaryotischen Zellen (Z_eu) (Zellen mit einem komplexen Kern und vielen Teilstrukturen inklusive ganzer ehemaliger Bakterien).
  5. Die heutigen Prokarytischen Zellen (Z_pro) als Bakterien (Z_ba) und die Archaeen (Z_ar)
  6. Eine Erzeugungsbeziehung zwischen Archaeen und Eukaryoten (g_ar.eu : Z_ar —> Z_eu)
  7. Bei dieser Erzeugungsbeziehung sind weitere Einflussfaktoren durch horizontalen Genaustausch nicht völlig ausgeschlossen.
  8. Es soll einen gemeinsamen Vorläufer (Z_pre) von Archaeen und Bakterien geben.
  9. Entsprechend muss es auch eine Erzeugungsbeziehung geben: g_pre.ar.ba: Z_pre —> Z_ba u Z_ar.
  10. Diese Strukturen und Erzeugungsbeziehungen haben nicht im Nichts stattgefunden, sondern haben geeignete Umgebungen ENV benötigt, die sowohl in großen Mengen und kontinuierlich die notwendigen Ausgangsmaterialien M0 bereit halten konnten wie auch die notwendigen Temperaturgefälle DT für die Ermöglichung der chemischen Prozesse: ENV = <M0, DT, Z_pre, Z_ba, Z_ar, Z_eu, g_pre.ar.ba, g_ar.eu>
  11. Ferner wird angenommen, dass die allgemeinen physikalisch-chemischen Gesetze (G) gelten und ausschließlich diese für das Auftreten und das Reagieren der verschiedenen beteiligten Materialien zuständig sind, also ENV = <M0, DT, Z_pre, Z_ba, Z_ar, Z_eu, g_pre.ar.ba, g_ar.eu, G>
  12. Dazu gehören auch jene Entstehungsprozesse, die aus den Ausgangsmaterialien M0 die Vorläuferzelle Z_pre hat entstehen lassen, also g_0: ENV x TD x M0 —> Z_pre, also ENV = <M0, DT, Z_pre, Z_ba, Z_ar, Z_eu, g_0, g_pre.ar.ba, g_ar.eu, G>
  13. Für den Bereich der eukaryotischen Zellen Z_eu werden mindestens angenommen DNA-Moleküle, Boten-RNA (mRNA), Transfer RNA (tRNA), ribosomale RNA (ribRNA) und Proteine PROT. Dazu weitere Großstrukturen wie Chromatin(e), Chromosomen, Mitochondrien, usw.
  14. Im Bereich der Erzeugungsprozesse muss man ferner eine Art zeitliche und logische Abhängigkeit annehmen, indem der jeweils spätere Hervorbringungsprozess andere frühere voraussetzt, also: G < g_0 < g_pre.ar.ba < g_ar.eu.
  15. Jeder dieser Hervorbringungsprozesse wiederum zeigt sich nicht im Nichts sondern nur beim Vorhandensein spezifischer Materialien M, die in ihrem beobachtbaren Verhalten phi indirekt das Wirken spezifischer Gesetze manifestieren. Ohne die Beobachtbarkeit spezifischer Materialien und deren Verhalten (Newtons berühmter Apfel, die Planetenbahnen der alten Astronomen, magnetische Kräfte, Vulkanausbrüche, geologische Ablagerungen usw.) wäre es nicht möglich, auf dahinter/ darunter/ damit .. wirkende Kräfte phi zu schließen, die man dann in Form von symbolischen Darstellungen als gesetzmäßige Beziehungen (Relationen, Funktionen, Axiome) beschreibt.
  16. Während das menschliche Denken beim Vorliegen von irgendwelchen beobachtbaren Materialien, deren Eigenschaften und Veränderungen spontan dazu neigt, diese als gegeben, als auftretend, als seiend, als objektiv, als Objekte zu unterstellen, tut sich das gleiche Denken sehr schwer, das durch diese Materialien sichtbare werdende Verhalten phi in gleicher Weise als gegeben, seiend, objektiv vorkommend zu denken.
  17. Obgleich die beobachtbaren Materialien ohne dieses unterstellte Verhalten sich in keiner Weise verändern würden, zögern wir, aus den beobachtbaren Veränderungen auf eine interne Eigenschaft der Materialien zu schließen. Im Falle von tierischen Lebewesen wissen wir mittlerweile, dass das gesamte Verhalten in einem Nervensystem gründet, das im Innern des Systems angeordnet ist und von da aus das Verhalten steuert. Aber wir tun  uns schwer, in analoger Weise anzunehmen, dass das überall beobachtbare Verhalten von Materialien nicht auch von Strukturen abhängig ist, die im Innern der Materialien zu verorten sind.
  18. Bei chemischen Molekülen unterstellt man die atomare Struktur mit den unterschiedlichen Bestandteilen, Ladungen und Reaktionstendenzen, die in Wechselwirkung mit der jeweiligen Umgebung sich spezifisch verändern können.
  19. Bei Atomen bleiben einem nur noch die unterscheidbaren Teilchen, aber auch diese haben mathematisch beschreibbare ( wenngleich in Form von Möglichkeitsräumen) Verhaltenstendenzen.
  20. Dann bleibt als letzter Referenzpunkt nur die reine Energie E. Diese kann man nicht direkt beobachten, nur in ihren Wirkungen. Mit anderen Worten, die Energie E enthält sowohl alle potentiellen Materialeigenschaften wie auch die dazu gehörigen Verhaltenstendenzen. In diesem Sinne repräsentiert die Energie E eine Art Superobjekt, in dem die in der Makrowelt bekannte Unterscheidung zwischen materiellen Strukturen und Verhalten nicht mehr gilt. Energie als Superobjekt beinhaltet Materie und deren Verhalten in einem. Um diesen Sachverhalt auszudrücken, ist die bekannte Formel von Einstein e = mc^2 möglicherweise zu ungenau. Sie bietet keine Möglichkeit, zwischen materiellen Strukturen und Verhalten zu unterscheiden. Das beobachtbare Verhalten ist aber genau die Sprache, in der sich das Innere der Dinge mitteilt. Alles,was uns Menschen fasziniert, das sind die Erscheinungen der Veränderungen, ihre Vielfalt, ihre Abfolge. Liebe enthüllt sich nur im Gewandte solcher Veränderungen, genauso wie Hass oder Treue. Wissen ist eingeflochten in eine Vielzahl von Strukturen und deren Veränderungen.
  21. Sowohl die Entwicklung des Universums vor dem ersten Auftreten von Leben wie erst recht dann mit dem Auftreten biologischer Strukturen ist ein Prozess immer komplexerer Verhaltensweisen, die in ihrer Dynamik Gesetze, Regeln, Strukturen erkennen lassen, die den Blick immer tiefer in das Innere aller Dinge öffnen. Das ist eigentlich unfassbar fantastisch, aber es scheint niemand besonders zu rühren.

Keine direkte, aber inhaltlich passende Fortsetzung könnte DIESE sein.

WEITERE QUELLEN/ LINKS (Selektiv)

  • Freie Protein-Datenbank: http://www.ebi.ac.uk/pdbe/ (siehe auch http://proteopedia.org/wiki/index.php/Main_Page )
  • Visualisierung von Proteindaten: https://de.wikipedia.org/wiki/Jmol und http://wiki.jmol.org/index.php/Jmol_Application#Starting_Jmol_Application
  • Proteine (Peptide): https://de.wikipedia.org/wiki/Protein
  • Aminosäuren: https://de.wikipedia.org/wiki/Aminos%C3%A4uren
  • Alpha-Ketoglutarate: https://en.wikipedia.org/wiki/Alpha-Ketoglutaric_acid
  • oxalocetate: https://en.wikipedia.org/wiki/Oxaloacetic_acid
  • Pyruvate: https://en.wikipedia.org/wiki/Pyruvic_acid
  • Punktmutation: https://de.wikipedia.org/wiki/Punktmutation
  • Spiegelmann Monster: https://de.wikipedia.org/wiki/Spiegelmans_Monster
  • Bakterien: https://de.wikipedia.org/wiki/Bakterien
  • Achaeen: https://de.wikipedia.org/wiki/Archaeen
  • Eukaryoten: https://de.wikipedia.org/wiki/Eukaryoten
  • Retroviren: https://de.wikipedia.org/wiki/Retroviren
  • Chromosom: https://de.wikipedia.org/wiki/Chromosom
  • Chromatin: https://de.wikipedia.org/wiki/Chromatin
  • CELL: B.Alberts, A.Johnson, J.Lewis (und andere), Molecular Biology of THE CELL, 6.Aufl., 2015, New York: Garland Science, Taylor and Francis Group, LLC.
  • V.Storch, U.Welsch, M.Wink (und andere), Evolutionsbiologie,3.überarbeitete und aktualisiere Aufl., 2013, Berlin – Heidelberg: Springer-Verlag
  • Francis Harry Compton Crick, Nobelpreisrede: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/crick-lecture.html
  • Francis Harry Compton Crick Life Itself: Its Origin and Nature (Simon & Schuster, 1981) ISBN 0-671-25562-2
  • DNA WikiEN: https://en.wikipedia.org/wiki/DNA
  • RNA: https://de.wikipedia.org/wiki/Ribonukleins%C3%A4ure
  • Harold Morowitz: https://en.wikipedia.org/wiki/Harold_J._Morowitz (ein großes Thema: Wechselwirkung von Thermodynamik und Leben)
  • Michael J.Russel et al: http://www.gla.ac.uk/projects/originoflife/html/2001/pdf_articles.htm: The Origin of Life research project by Michael J. Russell & Allan J. Hall , University of Glasgow, May 2011
  • Krebs-Zyklus: https://en.wikipedia.org/wiki/Citric_acid_cycle
  • Martin W, Russell MJ., On the origin of biochemistry at an alkaline hydrothermal vent. , Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2007 Oct 29; 362(1486):1887-925.
  • Martin W, Baross J, Kelley D, Russell MJ., Hydrothermal vents and the origin of life., Nat Rev Microbiol. 2008 Nov; 6(11):805-14.
  • Harold Morowitz und Eric Smith , Energy flow and the organization of life , Journal Complexity archive, Vol. 13, Issue 1, September 2007, SS. 51 – 59 ,John Wiley & Sons, Inc. New York, NY, USA

Einen Überblick über alle Blogeinträge des Autors cagent nach Titeln findet sich HIER.

SUCHE NACH DEM URSPRUNG UND DER BEDEUTUNG DES LEBENS. Teil 3 (Superbugs, Steinefresser)

Allgemein, Autokatalyse, Bakterien, Chemie - Erde und Kosmos, Chiralität, Dyson, Eigen - Manfred, Enzyme, Fortschritt, Fortschritt - Kriterien des, Kaufmann, Kohlenstoff, Komplexität, Komplexitätsebene, Komplexitätsniveau, Leben - Entstehungszeit, Mars, Mikroorganismen, Ordnung - nicht-zufällige, Panspermien, Prigobine, Proteine, Quanten, Quantenstruktur, Quasikristalle, RNA-Welt, Selbstorganisation, Spiegelmanns Monster, Superbugs, Universum - lebensfreundlich

Paul Davies, The FIFTH MIRACLE: The Search for the Origin and Meaning of Life, New York:1999, Simon & Schuster

Start: 3.Sept.2012

Letzte Fortsetzung: 4.Sept.2012

Fortsetzung von Teil 2

 

  1. Die Entdeckung, dass RNA-Moleküle ähnliche Eigenschaften haben wie DNA-Moleküle und sie bis zu einem gewissen Grade auch als Enzyme fungieren können, die chemische Prozesse unterstützen (was sonst Proteine tun), führte zur Hypothese von der RNA-Welt, die der DNA-Welt vorausgeht. Experimente von Spiegelmann zeigten z.B., dass RNA-Genome in einer entsprechenden Lösung mit Enzymen sich reproduzieren können, allerdings mit der Tendenz, sich immer mehr zu vereinfachen (74.ter Durchlauf, 84% abgestoßen [Spiegelmann S.217]). Die Entkopplung von realen Lebensprozessen führt offensichtlich zu einer ‚Sinnentleerung‘ dergestalt, dass die Basen ihre ‚Bedeutung‘ verlieren und damit ihre ‚Notwendigkeit‘! Das vereinfachte Endprodukt bekam den Namen ‚Spiegelmanns Monster‘. (123-127) Genau gegenläufig war ein Experiment von Manfred Eigen und Peter Schuster (1967), die mit RNA-Bausteinen begannen und herausfanden, dass diese sich ‚aus sich heraus‘ zu immer komplexeren Einheiten zusammenfügten, sich reproduzierten, und den ‚Monstern von Spiegelmann‘ ähnelten. (127f) Allerdings benutze Eigen und Schuster für ihre Experimente spezialisierte Enzyme, die aus einer Zelle gewonnen waren. Die Existenz solcher Enzyme in der frühen Zeit der Entstehung gilt aber nicht als gesichert. (128f) Überlegungen zu möglichen Szenarien der frühen Koevolution von RNA-Molekülen und Proteinen gibt es, aber keine wirklichen ‚Beweise‘. (129f) Alle bisherigen Experimente haben nur gezeigt, dass die Synthese längerer RNA-Moleküle ohne spezielle Unterstützung zu fragil ist; sie funktioniert nicht. Dazu gehört auch das Detail der Chiralität: bei ‚freier‘ Erzeugung zeigen die Moleküle sowohl Links- als auch Rechtshändigkeit; die biologischen Moleküle sind aber alle linkshändig. (130f) Stammbaumanalysen zeigen ferner, dass RNA-Replikation eine spätere Entwicklung ist; die frühesten Vorläufer hatten sie so nicht. (131f) Ferner ist völlig unklar, wie sich frühere Replikatoren entwickeln konnten. (132)

  2. Aufgrund dieser Schwierigkeiten gibt es alternative Versuche, anzunehmen, dass vielleicht die Proteine zuerst da waren. Rheza Ghadiri entdeckte, dass sich Peptidketten selbst vermehren können, was auch am Beispiel der Rinderseuche BSE bestätigt wurde (133). Freeman Dyson nahm an, dass die Proteine und die replikationsfähigen Moleküle sich parallel entwickelt haben und dann erst fusionierten.(133f) Die zentrale Annahme bei Dyson ist, dass Moleküle die Produktion und Veränderung anderer Moleküle bewirken können. Damit können dann ‚Ordnungen‘ dergestalt entstehen, dass sich präferierte chemische Zyklen bilden, die verklumpen, anschwellen und sich spalten. Schon auf dieser Ebene sollte begrenzter ‚Wettbewerb‘ möglich sein, der zu einer begrenzten ‚Evolution‘ führt. (134) Solche Prozesse könnten dann von von Nukleinsäuren durchdrungen werden, die sich diese Prozesse zunutze machen. (134f) Als möglicher Ort für solche Prozesse könnte der Boden der Ozeane fungieren. Russell entwickelte ein Modell von semipermeablen- Membranen, die sich dort bilden können. (135f) Cairns-Smith generalisierte die Idee der Informationsspeicherung und entwickelte die Hypothese, dass zu Beginn Tonkristalle die Funktion von RNA und DNA gespielt haben könnten. Allerdings gibt es bislang keine experimentelle Bestätigung hierfür. (136f)

  3. Alle diese Überlegungen liefern bislang keine vollständig überzeugenden Lösungen. Klar ist nur, dass die biologische Evolution Vorläuferprozesse haben musste, denen ein Minimum an Komplexität zukommt und zwar eine ‚organisierte Komplexität‘. (137f) Unter dem Titel ‚Selbstorganisation‘ fand Prigogine Beispiele, wie sich durch Zufluss freier Energie geordnete Strukturen aus einer ‚chaotischen‘ Situation heraus bilden konnten.(138f) Kaufmann entwickelte die Idee ‚autokatalytischer‘ Prozesse, in denen ein Molekül M auf andere Moleküle als Katalysator so wirkt, dass sie Prozesse eingehen, die letztlich zur Produktion von M führen. Dies verstärkt diese Prozesse immer mehr. (139f) Allerdings fehlen auch für diese Hypothesen empirische und experimentelle Belege. (140f) Davies weist auch darauf hin, dass selbstorganisierende Prozesse in allen wesentlichen Eigenschaften von den Umgebungsbedingungen bestimmt werden; biologische Reproduktion ist aber wesentlich ‚intrinsisch‘ bestimmt durch die Informationen der DNA/ RNA-Moleküle. Alle die Modelle zur Selbstorganisation liefern keine wirklichen Hinweise, wie es zu den selbstbestimmten Formen der Reproduktion kommen konnte, zur Herausbildung der Software [zur Dekodierung?]. (141) Dabei erinnert Davies nochmals an den Aspekt der ’nicht-zufälligen‘ Ordnung, d.h. alle jene Muster, die regelmäßige Anteile enthalten (wie in den Beispielen von Autokatalyse und Selbstorganisation), sind nicht die Formen von zufälliger Informationsspeicherung, wie man sie im Falle von DNA bzw. RNA-Molekülen findet.(142)

  4. [Anmerkung: So gibt es bislang also Einsichten in das Prinzip der biologischen Selbstreproduktion, aber überzeugende Hinweise auf chemische Prozesse, wie es zur Ausbildung solcher komplexer Prozesse komme konnte, fehlen noch. ]

  5. Im Kapitel 6 ‚The Cosmic Connection‘ (SS.143 – 162) wird aufgezeigt, dass die irdische Chemie nicht losgelöst ist von der allgemeinen Chemie des Universums. Fünf chemische Elemente spielen in der erdgebundenen Biologie eine zentrale Rolle: Kohlenstoff (‚carbon‘), Sauerstoff (‚oxygen‘), Wasserstoff (‚hydrogen‘), Stickstoff (’nitrogen‘), und Phosphor (‚phosphorus‘). Dies sind zugleich die häufigsten Elemente im ganzen Universum. (143) Kohlenstoff hat die außerordentliche Fähigkeit, praktisch unendlich lange Ketten zu bilden (Nukleinsäuren und Proteine sind Beispiele dafür). (143)

  6. Kohlenstoff entsteht durch die Kernfusion in Sternen von Wasserstoff zu Helium zu Kohlenstoff.(146) Buchstäblich aus der ‚Asche‘ erloschener Sterne konnten sich dann Planeten wie die Erde bilden.(144) Kohlenstoff (‚carbon‘), Sauerstoff (‚oxygen‘), Wasserstoff (‚hydrogen‘) und Stickstoff (’nitrogen‘) werden seit Bestehen der Erde beständig in der Atmosphäre, in der Erdkruste, bei allen Verwesungsprozessen ‚recycled‘. Danach enthält jeder Körper Kohlenstoffatome von anderen Körpern, die 1000 und mehr Jahre älter sind.(146f) Mehr als hundert chemische Verbindungen konnten bislang im Universum nachgewiesen werden, viele davon organischer Natur. (147f) Nach den ersten hundert Millionen Jahren war die Oberfläche der Erde immer noch sehr heiß, die Ozeane viel tiefer, die Atmosphäre drückend (‚crushing‘), intensiver Vulkanismus, der Mond näher, die Gezeiten viel höher, die Erdumdrehung viel schneller, und vor allem andauernde Bombardements aus dem Weltall. (152) Eine ausführlichere Schilderung zeigt die vielfältigen Einwirkungen aus dem Weltall auf die Erde. Generell kann hier allerlei (auch organisches) Material auf die Erde gekommen sein. Allerdings sind die Umstände eines Eindringens und Aufprallens normalerweise eher zerstörerischer Natur was biologische Strukturen betrifft. (153-158) Das heftige Bombardement aus dem Weltall mit den verheerenden Folgen macht es schwer, abzuschätzen, wann Leben wirklich begann. Grundsätzlich ist weder auszuschließen, dass Leben mehrfach erfunden wurde noch, dass es Unterstützung aus dem Weltall bekommen haben kann. Andererseits war der ’sicherste‘ Ort irgendwo in einer Tiefe, die von dem Bombardement kaum bis gar nicht beeinträchtigt wurde. (158-161)

  7. Kapitel 7 ‚Superbugs‘ (163-186). Die weltweit auftretende Zerstörung von unterirdischen Kanalleitungen aus Metall (später 1920iger) führte zur Entdeckung eines Mikroorganismus, der ausschließlich in einer säuerlichen Umgebung lebt, Schwefel (’sulfur‘) frißt und eine schweflige Säure erzeugt, die sogar Metall zerstören kann.(163f) Man entdeckte mittlerweile viele verschiedene Mikroorganismusarten, die in Extremsituationen leben: stark salzhaltig, sehr kalt, starke radioaktive Strahlung, hoher Druck, extremes Vakuum, hohe Temperaturen. (164f) Diese Mikroorganismen scheinen darüber hinaus sehr alt zu sein. (165) Am erstaunlichsten von allen sind aber die wärmeliebenden Mikroorganismen (‚thermophiles‘, ‚hyperthermophiles‘), die bislang bis zu Temperaturen von 113C^o gefunden wurden. Von den mittlerweile mehr als Tausend entdeckten Arten sind ein großer Teil Archäen, die als die ältesten bekannten Lebensformen gelten. (166f) Noch mehr, diese thermophilen und hyperthermophylen Mikroorganismen sind – wie Pflanzen allgemein – ‚autotroph‘ in dem Sinne, dass sie kein organisches Material für ihre Versorgung voraussetzen, sondern anorganisches Material. Man nennt die unterseeischen Mikroorganismen abgrenzend von den autotrophen ‚Chemotrophs‘, da sie kein Sonnenlicht (also keine Photosynthese) benutzen, sondern einen eigenen Energiegewinnungsprozess entwickelt haben. (167f) Es dauerte etwa von 1920 bis etwa Mitte der 90iger Jahre des 20.Jahrhunderts bis der Verdacht und einzelne Funde sich zu einem Gesamtbild verdichteten, dass Mikroorganismen überall in der Erdoberfläche bis in Tiefen von mehr als 4000 m vorkommen, mit einer Dichte von bis zu 10 Mio Mikroorganismen pro Gramm, und einer Artenvielfalt von mittlerweile mehreren Tausend. (168-171) Bohrungen in den Meeresgrund erbrachten weitere Evidenz dass auch 750m unter dem Meeresboden überall Mikroorganismen zu finden sind (zwischen 1 Mrd pro cm^3 bis zu 10 Mio). Es spricht nichts dagegen, dass Mikroorganismen bis zu 7km unter dem Meeresboden leben können. (171-173) All diese Erkenntnisse unterstützen die Hypothese, dass die ersten Lebensformen eher unterseeisch und unterirdisch entstanden sind, geschützt vor der Unwirtlichkeit kosmischer Einschläge, ultravioletter Strahlung und Vulkanausbrüchen. Außerdem waren alle notwendigen Elemente wie z.B. Wasserstoff, Methan, Ammoniak, Wasserstoff-Sulfid im Überfluss vorhanden. (173f) Untersuchungen zur Energiebilanz zeigen, dass in der Umgebung von heißen unterirdischen Quellen speziell im Bereich 100-150 C^o sehr günstig ist.(174f) Zusätzlich deuten genetische Untersuchungen zur Abstammung darauf hin, dass gerade die Archäen-Mikroorganismen zu den ältesten bekannten Lebensformen gehören, die sich z.T. nur sehr wenig entwickelt haben. Nach all dem wären es dann diese hyperthermophilen Mikroorganismen , die den Ursprung aller biologischen Lebensformen markieren. Immer mehr Entdeckungen zeigen eine wachsende Vielfalt von Mikroorganismen die ohne Licht, in großer Tiefe, bei hohen Temperaturen anorganische Materialien in Biomasse umformen. (175-183)

  8. Wie Leben wirklich begann lässt sich bislang trotz all dieser Erkenntnisse nicht wirklich klären. Alle bisherigen Fakten sprechen für den Beginn mit den Archäen, die sich horizontal in den Ozeanen und in der Erdkruste in einem Temperaturbereich nicht höher als etwa 120 C^o (oder höher?) ausbreiten konnten. Irgendwann muss es dann einen Entwicklungssprung in die Richtung Photosynthese gegeben haben, der ein Leben an der Oberfläche ermöglichte. (183-186)

  9. Kap.8 ‚Mars: Red and Dead‘ (SS.187-220). Diskussion, ob es Leben auf dem Mars gab bzw. noch gibt. Gehe weiter darauf nicht ein, da es für die Diskussion zur Struktur und Entstehung des Lebens keinen wesentlichen Beitrag liefert.

  10. Kap.9 ‚Panspermia‘ (SS.221-243). Diskussion, inwieweit das Leben irgendwo im Weltall entstanden sein kann und von dort das Leben auf die Erde kam. Aber auch hier gilt, neben der Unwahrscheinlichkeit einer solchen Lösung würde es die Grundsatzfragen nicht lösen. (siehe auch Davies S.243))

  11. Kap.10 ‚A Bio-Friendly Universe‘ (SS.245-273). Angesichts der ungeheuren molekularen Komplexität , deren Zusammenspiel und deren Koevolution steht die Annahme einer rein zufälligen Entwicklung relativ schwach da. Die Annahme, dass die Komplexität durch die impliziten Gesetzmäßigkeiten aller beteiligten Bestandteile ‚unterstützt‘ wird, würde zwar ‚helfen‘, es bleibt aber die Frage, wie. (245-47) Eine andere Erklärungsstrategie‘, nimmt an, dass das Universum ewig ist und dass daher Leben und Intelligenz schon immer da war. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen widersprechen den bekannten Fakten und erklären letztlich nichts. Davies plädiert daher für die Option, dass das Leben begonnen hat, möglicherweise an mehreren Orten zugleich. (247-250)
  12. Im Gegensatz zu Monod und den meisten Biologen, die nur reinen Zufall als Entstehungsform annehmen, gibt es mehrere Vertreter, die Elemente jenseits des Zufalls annehmen, die in der Naturgesetzen verankert sind. Diese wirken sich als ‚Präferenzen‘ aus bei der Bildung von komplexeren Strukturen. (250-254) Dem hält Davies aber entgegen, dass die normalen Naturgesetze sehr einfach sind, schematisch, nicht zufällig, wohingegen die Kodierung des Lebens und seiner Strukturen sich gerade von den chemischen Notwendigkeiten befreit haben, sich nicht über ihre materiellen Bestandteile definieren, sondern über eine frei (zufällig) sich konfigurierende Software. Der Rückzug auf die Präferenzen ist dann möglicherweise kein genügender Erklärungsgrund. Davies hält die Annahme eines ‚Kodes im Kode‘ für nicht plausibel. (254-257) Wie aber lässt sich das Problem der biologischen Information lösen? (257f) Grundsätzlich meint Davies, dass vieles dafür spricht, dass man ein ‚Gesetz der Information‘ als genuine Eigenschaft der Materie annehmen muss. (258f) Davies nennt dann verschiedene Theorieansätze zum möglichen Weiterdenken, ohne die gedanklichen Linien voll auszuziehen. Er erinnert nochmals an die Komplexitätstheorie mit ihrem logischen Charakter, erinnert an die Quantenstruktur der Materie, die Dualität von Welle (Information? Software?) und Teilchen (Hardware?) und ‚Quasikristalle‘, die auf den ersten Blick periodisch wirken, aber bei näherer Analyse aperiodisch sind. (259-263)
  13. Eine andere Frage ist die, ob man in der Evolution irgendeine Art von Fortschritt erkennen kann. Das Hauptproblem ist, wie man Fortschritt definieren kann, ohne sich in Vorurteilen zu verfangen. Vielfach wird der Begriff der Komplexität bemüht, um einen Anstieg an Komplexität zu konstatieren. Stephen J.Gould sieht solche Annahmen eines Anstiegs der Komplexität sehr kritisch. Für Christian de Duve hingegen erscheint ein Anstieg von Komplexität klar. (264-270)
  14. In den Schlussbemerkungen stellt Davies nochmals die beiden großen Interpretationsalternativen gegenüber: einmal die Annahme einer Zunahme der Komplexität am Beispiel von Gehirnen und daran sich knüpfenden Eigenschaften aufgrund von impliziten Präferenzen oder demgegenüber die Beschränkung auf reinen Zufall. Im letzteren Fall ist das Auftreten komplexer Lebensformen so hochgradig unwahrscheinlich, dass eine Wiederholung ähnlicher Lebensformen an einem anderen Ort ausgeschlossen erscheint. (270-273)
  15. [Anmerkung: Am Ende der Lektüre des Buches von Davies muss ich sagen, dass Davies hier ein Buch geschrieben hat, das auch ca. 13 Jahre später immer noch eine Aussagekraft hat, die die gewaltig ist. Im Detail der Biochemie und der Diskussion der chemischen Evolution mag sich das eine oder andere mittlerweile weiter entwickelt haben (z.B. ist die Diskussion zum Stammbaum fortgeschritten in einer Weise, dass weder die absolute Datierung noch zweifelsfrei ist noch die genauen Abhängigkeiten aufgrund von Genaustausch zwischen den Arten (vgl. Rauchfuß (326-337)]), doch zeigt Davies Querbeziehungen zwischen vielen Bereichen auf und bringt fundamentale Konzepte zum Einsatz (Information, Selbstorganisation, Autokatalyse, Komplexitätstheorie, Quantentheorie, Thermodynamik, algorithmische Berechenbarkeit ….), die in dieser Dichte und reflektierenden Einbringung sehr selten sind. Sein sehr kritischer Umgang mit allen möglichen Interpretationen ermöglicht Denkansätze, stellt aber auch genügend ‚Warnzeichen‘ auf, um nicht in vorschnelle Interpretationssackgassen zu enden. Eine weitere Diskussion des Phänomen Lebens kann an diesem Buch schwerlich vorbei gehen. Ich habe auch nicht den Eindruck, dass die neueren Ergebnisse die grundsätzlichen Überlegungen von Davies tangieren; mehr noch, ich kann mich des Gefühls nicht erwehren, dass die neuere Diskussion zwar weiter in ‚Details wühlt‘, aber die großen Linien und die grundlegenden theoretischen Modelle nicht wirklich beachten. Dies bedarf weiterer intensiver Lektüre und Diskussion ]
  16. [ Anmerkung: Ich beende hiermit die direkte Darstellung der Position von Davies, allerdings beginnt damit die Reflektion seiner grundlegenden Konzepte erst richtig. Aus meiner Sicht ist es vor allem der Aspekt der ‚logischen Strukturen‘, die sich beim ‚Zusammenwirken‘ einzelner Komponenten in Richtung einer höheren ‚funktionellen Komplexität‘ zeigen, die einer Erklärung bedürfen. Dies ist verknüpft mit dem Phänomen, dass biologische Strukturen solche übergreifenden logischen Strukturen in Form von DNA/ RNA-Molekülen ’speichern‘, deren ‚Inhalt‘ durch Prozesse gesteuert werden, die selbst nicht durch ‚explizite‘ Informationen gesteuert werden, sondern einerseits möglicherweise von ‚impliziten‘ Informationen und jeweiligen ‚Kontexten‘. Dies führt dann zu der Frage, inwieweit Moleküle, Atome, Atombestandteile ‚Informationen‘ ‚implizit‘ kodieren können, die sich in der Interaktion zwischen den Bestandteilen als ‚Präferenzen‘ auswirken. Tatsache ist, dass Atome nicht ’neutral‘ sind, sondern ’spezifisch‘ interagieren, das gleiche gilt für Bestandteile von Atomen bzw. für ‚Teilchen/ Quanten‘. Die bis heute nicht erklärbare, sondern nur konstatierbare Dualität von ‚Welle‘ und ‚Teilchen‘ könnte ein Hinweis darauf sein, dass die Grundstrukturen der Materie noch Eigenschaften enthält, die wir bislang ‚übersehen‘ haben. Es ist das Verdienst von Davies als Physiker, dass er die vielen chemischen, biochemischen und biologischen Details durch diese übergreifenden Kategorien dem Denken in neuer Weise ‚zuführt‘. Die überdimensionierte Spezialisierung des Wissens – in gewisser Weise unausweichlich – ist dennoch zugleich auch die größte Gefahr unseres heutigen Erkenntnisbetriebes. Wir laufen wirklich Gefahr, den berühmten Wald vor lauter Bäumen nicht mehr zu sehen. ]

 

Zitierte Literatur:

 

Mills,D.R.; Peterson, R.L.; Spiegelmann,S.: An Extracellular Darwinian Experiment With A Self-Duplicating Nucleic Acid Molecule, Reprinted from the Proceedings of the National Academy of Sciences, Vol.58, No.1, pp.217-224, July 1997

 

 

Rauchfuß, H.; CHEMISCHE EVOLUTION und der Ursprung des Lebens. Berlin – Heidelberg: Springer, 2005

 

Einen Überblick über alle bisherigen Themen findet sich HIER

 

Ein Video in Youtube, das eine Rede von Pauls Davies dokumentiert, die thematisch zur Buchbesprechung passt und ihn als Person etwas erkennbar macht.

 

Teil 1:
http://www.youtube.com/watch?v=9tB1jppI3fo

Teil 2:
http://www.youtube.com/watch?v=DXXFNnmgcVs

Teil 3:
http://www.youtube.com/watch?v=Ok9APrXfIOU

Teil 4:
http://www.youtube.com/watch?v=vXqqa1_0i7E

Part 5:
http://www.youtube.com/watch?v=QVrRL3u0dF4
Es gibt noch einige andere Videos mit Paul Davies bei Youtube.