Re: Abiogenese
Beitrag des Monats: April 1998
von Ian Musgrave

G'day All

<...>

Am 1. Apr 1998 00:12:13 -0500 schrieb "RD Heilman" <rdhsr@bellsouth.net>:

>colinpeters@geocities.com schrieb in der Nachricht
><6ffdl6$25r$1@nnrp1.dejanews.com>...
>>In der Nachricht <aTnS.2389$563.2496766@news4.atl.bellsouth.net>
>> schrieb "RD Heilman" <rdhsr@bellsouth.net>:

<snip intro re: "Party-Line" um die folgenden Themen zu fokussieren>

>>Wenn es eine Art Parteilinie bezüglich der Abiogenese gibt, dann ist es, dass die Abiogenese höchstwahrscheinlich spontan stattgefunden hat. Was genau das betrifft, wie sie stattgefunden haben könnte, gibt es überhaupt keine Einigung (obwohl die RNA-Welt-Hypothese zu gewinnen scheint).
>
>Ja, aber das ist immer noch weit entfernt von einem lebenden Organismus. Es sei denn, wir nennen die RNA-Welt, in der RNA-Moleküle in der Lage sind, sich selbst zu replizieren und als ihre eigene Enzyme dienen, „lebendig". Nicht dass ich vorschlagen würde, dass jemand das tut. Aber wo lässt uns das?
>

In der ersten Entwicklungsstufe von Organismen, die wir als lebendig erkennen würden, könnten Sie von sich replizierenden Ribozymen zu Ribozymen in Liposomen fortschreiten, dann zu membranumhüllten Ribozymen mit Aminosäure-Co-Katalysatoren und schließlich zu Ribozymen, die Proteine codieren [1]. Schritt für Schritt nähern Sie sich etwas, das wir als Organismus erkennen würden (aber natürlich nicht als einen modernen).

>Nach dem, was ich gelesen habe, ist das Replizieren von Molekülen in einem
>modernen Labor eher einfach. Zum Beispiel:
>
>Sol Spiegelman experimentierte in den 60er Jahren mit einer Virenversorgung,
>die er in ein Reagenzglas gab, und bereicherte diese mit einer Versorgung
>des Replicase-Enzyms, das der Virus zum Replizieren seiner RNA benötigt,
>sowie mit einer ausreichenden Menge freier Nukleotide. Nachdem er diese
>gemischt und einen Materialfluss in das System eingerichtet hatte, wartete
>er darauf, was geschah. Zu Beginn kopierte sich die RNA ziemlich
>treu. Allerdings begannen Mutationen schnell, die RNA-Stränge in zwei
>Hälften zu schneiden. Diese Stränge wurden zunehmend kürzer, bis sich nach
>etwa 70 Generationen die RNA-Längen auf die kürzeste mögliche Länge
>stabilisierten, die noch in der Lage ist, sich selbst zu replizieren. Dieser
>Strang enthielt etwa 220 Nukleotide, kaum mehr als die Erkennungsstelle
>für das Replicase-Enzym. Dieses Molekül, das als Spiegelman-Monster
>bezeichnet wurde, konnte sich in dieser geschützten Reagenzglasumgebung
>auf fantastische Weise vermehren. Doch es konnte nicht im ungeschützten
>Weltall überleben, geschweige denn im urtümlichen Ozean.

Warum sollte es in einer präbiotischen Welt nicht überleben, wo es keine Konkurrenten gibt? [2]

>Manfred Eigen ging einen Schritt weiter und führte sein
>Experiment ohne das Seed-Virus durch und erhielt im Wesentlichen die gleichen
>Ergebnisse.
>Dies stützte die nackte Gen-Hypothese, die vorschlug,
>dass das erste RNA-Molekül aus etwa hundert Nukleotiden bestand,
>die nur einen Zweck hatten – sich selbst zu replizieren. Doch wie groß sind die Chancen,
>dass sich ein solches sich selbst zusammenbauendes Molekül in den urtümlichen
>Meeren bildet, geschweige denn überlebt.

Das ist tatsächlich recht gut. Es gibt 1,6 x 10^60 mögliche Sequenzen aus 100 Nukleotiden. In einem urtümlichen Ozean von 10^24 Litern mit einer Nukleotidkonzentration von 10^-6 M (angemessen verdünnt), würde das Zusammenfügen von Sequenzen aus 100 Nukleotiden auf Ton à la Ferris [3] und die Annahme, dass es eine Woche dauert, eine vollständige Sequenz herzustellen, bedeuten, dass Sie in einem Jahr ungefähr 1 x 10^50 Sequenzen produzieren könnten! Da geschätzt wird, dass von jeder 1 x 10^17 zufälligen RNA-Sequenzen eine hocheffiziente Ligase ist [4], sind die Chancen, mindestens eine selbstreplizierende Polymerase (oder kleine selbstreplizierende Einheit) zu erhalten, recht hoch.

Die Überlebensfähigkeit sollte recht gut sein, Polynukleotide sind recht stabil (in der Größenordnung von Jahrtausenden), und es gibt keine Konkurrenz, die sie aufgefressen bekommt, sodass ein replizierendes Ribozym jeden See oder jeden Ozean, in dem es sich befindet, dominieren sollte. Mit Konkurrenz um Ressourcen werden Varianten des ursprünglichen Ribozyms in bestimmten Umgebungen dominieren.

>Ein zweites Problem ist das Gen-Protein-Verknüpfungsproblem.
>
>Der Nobelpreisträger für Chemie, Walter Gilbert, baute auf den oben
>dargelegten Arbeiten sowie auf den Beiträgen von Orgel und anderen auf.
>Orgel gelang es, RNA dazu zu bringen, neue Moleküle in energiereichen
>Nukleotid-Einheiten zu bilden, woraufhin neue RNA-Ketten entstehen, die
>den bestehenden entsprechen. Diese bilden automatisch die Doppelhelix-Struktur.
>Gilbert schlug ein Szenario für den Ursprung des Lebens vor. Beginnen wir
>mit der Fähigkeit zur Selbstkatalyse, die notwendig ist, um sich aus der
>Suppe zusammenzusetzen. Anschließend folgt Rekombination und Mutation,
>um neue Funktionen zu erforschen. Dann bildeten die RNA-Moleküle Proteine.
>Die Protein-Enzyme werden von RNA kodiert.
>Schließlich erscheint die DNA und bietet einen stabilen, fehlerkorrigierenden
>Speicher für Informationen. Die Hauptfunktionen der RNA wurden dann von ihren
>Erzeugnissen, den Proteinen und der DNA, übernommen.
>
>Das Problem bei diesem Szenario ist dasselbe wie bei den anderen – der
>erste Schritt: die selbst-replizierende RNA zu erhalten, die experimentell
>nur aus der heutigen modernen RNA stammt. Somit lautet die Frage, wie weit
>wir uns vom Erfordernis für das erste Leben entfernt haben?

RNA (oder RNA-Nachahmerungen [5]) können abiotisch erzeugt werden, und RNA (oder RNA-Nachahmerungen) kann auf Tonsubstraten polymerisieren. Unter plausible abiotischen Bedingungen könnten praktisch alle möglichen Sequenzen aus 100 Nukleotiden in weniger als einer Milliarde Jahren erzeugt werden. Wir haben einen langen Weg zurückgelegt.

<großer Ausschnitt zu Abiogenese-Definitionen>

>>Das Problem ist, dass wenn Sie sagten
>>"dann hätte die biologische Evolution keine Grundlage,
>>denn die biologische Evolution verläuft nur durch natürliche
>>Prozesse. Und so scheint es eine logische Folgerung, dass das Leben
>>auch auf dieselbe Weise entstanden sein muss." scheinen Sie
>>zusagen, dass wenn die Abiogenese nicht als möglich nachgewiesen werden kann,
>>die biologische Evolution ebenfalls unmöglich sein muss
>>
>Ich kann Ihre Behauptung akzeptieren, dass die Abiogenese von der
>biologischen Evolution unterschieden wird, dennoch ist es eine
>kontinuierliche und ununterbrochene Kette, beginnend mit oder vor
>dem Auftreten der sich selbst replizierenden RNA, die mutierte,
>rekombinierte und sich bis zur Stufe entwickelte, an der sie
>begann, Proteine, Enzyme und DNA zu synthetisieren. Dieser Prozess
>verlief weiterhin mit Mutationen, der effizienteste Vorläufer des
>Lebens replizierte und hinterließ die meisten Nachkommen, so wurde
>die natürliche Selektion geboren(?). Dieser Prozess
>replizierte und mutierte weiter, bis die erste lebende biologische
>Entität erschien. Diese ersten lebenden Entitäten replizierten
>weiter, mutierten und wurden zunehmend komplexer. Die ersten
>Bakterien, Blaualgen usw. erschienen, und diese oder ein verwandter
>Prokaryoten-Zellen traten in eine symbiotische Beziehung ein, so
>wurden die ersten primitiven eukaryotischen Zellen geboren. Lange
>vor diesem Wendepunkt, d.h. dem Auftreten eukaryotischer Zellen,
>war die *Evolution* bereits gut auf dem Weg. Aber den Prozess
>vom ersten RNA-Molekül bis zur ersten lebenden Entität als
>Evolution zu bezeichnen, ist nicht korrekt. Wie willkürlich ist
>der Bruch in diesem kontinuierlichen Prozess, an dem
>die Nicht-Evolution endet und die Evolution beginnt?

Die Evolution beginnt, wenn Sie Replikation, Vererbung (da es Replikation ohne Vererbung in manchen Hyperzyklus-Systemen geben kann) und Auswahl von Varianten-Kopien haben. Daher könnten Sie berechtigt sein, dies auf das erste selbst-replizierende RNA-Ribozym anzuwenden. Allerdings sind die Ereignisse, die zum ersten selbst-replizierenden RNA-Ribozym führten (präbiotische Nukleotid-Synthese, RNA-Polymere, die auf Ton montiert wurden, nicht selbst-replizierende Hyperzyklen), keine Evolution.

Ja, es ist auch heute noch schwierig, die Trennlinie zu bestimmen, selbst die zwischen lebendigem und nicht-lebendigem (ist ein Virus lebendig? Es kann sich replizieren und entwickeln, ein Prion?). Dies allein deutet darauf hin, dass Leben ein natürlicher Prozess ist, anstatt ein göttlicher Befehl oder eine bewusste Konstruktion.

>>wenn sie es tun
>>nicht, funktionieren sie tatsächlich nicht auf dieselbe Weise, außer insofern
>>beide als natürliche Prozesse betrachtet werden. Biologische Evolution
>>hat sich als wirksam erwiesen, zur Zufriedenheit der überwältigenden
>>Mehrheit der Wissenschaftler. Abiogenese hingegen nicht, doch da es sich
>>um separate Fragen handelt, lässt dies niemanden an der Richtigkeit
>>der biologischen Evolution zweifeln.
>>
>Ist dies eine faire Frage: Sind Abiogenese und Evolution unterschiedlich,
>denn Abiogenese ist schlecht gestützt, und folglich kann sie keine Stütze
>für die Evolution bieten? Aber dann kann sie auch nicht die Richtigkeit
>der Evolution in Frage stellen. Wie können wir also wissen, ob dies
>eine Schutzstrategie ist?

Abiogenese und Evolution sind unterschiedlich, da sie deutlich verschiedene natürliche Prozesse beinhalten.

<snip more stuff>

>>Pasteurs Experiment hat gezeigt, dass Wasser in einem sterilen
>>Reagenzglas in einem oder zwei Jahrhunderten keine Abiogenese
>>erzeugt (ich glaube, das Reagenzglas wird immer noch in Paris
>>ausgestellt). Das beweist kaum, dass
>>Leben aus unbelebter Materie auf einem ganzen Planeten mit
>komplexen
>>chemischen Reaktionen im Laufe von Tausenden oder Millionen von
>Jahren nicht entstehen kann.
>
>Auch hier liegt der Beweis im Ergebnis. Und es gibt kaum gegenteilige
>Beweise. Pasteur experimentierte auch mit Brühe, die sterilisiert
>(gekocht) worden war. Dann konnte er durch die Verwendung eines
>Kolbens mit einem gekrümmten Hals, um Mikroben fernzuhalten,
>seine Hypothesen beweisen. Da Mikroben
>die sterile Brühe nicht erreichten, konnten oder traten lebende
>Organismen nicht auf. Somit bewies er seine Hypothese, dass Leben
>nur aus bereits vorhandenem Leben entsteht.

Wiederum wird niemand eine „von Aminosäuren zu Cyanobakterien"-artige Übergangsstufe erwarten, die dies implizieren würde. Darüber hinaus ist ein Liter oder so Brühe, der seit anderthalb Jahrhunderten ruhig in einem Glasbehälter steht, bei weitem nicht vergleichbar mit der urtümlichen Erde, wo Milliarden von Litern reaktiver Chemikalien in den antiken Meeren durch Wellen bewegt und auf katalytischen Ton- und Sandstränden gemischt werden, und selbst in dieser Situation könnten Jahrtausende vergehen, bevor wir etwas sehen, das als Leben definiert werden könnte (siehe Lacano-Referenzen in [5]).

>Eines ist sicher: Wenn man den Ursprung des Lebens auf eine unzugängliche Zeit
>und einen unzugänglichen Ort verlegt, können Forscher die Theorie des
>Ursprungs des Lebens unter keinen Umständen widerlegen,
>unabhängig davon, welche Theorie Wissenschaftler auch vorbringen. Folglich
>können sie experimentieren, bis sie mit den Ergebnissen, groß oder
>klein, die sie erzielen, zufrieden sind. Keine Zynismus gemeint, nur eine
>Feststellung der Fakten (so wie ich es sehe).

Das ist nicht wahr. Der Ursprung des Lebens wird durch Beweise bestimmt. Sobald mehr Beweise gesammelt werden, können verschiedene Szenarien ausgeschlossen werden (wie einige es getan haben), und neue Arten von Tests können entwickelt werden. Vor nicht allzu langer Zeit hatten wir keine Möglichkeit, fossile Bakterien nachzuweisen; heute können wir das. Mit weiterer Forschung werden wir zweifellos neue Wege finden, um in diese vergangenen Zeiten Einblick zu gewinnen.

Prost! Ian

[1] Hier gebe ich nur ein mögliches Szenarium wieder; andere umfassen „Proteinhypersysteme zuerst, dann RNA/DNA" und „gemeinsame Entwicklung von Protein/RNA".

[2] Ich bin mir bewusst, dass dieses Beispiel eine bereits vorhandene Polymerase voraussetzt und dass neben der RNA auch eine Polymerase vorhanden sein müsste. In der präbiotischen Welt müsste diese Polymerase jedoch nicht unbedingt so aussehen wie moderne Polymerasen; selbst Ton könnte gut funktionieren, und somit ist die Verfügbarkeit von Polymerasen nicht so limitierend wie in einem modernen Beispiel.

[3] Ferris JP, Hill AR Jr, Liu R, und Orgel LE. (1996 Mai 2). Synthese langkettiger präbiotischer Oligomere auf Mineraloberflächen [siehe Kommentare] Nature, 381, 59-61.

[4] Ekland EH, Szostak JW, und Bartel DP. (1995 Juli 21). Strukturell komplexe und hochaktive RNA-Ligasen, die aus zufälligen RNA-Sequenzen abgeleitet wurden. Science, 269, 364-70.

[5] Siehe:

Miller SL. (1997 März). Peptidnukleinsäuren und präbiotische Chemie Nat Struct Biol, 4, 167-9.

Hager AJ, und Szostak JW. (1997 August). Isolierung neuartiger Ribozyme, die AMP-aktivierte RNA-Substrate ligieren Chem Biol, 4, 607-17.

James KD, und Ellington AD. (1997 August). Überraschende Treue der template-gesteuerten chemischen Ligierung von Oligonukleotiden [In Process Citation] Chem Biol, 4, 595-605.

Schwartz AW. (1997 August). Spekulationen zum Problem des RNA-Vorstufens J Theor Biol, 187, 523-7.

Bolli M, Micura R, und Eschenmoser A. (1997 April). Pyranosyl-RNA: chiralselektive Selbstassemblierung von Basensequenzen durch ligative Oligomerisierung von Tetranukleotid-2',3'-cyclophosphaten (mit einem Kommentar zur Herkunft der biomolekularen Homochiralität). Chem Biol, 4, 309-20.

Bohler C, Nielsen PE, und Orgel LE. (1995 August 17). Template-Switching zwischen PNA- und RNA-Oligonukleotiden Nature, 376, 578-81.

Lazcano A, und Miller SL. (1996 Juni 14). Der Ursprung und die frühe Evolution des Lebens: präbiotische Chemie, die prä-RNA-Welt und die Zeit. Cell, 85, 793-8.

Ertem G, und Ferris JP. (1996 Januar 18). Synthese von RNA-Oligomeren auf heterogenen Templates. Nature, 379, 238-40.

Ishizaka M, Ohshima Y, und Tani T. (1995 September 14). Isolierung aktiver Ribozyme aus einem Pool zufälliger RNA-Sequenzen unter Verwendung einer verankerten Substrat-RNA. Biochem Biophys Res Commun, 214, 403-9.

Peta, Ian und Jack Francis

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Terry-Pratchett-Fans, Bäume pflanzende Menschen und gelegentliche Wissenschaftler (De Chelonian Mobile!)

Erstmals veröffentlicht am 2. April 1998