Lügen, verdammte Lügen, Statistik und Wahrscheinlichkeit von Abiogenese-Berechnungen

Inhalt

• Einleitung, was an den Berechnungen der Kreationisten "die Abiogenese ist so unwahrscheinlich" falsch ist
• Ein urtümliches protoplasmatisches Globul
• Der Mythos der "Lebenssequenz"
• Münzwurf für Anfänger und Makromolekül-Assembly
• Suchräume, oder wie viele Nadeln im Heuhaufen?
• Fazit
• Literatur
• Links
• Danksagungen

Einführung

Alle paar Jahre taucht jemand mit der Aussage auf: „Die zufällige Bildung eines Enzyms ist nahezu unmöglich, daher ist die Abiogenese unmöglich". Oft zieren sie eine beeindruckend wirkende Berechnung des Astrophysikers Fred Hoyle oder bringen etwas namens „Borels Gesetz" ins Spiel, um zu beweisen, dass das Leben statistisch unmöglich ist. Diese Personen, einschließlich Fred, haben einen oder mehrere der folgenden Fehler begangen.

Probleme mit den kreationistischen „es ist so unwahrscheinlich"-Berechnungen

1) Sie berechnen die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines "modernen" Proteins oder sogar eines vollständigen Bakteriums mit allen "modernen" Proteinen durch Zufallsereignisse. Dies ist nicht die Abiogenese Theorie überhaupt.

2) Sie gehen davon aus, dass eine feste Anzahl von Proteinen mit festen Sequenzen für jedes Protein erforderlich ist, um das Leben zu ermöglichen.

3) Sie berechnen die Wahrscheinlichkeit von sequentiellen Versuchen, anstatt gleichzeitiger Versuche.

4) Sie verstehen nicht, was mit einer Wahrscheinlichkeits**-Berechnung gemeint ist.

5) Sie unterschätzen ernsthaft die Anzahl der funktionalen Enzyme/Ribozyme, die in einer Gruppe zufälliger Sequenzen vorhanden sind.

Ich werde versuchen, die verschiedenen Fehler zu erklären und zeigen, warum es nicht möglich ist, eine Berechnung der "Wahrscheinlichkeit der Abiogenese" auf sinnvolle Weise durchzuführen.

Ein ursprüngliches protoplasmatisches Globul

Die Berechnung ergibt also, dass die Wahrscheinlichkeit, ein gegebenes Protein mit 300 Aminosäuren (z. B. ein Enzym wie Carboxypeptidase) zufällig zu bilden, (1/20)³⁰⁰ oder 1 zu 2,04 x 10³⁹⁰ beträgt, was erschreckend und den Verstand sprengend unwahrscheinlich ist. Dies wird dann noch weiter erhöht, indem die Wahrscheinlichkeiten hinzugefügt werden, etwa 400 ähnliche Enzyme zu erzeugen, bis eine Zahl erreicht wird, die so riesig ist, dass bloßes Nachdenken darüber dazu führt, dass Ihr Gehirn aus den Ohren läuft. Dies erweckt den Eindruck, als sei die Entstehung selbst des kleinsten Organismus völlig unmöglich. Dies ist jedoch völlig falsch.

Zunächst ist die Bildung biologischer Polymere aus Monomeren eine Funktion der Gesetze der Chemie und Biochemie, und diese sind entschieden nicht zufällig.

Zweitens ist die gesamte Grundannahme von vornherein falsch, da in modernen Theorien zur Abiogenese die ersten "lebenden Wesen" viel einfacher gewesen wären, noch nicht einmal Protobakterien oder Vorstufen von Protobakterien (was Oparin als Protobiont [8] und Woese als Progenot [4] bezeichnet), sondern eher eine oder mehrere einfache Moleküle, die wahrscheinlich nicht länger als 30-40 Subeinheiten waren. Diese einfachen Moleküle entwickelten sich dann langsam zu kooperativeren, sich selbst replizierenden Systemen und schließlich zu einfachen Organismen [2, 5, 10, 15, 28]. Eine Abbildung, die einen hypothetischen Protobiont mit einem modernen Bakterium vergleicht, ist unten dargestellt.

Die ersten "lebenden Dinge" könnten eine einzige sich selbst replizierende Molekül gewesen sein, ähnlich dem "selbst-replizierenden" Peptid aus der Ghadiri-Gruppe [7, 17], oder dem sich selbst replizierenden Hexanukleotid [10], oder möglicherweise einer RNA-Polymerase, die auf sich selbst wirkt [12].

Ein anderer Ansatz besagt, dass die ersten sich selbst replizierenden Einheiten Gruppen von Katalysatoren waren, entweder Protein-Enzyme oder RNA-Ribozyme, die sich als katalytischer Zyklus regenerierten [3, 5, 15, 26, 28]. Ein Beispiel hierfür ist der SunY-Drei-Untereinheiten-Selbstreplikator [24]. Diese katalytischen Zyklen könnten in einem kleinen Teich oder Lagunen begrenzt gewesen sein oder als katalytisches Komplex an Ton oder Lipidmaterial auf Ton adsorbiert worden sein. Da es in einer Gruppe von zufälligen Peptiden oder Polynukleotiden viele katalytische Sequenzen gibt (siehe unten), ist es nicht unwahrscheinlich, dass ein kleines katalytisches Komplex entstehen konnte.

Diese beiden Modelle schließen sich nicht gegenseitig aus. Das Ghadiri-Peptid kann Mutationen unterliegen und katalytische Zyklen bilden [9].

Egal, ob die ersten sich selbst replizierenden Einheiten einzelne Moleküle oder Komplexe kleiner Moleküle waren, dieses Modell ist bei weitem nicht Hoyle's "Tornado auf einem Schrottplatz, der eine 747 baut". Um dies noch einmal zu verdeutlichen, folgt hier ein einfacher Vergleich der von Kreationisten kritisierten Theorie mit der tatsächlichen Theorie der Abiogenese.

Beachten Sie, dass die eigentliche Theorie aus einer Reihe kleiner Schritte besteht, und ich habe tatsächlich einige Schritte weggelassen (insbesondere zwischen der Hyperzyklus-Protobiont-Phase), um die Einfachheit zu wahren. Jeder Schritt ist mit einer kleinen Zunahme an Organisation und Komplexität verbunden, und die Chemikalien klettern langsam in Richtung Organismus-Haftigkeit, anstatt einen großen Sprung zu machen [4, 10, 15, 28].

Woher die kreationistische Idee stammt, dass sich moderne Organismen spontan bilden, ist nicht sicher. Die erste moderne Abiogenese-Formulierung, die Oparin/Haldane-Hypothese aus den 20er Jahren, beginnt mit einfachen Proteinen/Proteinoiden, die sich langsam zu Zellen entwickeln. Selbst die Ideen, die in den 1850er Jahren umliefen, waren keine „spontanen" Theorien. Das, wozu ich am nächsten kommen kann, sind Lamarcks ursprüngliche Ideen aus 1803! [8]

Da die Kreationisten eine Theorie kritisieren, die über 150 Jahre veraltet ist und von keinem modernen Evolutionärbiologen vertreten wird, warum weitermachen? Weil es einige fundamentale Probleme in Statistik und Biochemie gibt, die in diesen irrtümlichen „Widerlegungen“ auftauchen.

Das Mythos der "Lebensabfolge"

Ein weiterer oft geäußerter Anspruch ist, dass es eine „Lebenssequenz" aus 400 Proteinen gibt und dass die Aminosäuresequenzen dieser Proteine nicht verändert werden können, damit Organismen leben können.

Dies ist jedoch Unsinn. Die Behauptung von 400 Proteinen scheint aus dem proteinkodierenden Genom von Mycobacterium genitalium zu stammen, das das kleinste Genom hat, das derzeit bei einem modernen Organismus bekannt ist [20]. Eine Inspektion des Genoms deutet jedoch darauf hin, dass dies weiter auf ein minimales Gen-Satz von 256 Proteinen reduziert werden könnte [20]. Beachten Sie erneut, dass dies ein modernes Organismus ist. Der erste Protobiont/Progenote wäre noch kleiner gewesen [4], und wurde von noch einfacheren chemischen Systemen vorausgegangen [3, 10, 11, 15].

Was die Behauptung betrifft, dass die Sequenzen von Proteinen nicht verändert werden können, ist dies erneut Unsinn. In den meisten Proteinen gibt es Bereiche, in denen fast jede Aminosäure ersetzt werden kann, und andere Bereiche, in denen konservative Substitutionen möglich sind (bei denen geladene Aminosäuren gegen andere geladene Aminosäuren, neutrale gegen andere neutrale Aminosäuren und hydrophobe Aminosäuren gegen andere hydrophobe Aminosäuren ausgetauscht werden können). Manche funktionell äquivalente Moleküle können zwischen 30 und 50 % ihrer Aminosäuren unterschiedlich aufweisen. Tatsächlich ist es möglich, strukturell nicht identische bakterielle Proteine durch Hefe-Proteine und Wurm-Proteine durch humane Proteine zu ersetzen, und die Organismen leben dabei völlig glücklich weiter.

Die "Lebensabfolge" ist ein Mythos.

Münzwurf für Anfänger und Makromolekül-Assembly

Also spielen wir das kreationistische Spiel und betrachten die Bildung eines Peptids durch zufällige Addition von Aminosäuren. Dies ist sicherlich nicht der Weg, auf dem Peptide auf der frühen Erde entstanden sind, aber es wird lehrreich sein.

Ich werde als Beispiel das „selbstreplizierende“ Peptid der oben erwähnten Ghadiri-Gruppe verwenden [7]. Ich könnte auch andere Beispiele verwenden, wie den Hexanukleotid-Selbstreplikatoren [10], den SunY-Selbstreplikator [24] oder die RNA-Polymerase, die von der Eckland-Gruppe beschrieben wurde [12], doch für die historische Kontinuität mit kreationistischen Behauptungen ist ein kleines Peptid ideal. Dieses Peptid ist 32 Aminosäuren lang mit der Sequenz RMKQLEEKVYELLSKVACLEYEVARLKKVGE und ist ein Enzym, eine Peptid-Ligase, die eine Kopie von sich selbst aus zwei 16 Aminosäuren langen Subeinheiten herstellt. Es ist auch einer Größe und Zusammensetzung, die sich ideal für eine abiotische Peptidsynthese eignet. Die Tatsache, dass es ein Selbstreplikator ist, ist eine zusätzliche Ironie.

Die Wahrscheinlichkeit, dies in aufeinanderfolgenden zufälligen Versuchen zu erzeugen, beträgt (1/20)³² oder 1 zu 4,29 x 10⁴⁰. Dies ist viel, viel wahrscheinlicher als die 1 zu 2,04 x 10³⁹⁰ des Standard-Szenarios des Kreationismus, „Carboxypeptidase zufällig zu erzeugen", scheint aber immer noch absurd niedrig.

Jedoch gibt es eine andere Seite dieser Wahrscheinlichkeitsschätzungen, und sie hängt davon ab, dass die meisten von uns kein Gefühl für Statistik haben. Wenn uns jemand sagt, dass ein Ereignis eine Chance von einem zu einer Million hat, erwarten viele von uns, dass eine Million Versuche durchgeführt werden müssen, bevor das genannte Ereignis eintritt, aber das ist falsch.

Hier ist ein Experiment, das Sie selbst durchführen können: Nehmen Sie eine Münze, werfen Sie sie viermal, notieren Sie die Ergebnisse und wiederholen Sie dies dann erneut. Wie oft würden Sie denken, dass Sie dieses Verfahren (Versuch) wiederholen müssten, bevor Sie vier Mal hintereinander Kopf erhalten?

Nun ist die Wahrscheinlichkeit für 4 aufeinanderfolgende Köpfe (1/2)⁴ oder 1 zu 16: müssen wir 16 Versuche durchführen, um 4 Köpfe (HHHH) zu erhalten? Nein, in aufeinanderfolgenden Experimenten benötigte ich 11, 10, 6, 16, 1, 5 und 3 Versuche, bis HHHH auftrat. Die Zahl 1 zu 16 (oder 1 zu einer Million oder 1 zu 10⁴⁰) gibt die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses in einem gegebenen Versuch an, sagt aber nicht wann es in einer Reihe auftreten wird. Man kann HHHH bereits beim allerersten Versuch werfen (ich habe es getan). Selbst bei einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 4,29 x 10⁴⁰ könnte sich ein sich selbst replizierender Mechanismus überraschend früh ergeben. Aber es gibt noch mehr.

Ein Chancenverhältnis von 1 zu 4,29 x 10⁴⁰ ist immer noch absurd, überwältigend unwahrscheinlich; diese Zahl ist schwer zu verarbeiten. Selbst mit dem oben genannten Argument (man könnte es beim allerersten Versuch erzielen) würden die meisten Menschen sagen: „Auf jeden Fall würde es mehr Zeit benötigen als die Erde existiert, um diesen Replikator durch Zufallsmethoden zu erzeugen". Das ist nicht ganz richtig; in den oben genannten Beispielen untersuchten wir sequenzielle Versuche, als ob pro Versuch nur ein Protein/DNA/Proto-Replikator zusammengebaut würde. Tatsächlich gäbe es Milliarden von gleichzeitigen Versuchen, während sich Milliarden von Bausteinmolekülen in den Ozeanen oder an den Tausenden von Kilometern Küstenlinien, die katalytische Oberflächen oder Matrizen bieten könnten, interagierten [2,15].

Lassen Sie uns zu unserem Beispiel mit den Münzen zurückkehren. Nehmen wir an, es dauert eine Minute, um die Münzen 4 Mal zu werfen; um HHHH zu erzeugen, würde dies im Durchschnitt 8 Minuten dauern. Jetzt holen Sie sich 16 Freunde, jeder mit einer Münze, die alle gleichzeitig 4 Mal die Münze werfen; die durchschnittliche Zeit, um HHHH zu erzeugen, beträgt nun 1 Minute. Versuchen Sie nun, 6 hintereinander liegende Köpfe zu werfen; dies hat eine Wahrscheinlichkeit von (1/2)⁶ oder 1 zu 64. Dies würde im Durchschnitt eine halbe Stunde dauern, aber wenn Sie 64 Personen rekrutieren, können Sie es in einer Minute schaffen. Wenn Sie eine Sequenz werfen möchten, die eine Chance von 1 zu einer Milliarde hat, rekrutieren Sie einfach die Bevölkerung Chinas, um für Sie Münzen zu werfen, und Sie haben diese Sequenz in kürzester Zeit.

Wenn wir also auf der präbiotischen Erde eine Milliarde Peptide gleichzeitig entstehen lassen, verkürzt sich die Zeit, die benötigt wird, um unseren Replikator zu erzeugen, erheblich.

Okay, Sie schauen wieder auf diese Zahl, 1 zu 4,29 x 10⁴⁰, das ist eine große Zahl, und obwohl eine Milliarde Startmoleküle schon sehr viele Moleküle sind, könnten wir jemals genug Moleküle bekommen, um unseren ersten Replikator zufällig innerhalb von weniger als einer halben Milliarde Jahren zusammenzusetzen?

Ja, ein Kilogramm der Aminosäure Arginin enthält 2,85 x 10²⁴ Moleküle (das ist weit über eine Billion Billionen); eine Tonne Arginin enthält 2,85 x 10²⁷ Moleküle. Wenn Sie eine halbe Aufladung mit jeder Aminosäure nehmen und sie in einen mittelgroßen See kippen, hätten Sie genügend Moleküle, um unseren spezifischen Replikator in einigen Jahrzehnten zu erzeugen, vorausgesetzt, Sie können Proteine mit 55 Aminosäuren in 1 bis 2 Wochen herstellen [14,16].

Wie sieht das nun mit der präbiotischen Erde aus? Auf der frühen Erde ist es wahrscheinlich, dass der Ozean ein Volumen von 1 x 10²⁴ Litern hatte. Bei einer Aminosäurekonzentration von 1 x 10^-6 M (eine mäßig verdünnte Suppe, siehe Chyba und Sagan 1992 [23]), gibt es dann ungefähr 1 x 10⁵⁰ potenzielle Startketten, sodass eine beträchtliche Anzahl effizienter Peptidligasen (ungefähr 1 x 10³¹) innerhalb eines Jahres produziert werden könnten, geschweige denn innerhalb einer Million Jahre. Die Synthese primitiver sich selbst replizierender Moleküle könnte relativ schnell geschehen, selbst bei einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 4.29 x 10⁴⁰ (und denken Sie daran, unser Replikator könnte bereits beim ersten Versuch synthetisiert werden).

Angenommen, es dauert eine Woche, um eine Sequenz zu generieren [14,16]. Dann könnte das Ghadiri-Ligasystem in einer Woche erzeugt werden, und jede Cytochrom-C-Sequenz könnte in etwas mehr als einer Million Jahren generiert werden (zusammen mit etwa der Hälfte aller möglichen 101-Peptid-Sequenzen, von denen ein großer Anteil funktionelle Proteine irgendeiner Art sein werden).

Obwohl ich das Ghadiri-Ligase als Beispiel verwendet habe, wie ich oben erwähnt habe, können dieselben Berechnungen auch für den SunY-Selbstreplikator oder die Ekland-RNA-Polymerase durchgeführt werden. Ich lasse dies als Übung für den Leser, aber das allgemeine Schlussfolgerung (man kann in kurzer Zeit große Mengen davon herstellen) ist für diese Oligonukleotide dieselbe.

Suchräume, oder wie viele Nadeln im Heuhaufen?

Ich habe also gezeigt, dass die Generierung eines gegebenen kleinen Enzyms nicht so überwältigend schwierig ist, wie Kreationisten (und Fred Hoyle) vorschlagen. Ein weiteres Missverständnis besteht darin, dass die meisten Menschen glauben, die Anzahl der Enzyme/Ribozyme, geschweige denn der ribozymalen RNA-Polymerasen oder irgendeine Form von selbstreplizierendem Molekül, stelle eine sehr unwahrscheinliche Konfiguration dar und dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Enzym/Ribozym entsteht, geschweige denn mehrere davon, durch zufällige Addition von Aminosäuren/Nukleotiden, sehr gering ist.

Jedoch deutet eine Analyse von Ekland darauf hin, dass im Sequenzraum von 220 Nukleotiden langen RNA-Sequenzen eine erschreckende 2,5 x 10¹¹² Sequenzen effiziente Ligasen sind [12]. Nicht schlecht für eine Verbindung, die zuvor nur als strukturell galt. Zurückkehrend zu unserem primitiven Ozean von 1 x 10²⁴ Litern und unter der Annahme einer Nukleotidkonzentration von 1 x 10^-7 M [23], gibt es dann ungefähr 1 x 10⁴⁹ potenzielle Nukleotidketten, sodass eine angemessene Anzahl effizienter RNA-Ligasen (ungefähr 1 x 10³⁴) in einem Jahr, geschweige denn in einer Million Jahren, produziert werden könnten. Die potenzielle Anzahl der RNA-Polymerasen ist ebenfalls hoch; etwa 1 von jeder 10²⁰ Sequenzen ist eine RNA-Polymerase [12]. Ähnliche Überlegungen gelten für ribosomale Acyl-Transferasen (etwa 1 von jeder 10¹⁵ Sequenzen) und ribozymale Nukleotidsynthese [1, 6, 13].

Ähnlich sind von den 1 x 10¹³⁰ möglichen Proteinen mit jeweils 100 Einheiten 3,8 x 10⁶¹ allein für Cytochrom C repräsentiert! [29] Im Peptid/Nukleotid-Suchraum gibt es viele funktionelle Enzyme, sodass es wahrscheinlich erscheint, dass ein funktionierendes Ensemble von Enzymen in der präbiotischen Suppe der frühen Erde entstehen könnte.

Also, selbst mit realistischeren (wenn auch etwas den Verstand übersteigenden) Werten, würde die zufällige Zusammenfügung von Aminosäuren zu „lebensunterstützenden" Systemen (ob Sie für proteinenzymbasierte Hyperzyklen [10], RNA-Welt-Systeme [18] oder RNA-Ribozym-Proteinenzym-Koevolution [11, 25] eintreten) als völlig machbar erscheinen, selbst bei pessimistischen Werten für die ursprünglichen Monomerkonzentrationen [23] und Synthesedauern.

Schlussfolgerungen

Die Grundvoraussetzung der Wahrscheinlichkeitsberechnungen von Kreationisten ist von vornherein falsch, da sie sich auf die falsche Theorie bezieht. Darüber hinaus wird dieses Argument häufig durch statistische und biologische Fehlschlüsse gestützt.

Derzeit, da wir nicht wissen, wie wahrscheinlich das Leben ist, ist es praktisch unmöglich, für einen der Schritte zum Leben außer den ersten beiden (Monomere zu Polymeren p=1,0, Bildung katalytischer Polymere p=1,0) sinnvolle Wahrscheinlichkeiten zuzuordnen. Für den Übergang von replizierenden Polymeren zum Hyperzyklus könnte die Wahrscheinlichkeit bei 1,0 liegen, wenn Kauffman bezüglich katalytischer Schließung und seines Phasenübergangs Modelle recht hat, dies erfordert jedoch echte Chemie und detailliertere Modellierung zur Bestätigung. Für den Übergang Hyperzyklus->Protobiont hängt die Wahrscheinlichkeit hier von theoretischen Konzepten ab, die noch entwickelt werden, und ist unbekannt.

Jedoch hängt die Machbarkeit des Lebens am Ende von Chemie und Biochemie ab, die wir noch erforschen, nicht vom Münzwurf.

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Nützliche Bücher

Statistik am Anfang, T.D.V. Swinscow, 8. Auflage Taschenbuch, Veröffentlicht vom American College of Physicians, 1983, ISBN: 0727901753

Evolution aus dem Weltraum, F Hoyle und Wickramasinghe, JM Dent and Söhne, London, 1981

Staub der Schöpfung: Leben als kosmische Notwendigkeit, von Christian De Duve, Basic Books 1995, ISBN: 0465090451

Die wichtigen Übergänge in der Evolution, Maynard Smith J & Szathmary E, 1995, WH Freeman, ISBN: 0716745259

Die Entstehung von Ordnung: Selbstorganisation und Selektion in der Evolution. Von Stuart Kauffman, S. A. (1993) Oxford University Press, NY, ISBN: 0195079515.

At Home in the Universe. Von Stuart Kauffman, 1995) Oxford University Press, NY.

Links

• Creation Column: Evolutionary Improbabilities. Eine kreationistische Seite, die Hoyles Berechnung verwendet.
  
  
• Chandra Wickramasinghes Testimony in Arkansas, 1981. Transkribiert von Brig Klyce.
  
  
• Eine Beschreibung der Ghadiri-Gruppe mit Kommentaren von Stuart Kauffman.
  
  
• Einige andere sich selbst replizierende Moleküle
  
  
• Ein American Scientist-Artikel über den Ursprung des Lebens von C. de Duve. Diese Darstellung wurde vor der Beschreibung der ribozymalen Polymerasen verfasst und eine Reihe anderer Fragen gelöst, daher ist sie etwas pessimistischer als nötig.
  
  
• Ein Discover-Artikel über Deamers Arbeit zu Protocells. Von der Discover-Website gehen Sie zu den Archives, suchen Sie nach November 1995 und klicken Sie auf den First Cell-Link.

Danksagungen

Danke an John Wilkins und Jthomford für hilfreiche Vorschläge und Diskussionen. Dank an John für einige nützliche GIFs und JPEGS.

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