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Abiogenese

32 Beiträge, Schlüsselwörter: Abiogenese, Rna-welt-hypothese, Lebensentstehung
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Abiogenese

09.08.2018 um 14:47
@Rao
@Zyklotrop

Lassen wir die Kacke mal links liegen und widmen uns stattdessen mal der Frage, ab wann es sinnvoll ist, von Stoffwechsel und Stoffwechselendprodukten zu sprechen. Dann klären sich einige Missverständnisse vielleicht von selbst.

Stoffwechsel ist zunächst mal nur die Umsetzung von einem Ausgangsstoff mit einem Hilfsstoff zu einem Endprodukt, das dann entweder als Ausgangsstoff für einen weiteren Stoffwechselvorgang zur Verfügung steht oder in dieser Form dann ausgeschieden bzw. an die Umgebung abgegeben wird.

Je nach Reaktionsart können aus mehreren Ausgangsstoffen ein Endprodukt oder aus einem Ausgangsstsoff mehrere Endprodukte hervorgehen. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten eröffnet sich eine Spanne von weiteren Möglichkeiten, bei denen aus mehreren Ausgangsstoffen mehrere Endprodukte hervorgehen.

Stoffwechsel findet also stets in einem abgrenzbaren Gebiet statt, das man als Reaktionsraum bezeichnen kann. In Lebewesen sind diese Reaktionsräume über Membranen voneinander abgegrenzt, um einander ausschließende Reaktionen voneinander abzuschirmen und auf räumliche Distanz zu halten. Vor der Entstehung der Lebewesen müssen diese Reaktionsräume ebenfalls in einem abgegrenzten Raum vorgelegen haben, da sie sich anderenfalls durch den Druck der chemischen Verhältnisse in der Umgebung aufgelöst hätten.

Wichtig ist hierbei, dass der Entropiesatz hier seine richtende Kraft entfaltet. Ein Reaktionsraum stellt für sich genommen bereits einen geordneten Zustand dar, in dem dann die betreffenden Reaktionen entsprechend geordnet ablaufen. Die chemischen Gleichgewichte stellen sich dort so ein, dass der Reaktionsablauf mit einer höheren Wahrscheinlichkeit in eine bestimmte Richtung ablaufen als es in der freien wässrigen Lösung der Fall wäre.

Also muss der Reaktionsraum von dieser Umgebung zumindest zu einem gewissen Grad abgeschirmt sein, damit sich die Reaktionsgleichgewichte nicht in eine Richtung verschieben, die dann die Reaktion unmöglich werden lässt. Das bedeutet, dass die Entropie im Reaktionsraum niedriger ist als die Entropie in der Umgebung. Auf diese Weise haben wir bereits auf dieser elementaren Stufe ein Fließgleichgewicht, wo Ausgangsstoffe in den Reaktionsraum einströmen und Endprodukte ausgeschieden werden.

Der chemische Gleichgewichtszustand wird dadurch nicht erreicht, da die Entropie als Folge des Energiegewinns auf einem niedrigeren Level verbleibt als es der Fall wäre, wenn sich die Bedingungen des Reaktionsraums den Umgebungsbedingungen angleichen würde. Wir haben also hier bereits ein chemisches Nichtgleichgewicht als Resultat eines Stoffwechsel-Fließgleichgewichts, welches sich über den anhaltenden Zustrom von energiereichen Ausgangsstoffen so lange aufrecht erhält wie der Zustrom anhält.

Wegen der noch fehlenden Selbstregulation kann man diesen Zustand aber nicht als lebendig bezeichnen. Es ist analog zur Kerzenflamme, wo Sauerstoff und Paraffin ständig in die Flamme strömen und sich dort im Zuge der Verbrennung zu CO2 und Wasserdampf umsetzen - nur dass hier der Reaktionsraum ein Plasma in einer gasförmigen Umgebung ist. In den ursprünglichen Reaktionsräumen der Abiogenese haben wir bevorzugt mineralische Untergründe, die sich mit einer Vielzahl von Hohlräumen strukturieren.

Wenn wir also von Stoffwechsel sprechen, sprechen wir immer auch von abgegrenzten Reaktionsräumen, in denen sich diese Reaktionen vollziehen. Es ist also nicht sinnvoll, den Stoffwechsel auf einzelne Moleküle zu reduzieren, da wir hier zwar Reaktionsgleichungen aufstellen können, aber nichts darüber aussagen können, woher die Ausgangsstoffe kommen und wohin die Endprodukte gelangen. Wir müssen hier die Umgebung mit einbeziehen, um sinnvoll von Stoffwechsel zu sprechen.
Rao schrieb:Das beginnende Leben, RNA oder was sonst, hat sich aus der Ursuppe das herausgepickt, was brauchbar war, was sich chemisch binden ließ für die eigene Vermehrung, und dabei blieb zwangsläufig viel übrig, was ungenießbar war, dieses Zeug sammelte sich im Lauf der Zeit ringsum an, hat zweifellos häufig die laufenden Prozesse abgewürgt und damit das Proto-Leben gleich mit, aber in manchen Fällen hat sich so eine Schutzhülle aus Abfall vielleicht auch als nützlich erwiesen, die RNA (oder was es sonst war) lebte in ihrem Müll-Tönnchen wie Diogenes, guckte nur vorne heraus wie so ein Einsiedlerkrebs und hat sich an diesem Ende weitervermehrt, während der Rest von ihr gut geschützt im eigenen Dreck lag.
Jetzt zu diesem etwas lang geratenen Satz, in dem sehr viel miteinander vermengt wird, was eigentlich getrennt voneinander zu erörtern ist. "Das beginnende Leben" wäre hier also als Stoffwechselsystem zu bezeichnen, wo ein oder mehrere Reaktionsräume miteinander über verschiedene Reaktionen und Zwischenprodukte gekoppelt sind und ein zusammengehöriges Ganzes bilden.

"RNA oder was sonst" ist ein Molekül bzw. eine Ansammlung von Molekülen, die - wenn man sie isoliert betrachtet - keinen Stoffwechsel vollziehen, sondern allenfalls in ein Stoffwechselsystem eingebunden sind, wo sie dann ihren Beitrag leisten, wenn aus Ausgangsstoffen Endprodukte werden. Und Moleküle können sich nichts "herauspicken", sondern sie reagieren entweder mt einem einströmenden Ausgangsstoff oder sie reagieren nicht damit.

"was brauchbar war" kann immer nur das gewesen sein, was sich im Stoffwechsel umsetzen ließ. Die Brauchbarkeit entscheidet sich immer erst hinterher, wenn sich erweist, dass das Stoffwechselsystem nach wie vor funktionsfähig ist und nicht kollabiert ist. Von Vermehrung oder gar Fortpflanzung kann auf diesem elementaren Level der Entwicklung noch gar keine Rede sein. Hier war erst mal vordringlich, dass das System überhaupt erst einmal erhalten blieb.

Wenn also einströmende Stoffe im System den Stoffwechsel beeinflussen, entstehen Endprodukte, die entweder verwertbar sind (dann sind es Zwischenprodukte) oder nicht verwertbar sind. Im letzten Fall werden diese Endprodukte entweder ausgeschieden oder sie reichern sich im System an. Wenn sie sich anreichern, kann das entweder die Ränder des Systems verstopfen, so dass das System wegen des unterbleibenden Nachstroms an Ausgangsstoffen kollabiert.

Oder aber die sich anreichernden Stoffe wirken giftig, weil sie die Reaktionen, die das System im Bestand erhalten, blockieren oder Nebenreaktionen auslösen, die den Energiehaushalt an sich binden (und damit den fundamentalen Reaktionen die Energie entziehen). In jedem Falle betrafen die Folgen des Stoffwechsels das System als Ganzes und nicht nur einzelne Moleküle. Man kann also nicht sagen, dass die RNA wie "Diogenes in seinem Tönnchen" still und leise vor sich hin lebte, während der Rest gar nicht davon betroffen war.

Wenn also RNA damit begonnen haben sollte, sich selbst zu replizieren, dann geschah das im Kontext mit dem Stoffwechselsystem, in dem sie sich befand und aus dem sie schlussendlich überhaupt erst hervorgegangen war. Und wenn die Selbstreplikation der RNA sich darin erschöpft haben sollte, lediglich eine einzige Molekülart mit einer einzigen besonderen Basensequenz beliebig oft zu vervielfältigen, dann braucht diese Art von Replikation den Rohstoff (also die frei verfügbaren Nucleotide) für alle anderen RNA-Moleküle auf, die als Ribozym im Stoffwechselsystem fundamentale Aufgaben zu erfüllen hätte. So kann es also nicht abgelaufen sein.

Vielleicht erst mal bis dahin.


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Abiogenese

09.08.2018 um 15:04
@Biolehrer
Erst einmal Danke für die Ausarbeitung.
Schwere Kost. :)
Krieg ich jetzt neben der Arbeit nicht verpackt.
In Richtung Reaktionsraum wollte ich ja mit meiner "Vorzelle" eigentlich auch. Nun schreibst du von einer Durchlässigkeit des Reaktionsraumes um für Nachschub von Produkten zu sorgen, die für den anhängigen Stoffwechselprozess benötigt werden.
Das leuchtet ein.
Dann müsste sich aber eigentlich wieder ein Gleichgewicht Reaktionsraum <-> Ursuppe einstellen, was die Vorteile für die Aufrechterhaltung des Stoffwechselprozesses wieder zunicht machen würde.
Oder gehst du von einer Semipermeabilität des Reaktionsraumes aus?


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Abiogenese

09.08.2018 um 15:06
Zyklotrop schrieb:Oder gehst du von einer Semipermeabilität des Reaktionsraumes aus?
Ja. Die Abgrenzung muss semipermeabel sein, damit sich ein Konzentrationsgefälle mit der Umgebung einstellt.


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Abiogenese

10.08.2018 um 06:04
Hm, ich denke, oder ich komm einfach nicht hinterher, das so Betrachtet auch Kristalle, Feuer und einige Steine Lebewesen sind.
Computerprogramme dann sowieso. Nicht daß mir das Missfallen würde, macht Leben dann aber relativ Beliebig.
Eine für mich mal sehr Einleuchtende Definition von Leben war mal, daß vorhanden sein von Wille.
Und Dieser wird dann über asymmetrischen Verhalten definiert.
Gehe ich bei Gelegenheit mal näher drauf ein.
Gruß
Mailo


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Abiogenese

10.08.2018 um 10:30
Mailo schrieb:Hm, ich denke, oder ich komm einfach nicht hinterher, das so Betrachtet auch Kristalle, Feuer und einige Steine Lebewesen sind.
Die grenze zwischen belebter und unbelebter Natur sind nicht immer leicht zu definieren. Was mir hier fehlt ist der Aufbau Stoffwechsel.

"Alle Lebewesen (Pflanzen, Tiere, Pilze, Protisten, Bakterien und Archaeen) sind aus Zellen oder Synzytien (mehrkernigen Zellverschmelzungen, z. B. Ciliaten und viele Pilze) aufgebaut. Sowohl die einzelne Zelle als auch die Gesamtheit der Zellen (eines mehrzelligen Organismus) sind strukturiert und kompartimentiert, das heißt, sie bilden ein komplex aufgebautes System voneinander abgegrenzter Reaktionsräume. Sie sind untereinander und zur Außenwelt hin durch Biomembranen abgetrennt."

wiki noch mal zu Biomembranen als begrenzung.


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Abiogenese

10.08.2018 um 14:02
Besonderes Beispiel: Viren. Für sich betrachtet, fallen sie heute nicht mehr unter die Definition Lebewesen, sie sind sowas wie vermehrungsfähige Überreste früherer Lebewesen, denn alles was für ihre Art der Vermehrung nicht unbedingt nötig war, ging im Lauf ihrer Entwicklung verloren. Sowas wie einen Stoffwechsel haben Viren nicht, das besorgen die Zellen, die sie befallen, für sie.


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Abiogenese

10.08.2018 um 14:18
Mailo schrieb:das so Betrachtet auch Kristalle, Feuer und einige Steine Lebewesen sind.
Nein. Kristalle haben zwar einen geordneten Aufbau, den sie dann auch reproduzieren, wenn Bruchstücke herausgebrochen worden sind, aber dies geschieht nicht über aktive Prozesse, die der Kristall selbst ausführt, sondern geschieht passiv, wenn sich in die Lücken des Kristallgitters spontan neue Elementarkristalle einlagern (schönes Beispiel: Alaunkristalle züchten). Wenn das Kristallwachstum abgeschlossen ist, passiert dann auch nichts mehr. Der Stoffwechsel fehlt hierbei völlig.

Feuer hat zwar einen Stoffwechsel, aber keinen geordneten Aufbau, der reproduziert wird. Hier haben wir lediglich eine Ansammlung von Plasma als Begleitphänomen von oxydierenden Prozessen.

Inwiefern Steine nun lebendig sein sollten, erschließt sich mir nicht. Steine sind Mineraliengemische, die weder Stoffwechsel noch eine geordnet ablaufende Reproduktion aufweisen. Insofern passt das Beispiel hier nicht ganz.
Mailo schrieb:Computerprogramme dann sowieso.
Nein. Computerprogramme können allein überhaupt nichts. Da fließen im Computer zwar Elektronen auf ganz bestimmte Art und Weise durch die Leiterbahnen und bewirken auf dem Monitor bestimmte Farb- und Formeffekte, aber da passiert nichts, was man als lebendig bezeichnen kann. Kein Stoffwechsel, keine Selbstregulation, keine Interaktion mit der Umgebung, um den eigenen Zustand als Fließgleichgewicht zu stabilisieren - kurz: nichts, was man als lebendes System bezeichnen könnte.
Mailo schrieb:sehr Einleuchtende Definition von Leben war mal, daß vorhanden sein von Wille.
Nur das Wille eben etwas mit Gefühlen, Wahrnehmungen und Gedanken zu tun hat und somit hinsichtlich des Organisationsniveaus auf einem ganz anderen Level angesiedelt ist als das, was bei der Abiogenese relevant ist. Und Wille ohne Gehirn halte ich für einen Mythos und nicht für eine Basis, auf der wir hier weiterdiskutieren könnten. Von daher bitte ich Dich, dass Du Dich mit solchen etwas phantasievoll gehaltenen Statements dann doch eher zurückhältst, bis Du Dich dazu in die Lage versetzt hast, hier "hinterher zu kommen".
Mailo schrieb:Gehe ich bei Gelegenheit mal näher drauf ein.
Aber bitte nur dann, wenn es auch hier zum Thema passt. Anderenfalls lieber an anderer Stelle. Danke. :)


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Abiogenese

10.08.2018 um 14:29
Rao schrieb:Besonderes Beispiel: Viren.
Ja, die erfüllen nicht die Kriterien, die an Lebewesen gestellt werden, aber dennoch könnten Viren auch in der Abiogenese eine wichtige Rolle gespielt haben. Die frei umherstreunenden RNA-Genome könnten zu einem Austausch von genetischem Material geführt haben, so dass die entstehenden ersten Zellen oder Zellverbundsysteme in ihren genetischen Ausstattungen ähnlicher wurden. Dadurch war es dann leichter, dass sich erste Zellen mit ihren benachbarten Zellen wechselseitig über den sogenannten Horizontalen Gentransfer aufeinander abstimmen konnten, was dann in eine Art Symbiose mündete, die sich wechselseitig stabilisierte.

Ein etwas anspruchsvoller aber dafür recht detaillierter Übersichtsartikel zur "Ancient Virus World" findet sich hier. Darin auch diese schöne Abbildung:

1745-6150-1-29-2


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Abiogenese

12.08.2018 um 14:48
Ein interessanter Blogartikel zum "Stoffwechsel-zuerst"-Ansatz ist hier zu lesen. Ich füge eine Übersetzung bei:

Metabolism First und die Entstehung des Lebens

Es gibt mehrere konkurrierende Hypothesen über den Ursprung des Lebens. Die meisten Menschen kennen das Szenario der Ursuppe; Das ist der Bereich, in dem komplexe organische Moleküle durch spontane chemische Reaktionen entstehen. Im Laufe der Zeit sammeln sich diese komplexen Moleküle wie Aminosäuren und Nukleotide in einem warmen kleinen Teich an und kommen schließlich zu Proteinen und Nukleinsäuren zusammen.

Das RNA-World-Szenario ist ähnlich, außer dass angenommen wird, dass sich Nukleinsäuren (RNA) vor Proteinen bilden. Für eine Weile sind RNA-Moleküle die Hauptkatalysatoren in der Ursuppe. Später übernehmen Proteine ​​einige der katalytischen Rollen. Eines der Probleme mit der RNA-Welt-Hypothese ist, dass Sie eine angemessene Konzentration von Nukleotiden haben müssen, bevor der Prozess beginnen kann.

Die dritte Hypothese heißt "Metabolismus zuerst". In diesem Schema umfassen die ersten Reaktionen die spontane Bildung einfacher Moleküle wie Acetat, einer aus Kohlenstoffdioxid und Wasser gebildeten Verbindung mit zwei Kohlenstoffatomen. Wege, die zur Synthese einfacher organischer Moleküle führen, könnten durch natürliche Katalysatoren wie Mineralien und poröse Oberflächen in Gesteinen gefördert werden. Der Punkt ist, dass der Ursprung des Lebens durch die Ansammlung von sehr einfachen organischen Molekülen in thermodynamisch günstigen Umständen ausgelöst wird.

Einfache organische Moleküle können dann auf verschiedene Arten kombiniert werden, die zu einfachen Aminosäuren, Lipiden usw. führen. Diese wiederum könnten als Katalysatoren für die Bildung von mehr organischen Molekülen dienen. Dies ist der Beginn des Stoffwechsels.

Schließlich werden einfache Peptide gebildet, und dies könnte zu besseren Katalysatoren führen. Nucleinsäuren und komplexe Aminosäuren werden sich erst gegen Ende dieses Prozesses bilden.

Einer der Vorteile des "Stoffwechsel-zuerst"-Ansatzes ist, dass er eine einfache "Lösung" für das Chiralitäts- / Racemisierungsproblem bietet, indem erklärt wird, warum alle natürlich vorkommenden Aminosäuren linkshändig sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine spontane Bildung von Nukleotiden erforderlich ist - eine große Einschränkung des RNA-Welt-Szenarios, da die spontane Bildung solcher Moleküle sehr unwahrscheinlich ist.

James Trefil, Harold Morowitz und Eric Smith haben eine sehr schöne Zusammenfassung der "Metabolism First-Hypothese" für den "American Scientist" geschrieben: Der Ursprung des Lebens. Der Untertitel "Ein Fall ist für den Abstieg von Elektronen gemacht" ist ein geschicktes Wortspiel. Es illustriert den Punkt, dass die Synthese einfacher organischer Moleküle wie Acetat thermodynamisch günstig ist. Das ist Wissenschaftsschreibung von ihrer besten Seite.

Die Autoren haben die einfachsten, grundlegendsten biochemischen Wege rekonstruiert, die zeigen, dass ein reduzierender Zitronensäurezyklus wahrscheinlich das beste Beispiel für den ersten Stoffwechselweg ist. In diesem Weg wird das Zwei-Kohlenstoff-Acetat-Molekül aus Kohlendioxid und Wasser in umgekehrter Richtung des üblichen Zitronensäureweges hergestellt, der in Eukaryoten gefunden wird.

Tatsächlich tritt der reduktive Weg in vielen Bakterien auf. Sie können ihn immer noch verwenden, um Kohlenstoff zu fixieren. ...

Fast alle gängigen Lebensmoleküle werden aus Acetat oder den Molekülen des Zitronensäurezyklus synthetisiert. Die einfachen Aminosäuren werden beispielsweise in einem Schritt gebildet. Komplexere Aminosäuren werden von den einfachen Aminosäuren etc. abgeleitet. Gleichermaßen können einfache Fettsäuren aus Acetat gebildet werden und komplexere kommen später, sobald die einfachen sich ansammeln.

Die zentrale Rolle des Zitronensäurezyklus-Stoffwechsels in der Biochemie ist seit Jahrzehnten bekannt. Die Beteiligung an Biosynthesewegen wird in einleitenden Biochemie-Kursen oft ignoriert, da sie sich stark auf den Brennstoffmetabolismus bei Säugetieren konzentrieren und biosynthetische Wege in solchen Kursen kurz kommen.

Das Wesen des "Stoffwechsel-zuerst"-Ansatzes ist, dass die verschiedenen komplexen Moleküle des Lebens nach der spontanen Bildung von sehr einfachen Molekülen erschienen. Die Wege, die zu den komplexen Molekülen führten, wurden entwickelt und ihre Entwicklung wurde durch die Entwicklung verschiedener Katalysatoren unterstützt, von denen einige von ihrer Natur her (später) biologisch waren.


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Abiogenese

12.08.2018 um 15:01
Hier ist noch eine Foliensammlung zu den verschiedenen Ansätzen sowie zu möglichen Entstehungsorten der Abiogenese. Eine detailliertere Erklärung zu den Folien füge ich später noch bei.


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Abiogenese

12.08.2018 um 15:13
Ein Artikel aus dem Jahr 2000 von Robert Shapiro beinhaltet, dass am Beginn des Lebens kein Replikator eine Rolle gespielt haben kann. Im Abstract dieses Artikel steht:

"Viele wissenschaftliche Theorien über den Ursprung des Lebens legen nahe, dass das Leben mit der spontanen Bildung eines Replikators (eines selbst kopierenden organischen Polymers) innerhalb einer unorganisierten chemischen Mischung oder "Suppe" begann. Eine große Schwierigkeit besteht jedoch in der Idee der RNA oder eines anderen Replikators zu Beginn des Lebens.

Existierende Replikatoren können als Matrizen für die Synthese zusätzlicher Kopien von ihnen selbst dienen, aber diese Vorrichtung kann nicht für die Herstellung des allerersten derartigen Moleküls verwendet werden, das spontan aus einer unorganisierten Mischung entstehen muss. Die Bildung eines informationstragenden Homopolymers durch ungerichtete chemische Synthese erscheint sehr unwahrscheinlich.

Die Schwierigkeiten, die bei einer solchen Synthese auftreten, werden veranschaulicht, indem die Aussichten für den Aufbau eines Polypeptids von L-alpha-Aminosäuren, basierend auf den Gehalten des Murchison-Meteoriten, als ein Beispiel einer Mischung abiotischen Ursprungs betrachtet werden.

In dieser Mischung würden potentielle Replikatorkomponenten von einer Vielzahl von störenden Substanzen begleitet sein, die Kettenterminatoren (einfache Carbonsäuren und Amine), Verzweigungsbildner, D-Aminosäuren und viele Klassen von Substanzen einschließen, deren Einarbeitung die notwendige strukturelle Regelmäßigkeit des Replikators zerstören würde.

Laborexperimente zur nichtenzymatischen Synthese von Biopolymeren haben das Spezifitätsproblem nicht gelöst. Die Möglichkeit, dass die Bildung des ersten Replikators durch ein sehr unwahrscheinliches Ereignis erfolgte, kann nicht ausgeschlossen werden, aber man sollte den "Metabolismus-zuerst"-Theorien, die diese Schwierigkeit vermeiden, größere Aufmerksamkeit schenken."

Der vollständige Artkel kann hier gelesen werden.


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Abiogenese

05.01.2019 um 15:56
So wird also immer wieder einmal behauptet, so etwas Komplexes wie ein Lebewesen könne doch gar nicht ohne intelligente Mithilfe aus den natürlichen Grundlagen heraus entstehen. Gerade aktuell mal wieder im Evolutions-Thread, wo von einem "Uhrwerk" die Rede ist, was angeblich erschaffen werden müsse. Das Argument ist als Paleys Uhrenargument bekannt und wurde Anfang des 19. Jahrhunderts vorgebracht.

Lebewesen sind ja tatsächlich reichlich komplexe Dinge, die auf einem komplexen Zusammenwirken vielfältiger chemischer und mechanischer Prozesse beruhen, die sich durch das Vorhandensein komplexer Makromoleküle ergeben. Da kann man durchaus schon mal ins Staunen kommen und sich fragen, wie das denn ursprünglich entstanden ist. Grundsätzlich teilt man die Abiogenese in drei grobe Abschnitte ein:

1. Entstehung und Anreicherung von kleineren chemischen Bausteinen für Makromoleküle (insbesondere Aminosäuren als Grundbausteine für spätere Proteine sowie Nucleotide für spätere Nucleinsäuren).

2. Entstehung und Anreicherung von Makromolekülen durch Verkettung der bei Abschnitt 1. entstandenen Grundbausteine (insbesondere Peptide aus Aminosäuren sowie RNA aus Nucleotiden).

3. Entstehung und Stabilisierung von Wechselwirkungen zwischen Makromolekülen, zwischen Makromolekülen und kleineren Molekülen und dem Aufbau von größeren Strukturen, die als Vorläufer der späteren Zellen sich selbst als Ganzes stabilisieren.

Auf dieser Grundlage besteht dann die Möglichkeit, dass sich Makromoleküle in ihrem Zusammenwirken so aufeinander abgleichen, dass Proteine mit Hilfe von RNA in ihren Sequenzen (Abfolge der Aminosäuren) weitgehend identisch reproduziert werden und ein genetischer Code entsteht, der eine Entsprechung zwischen RNA-Basentripletts und Aminosäuren darstellt (und daher genau genommen KEIN Code ist!).

Wenn man es etwas detaillierter haben möchte, kann man sich diese Abfolge anschauen:

Die Entstehung des Lebens verlief in mehreren Etappen, von denen die wichtigsten folgende waren:

1. Bildung und Anreicherung von Monomeren.

2. Bildung und Anreicherung von Polymeren.

3. Bildung und sukzessive Komplexitätszunahme von Reaktionsnetzwerken.

4. Bildung und Reproduktion von Kompartimenten.

5. Kopplung von Reaktionsnetzwerken und Kompartiment-Reproduktion über molekulare Replikatoren.

6. Reproduktion von Funktionsmolekülen für das Reaktionsnetzwerk mit Hilfe der molekularen Replikatoren.

7. Reproduktion des Gesamtkompartiments - einschließlich des darin befindlichen Reaktionsnetzwerks - nach Art eines koordinierten Teilungsprozesses.

Über die ersten vier Etappen sind wir im Großen und Ganzen recht gut im Bilde. Monomere (also z.B. Aminosäuren und RNA-Basen) entstehen relativ unkompliziert aus CH4, NH3, H2O und H2S unter Energiezufuhr in der Atmosphäre sowie in hydrothermalen Schloten. Die frühe Atmosphäre war zwar nicht so stark reduzierend wie von Miller und Urey angenommen, aber in der Nähe vulkanischer Ausgasungen waren lokal auch Anreicherungen von reduzierenden Gasen möglich - u.a. in geothermalen Feldern, aber auch in untermeerischen Schloten.

Polymere bedürfen der Abführung von Reaktionswasser und dürften daher bevorzugt in Regionen abgelaufen sein, wo zeitweilig das Land trocken fiel. Aber auch reaktive Thioester in den hydrothermalen Schloten waren zur Wasserbindung in der Lage, so dass auch dort Polymerisationen als Kondensationsreaktionen ablaufen konnten.

Reaktionsnetzwerke entstehen immer dann, wenn eine permanente Energiezufuhr als Durchfluss gesichert ist. Das können Wärmeflüsse sein, aber auch Strahlungseinflüsse, die sich in einer Energiesenke verlieren. Neben der Sonneneinstrahlung, die neben UV-Strahlung auch Wärmestrahlung lieferte, waren es insbesondere vulkanische Aktivitäten, die Energie lieferten, aber auch radioaktive Zerfälle lieferten Energie, die angezapft werden konnte, um chemische Nichtgleichgewichtssysteme aufzubauen, welche sich im Schutz von Sedimenten und Gezeitenwechseln mit Hilfe von Gradienten sukzessive zu größerer Komplexität entwickeln konnten.

Kompartimente in Gestalt von kleinen Bläschen entstanden spontan aus Proteinoiden - also auf trockenem Untergrund angetrockneten Aminosäuremischungen, die danach wieder ins Wasser gelangten - oder aus Lipiden, die als Film auf der Wasseroberfläche trieben und sich bei Wellenschlag spontan zu Membranstrukturen anordneten, die dann auch teilungsprozesse durchliefen, sobald sie eine bestimmte Größe überschritten hatten. Nehmen wir an, dass sich erste Stoffwechselsysteme auf einem Gesteinsuntergrund entwickelten (was für das Zustandekommen der Chiralität der verwendeten Monomere von Bedeutung gewesen sein könnte!), dann könnten auch hier Lipidvesikel dazu beigetragen haben, dass die Stoffwechselkomponenten vor zu rascher Auflösung durch heranströmendes Wasser geschützt waren, indem sie sich als Film auf den Gesteinsuntergrund auflagerten.

Bis hierhin gibt es also keine größeren Schwierigkeiten, sich das Zustandekommen der ersten Zellen zu erklären. Ab dann wird es allerdings schwierig. Hier wurden verschiedene Konzepte entwickelt, die man als RNA-Welt und Prä-RNA-Welt zusammenfassen kann. RNA eignet sich als Replikator und als Enzym, so dass sie zwei fundamentale Funktionen von Zellen abdecken kann. Allerdings hat die Sache einen Haken. Zum einen kann sich RNA nicht zu langgestreckten Genomen zusammenlagern, weil sie sich ab einer bestimmten Länge in Sekundär- und Tertiärstrukturen verknäuelt, so dass sie als Genom nach Art der DNA nicht in Frage kommt. Zum anderen kann sich RNA nicht beliebig replizieren ohne RNA mit Replicase-Funktion, die ihrerseits einer Replicase bedarf, um reproduziert zu werden.

Darüber hinaus ist das Spektrum der Enzymfunktionen, die RNA als Ribozym einnehmen kann, nicht besonders breit gefächert. Da es auf eine Kopplung zwischen Stoffwechsel und Kompartiment-Reproduktion ankommt, muss RNA aber ein breites Reaktionsspektrum abdecken, um die benötigten Komponenten, aus denen sich der Stoffwechsel konstituiert, kontinuierlich bereitzustellen.

Daraus ergeben sich zwei Schwachpunkte: Zum einen besteht die Gefahr, dass sich eine RNA-Replicase nur noch selbst repliziert, ohne andere Ribozyme zu replizieren. Dann hätten wir einen regulatorischen Kurzschluss, der nach und nach alle Ressourcen bindet, bis das System kollabiert. Zum anderen stellt die Präsenz der RNA-Chemie in einem Stoffwechselsystem, welches neben RNA noch andere Komponenten enthält, die in das Stoffwechselgeschehen involviert sind (u.a. kurzkettige Peptide, die ihrerseits katalytische Funktionen besetzen können, aber auch Fettsäuren, Glycerol und diverse Saccharide), eine energetische Bürde dar, die das Gesamtsystem eher bremst als beschleunigt.

Auf Dauer würde sich eine RNA-Welt folglich von selbst totlaufen, wenn nicht die Etappe 6 gelingt - also das Finden eines Mechanismus', der die benötigten Funktionsmoleküle - i.e.S. Enzyme - permanent liefert, so dass eine größere Stabilität des Gesamtsystems über längere Zeit hinweg erreicht wird. Die dabei produzierten Moleküle können ihrerseits dazu beitragen, dass der Reproduktionsmechanismus effizienter und zunehmend genauer und weniger störungsanfällig abläuft, so dass gangbare Sequenzen zunehmend besser konserviert werden, was dann wieder rückkoppelt usw. usw. Das wäre dann das, was Eigen und Schuster als Hyperzyklus beschrieben haben, der von selbst zu größerer Komplexität hochwächst, sobald die Fehlerschwelle, die zum Kollaps des Systems führen würde, einmal unterschritten worden ist.

Hier haben wir die "Darwinsche Schwelle", wo das Prinzip Mutation/Selektion erstmalig einsetzt und Sequenzen wechselseitig durch zwei verschiedene Molekülklassen repräsentiert werden. Problematisch ist hierbei, dass wir nicht wissen, wie sich das ursprünglich erstmalig organisiert hat, obwohl es vom Prinzip her klar ist, was da geschehen sein muss. Peptide und Nucleinsäuren (also RNA) beeinflussten sich wechselseitig, aber es war eben nicht abzusehen, dass sie sich in ihrer Reproduktion ebenfalls wechselseitig zu einem System organisieren, welches zugleich organisatorisch mit einem hierarchisch höheren System verwachsen blieb, ohne es durch Verselbstständigung in den Kollaps zu führen. Hier stehen wir also tatsächlich vor einer Schwelle, die experimentell derzeit nicht zu überbrücken ist.

Jenseits dieser Schwelle ist dann die Einbeziehung des Gesamtsystems in die organisierte Reproduktion. Erst nachdem dies gelungen war, konnten sich einzelne Zellen aus dem Gesamtsystem abkoppeln und fortan isoliert evolvieren. Auch das liegt noch jenseits aller Möglichkeiten der experimentellen Modellierung im Labor.

Zum Ablauf dieser sieben Etappen mussten hinreichend lange hinreichend komplexe Rahmenbedingungen gegeben sein, die die allmählich hochwachsenden Systeme mit Energie, mit Rohstoffen und mit periodischen Rhythmen versorgte, so dass Stoff- und Konzentrationsgradienten entstehen konnten, die nach Art eines Durchflussreaktors ein Fließgleichgewicht aufbauten, in welchem dann die beschriebene chemische Evolution stattfinden und in eine biologische Evolution münden konnte.

Derzeit spricht nichts dagegen, dass auf der Urerde solche Bedingungen für mehrere Hundert Millionen Jahre gegeben waren. Älteste Indizien sprechen für das Vorhandensein von Wasser auf der Erdoberfläche bereits vor 4,4 Milliarden Jahre - also etwa 100 Millionen Jahre nach der Mondentstehung.

Das LHB ereignete sich vor etwa 3,9 Milliarden Jahren, so dass bis dahin etwa 500 Millionen Jahre Zeit gewesen wäre, dass Organismen entstanden sind und u.a. thermophile Mikroben hervorgebracht haben, die dann nach dem LHB in Gestalt von LUCA (den man sich nicht als Einzelzelle vorstellen darf!) den Ausgangspunkt für die weitere Evolution gestellt haben. Dieses Szenario würde das relativ schnelle Erscheinen von Organismen nach dem LHB erklären, wenn die Befunde von Isua wirklich auf Organismen zurückzuführen sind (C-12-Anreicherung im Gneis).

Aber auch eine Lebensentstehung nach dem LHB wäre nicht ausgeschlossen, da wie ausgeführt eine RNA-Welt nicht lange hätte überdauern können, wenn sie sich selbst überlassen geblieben wäre. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Etappen 6 und 7 ereignen, ist nicht vorab kalkulierbar, so dass es kein Widerspruch ist, wenn Leben relativ schnell entstanden ist. Ein zu spätes Einsetzen von Etappe 6 hätte in beiden Szenarien dazu geführt, dass die Stoffwechselsysteme kollabiert wären. Und dann wären wir nicht hier ...

Vielleicht reicht das erst mal als Anregung für eine weitere und angeregte Diskussion.


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