Haben Autozellen zum Leben geführt?

Haben Autozellen zum Leben geführt?
Anonim

von Amanda Doyle, Astrobio.net

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Der Ursprung des Lebens auf der Erde ist immer noch ein heiß diskutiertes Thema. Es gibt viele verschiedene Theorien darüber, wie das Leben angefangen hat, sowie verschiedene laufende Experimente, um die beteiligten Prozesse zu verstehen. Zum Beispiel kann ein Reverse Engineering-Ansatz verwendet werden, indem Zellen entfernt werden, bis das einfachste mögliche System übrig bleibt. Die Evolution hat jedoch letztendlich unser Verständnis der Ursprünge des Lebens behindert, da sie die Spuren der ersten Lebensformen weggespült hat und es unmöglich gemacht hat, die frühen Schritte des Lebens nachzuvollziehen. Dies bedeutet, dass selbst die einfachen Systeme nach dem Reverse Engineering-Ansatz noch zu kompliziert sind, um eine Ähnlichkeit mit den ersten Lebensformen zu haben.

Das Leben muss einfach begonnen haben; Es könnte nicht aus einer komplizierten Gruppe von Molekülen entstehen, die bereits zusammenarbeiten. Zuvor musste es einen Schritt geben, in dem diese Moleküle selbst erzeugt wurden. Terrence Deacon von der University of California in Berkeley erläuterte kürzlich in einem Vortrag, wie dieser Schritt hätte stattfinden können.

Das Leben braucht Ordnung

Eine knifflige Herausforderung, die überwunden werden muss, bevor sich Leben bilden kann, ist, dass Ordnung erzeugt werden muss. Dies ist jedoch nicht so einfach, wie es sich anhört, da die Gesetze der Physik besagen, dass die Dinge von Natur aus in einen Zustand der Unordnung geraten. Zum Beispiel wird ein Buch, das prekär am Rand eines Regals liegt, wahrscheinlich herunterfallen - was zu Unordnung führt -, aber es ist höchst unwahrscheinlich, dass es Ordnung schafft, wenn es sich selbst wieder aufhebt.

Die Bestellung kann immer noch lokal erstellt werden, auch wenn das Gesamtsystem eher in Unordnung gerät. Wenn Wärme durch ein System geleitet wird, kann dies organisiert werden. Beispielsweise entsteht ein regelmäßiges Sechseckmuster, wenn eine dünne Ölschicht gleichmäßig erhitzt wird, um Benard-Konvektionszellen zu bilden.

"Wenn Sie etwas erhitzen und es sich normalisiert, wird es so schnell wie möglich von der Hitze befreit", erklärte Deacon. "Wenn Sie also nicht ständig Wärme in das System pumpen, schaltet es sich von selbst ab. Tatsächlich zerstören selbstorganisierende Systeme die Bedingungen, die es ihnen ermöglichen, so schnell wie möglich."

Das Leben kann nur dadurch geformt werden, dass Ordnung erzeugt wird, aber es muss so sein, dass diese Ordnung sich nicht verschlechtert und das System sich letztendlich nicht selbst zerstört.

Autogenese als Brücke zum Leben

Deacon beschrieb einen theoretischen Prozess namens "Autogenese", der die Fähigkeit besitzt, Ordnung zu erzeugen, zu bewahren und zu reproduzieren - die charakteristischen Merkmale lebender Organismen.

Dieser Prozess besteht effektiv aus zwei Teilprozessen: der reziproken Katalyse und der Selbstorganisation. Ein Katalysator ist etwas, das eine chemische Reaktion beschleunigt, und die wechselseitige Katalyse bedeutet, dass zwei oder mehr Katalysatoren jeweils zur gegenseitigen Synthese beitragen. Ein Teil der Energie wird vom Ausgangsmolekül auf das nächste übertragen, und dieses spaltet ein weiteres Molekül auf, das wiederum die Energie weitergibt.

"Es ist ein Du kratzt mir den Rücken, ich kratzt mir die Rückenbeziehung", sagte Deacon. "Fast die gesamte Chemie in lebenden Zellen weist diese Art von Zirkularität auf."

Spontane Selbstorganisation kann auftreten, da einige Moleküle leicht symmetrisch zusammenpassen. Dies kann in Zellen passieren, um Mikrotubuli zu erzeugen.

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"Mikrotubuli sind so etwas wie das Skelett einer Zelle, aber sie sind auch so etwas wie die Wege innerhalb einer Zelle, auf denen Moleküle sich fortbewegen", erklärte Deacon.

Gegenseitige Katalyse und Selbstorganisation helfen sich gegenseitig, indem sie das produzieren, was der andere braucht. Die wechselseitige Katalyse erzeugt eine lokale Konzentration von Molekülen, aber ohne dass irgendetwas sie an Ort und Stelle hält, werden sie bald so weit auseinander wandern, dass sie nicht mehr in der Lage sein werden, miteinander zu interagieren. Die lokale Konzentration von Molekülen ist jedoch genau das, was die Selbstorganisation benötigt, um eine Barriere um die Katalysatoren herum aufzubauen und sie so zu verkapseln.

"Genau das, was Sie tun müssen, um diese unabhängigen Katalysatoren zusammenzuhalten, ist die Folge dessen, was sie produzieren", sagte Deacon. "Das Ergebnis ist, dass Container das Zeug enthalten, das für ihre Herstellung erforderlich ist."

Wenn der die Katalysatoren umgebende Behälter zerspringt, werden die Katalysatoren auslaufen. Es ist jedoch nicht alles verloren, da sie nur einen weiteren Container für sich selbst erstellen. Wenn sich die Katalysatoren kurz nach dem Aufbrechen ausbreiten, können mehrere Systeme entstehen, die sich effektiv "reproduzieren".

Diese autogenen "Zellen" oder Autozellen sind nach wie vor keine lebenden Zellen im herkömmlichen Sinne, da ihnen noch lebenswichtige Prozesse fehlen.

Der Arbeitszyklus ähnelt jedoch dem, was Lebewesen leisten können. Sie haben die Möglichkeit, Ordnung zu schaffen und sie dann daran zu hindern, sich zu verschlechtern, anstatt die Bedingungen zu erfassen, die erforderlich sind, um sich selbst wiederherzustellen.

Deacon betont, dass wir auf unserer Suche nach dem Leben anderswo im Kosmos aufhören müssen, darüber nachzudenken, wie das Leben auf der Erde erschaffen wurde und welche spezifischen Moleküle benötigt werden, und stattdessen unsere Aufmerksamkeit auf die allgemeinen Prinzipien richten müssen, die bei der Erschaffung des Lebens eine Rolle spielen.

Energie einfangen

Wenn die Autozellen wiederholt auseinander brechen und sich neu bilden, haben sie die Möglichkeit, ihre Umgebung zu untersuchen. Wenn eine der Autozellen einen Katalysator einfängt, der besser funktioniert als die anderen, werden mehr dieser proaktiven Katalysatoren produziert, was eine begrenzte Form der Evolution ermöglicht.

Wenn dieses hypothetische Molekül tatsächlich so etwas wie ein Nukleotid wäre, könnte es auch Energie aus der Umgebung gewinnen, indem es zusätzliche Phosphate einfängt. Diese zusätzliche Energie würde das System beschleunigen. Hochenergetische Phosphate können das System jedoch behindern, da sie es vollständig zerbrechen können. Durch die Gruppierung dieser energetischen Moleküle zu Polymeren ist es möglich, die Energie zu speichern, wenn sie nicht verwendet wird.

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Eine helfende Hand von den Gasriesen

Ein großes Problem besteht darin, dass der autogene Prozess auf einem Planeten wie der präbiotischen Erde wahrscheinlich nicht einsetzt, da die für das Leben benötigten Polymere im Wasser zerfallen. Wenn wir unser Chemieexperiment jedoch zu einem Gasriesen wie Jupiter bringen, werden durch die hohen Gehalte an Methan und Ammoniak Cyanwasserstoffpolymere erzeugt. Diese Polymere können nur in Umgebungen ohne Wasser hergestellt werden und haben ein "Rückgrat", das mit Proteinen identisch ist, jedoch unterschiedliche Seitenketten aufweist. Diese werden als Polyamidine bezeichnet.

Wenn diese Polyamidine in früheren Epochen, als die Erde von Material des äußeren Sonnensystems bombardiert wurde, einen Ritt zur Erde antrieben, würden sie mit Wasser in Kontakt kommen. Diese speziellen Polymere werden sich jedoch für einige Zeit nicht zersetzen lassen. Stattdessen ersetzen sie ihre Seitenketten durch die für Proteine ​​charakteristischen Kohlenhydrate.

Auf diese Weise erzeugen sie partielle Proteine, und dies könnte ein Weg sein, auf dem die auf Proteinen basierende Autogenese auf der frühen Erde begann. Die inneren Planeten haben auch den Vorteil, Phosphor, Schwefel und Eisen zu enthalten, die auf den äußeren Planeten nicht verfügbar sind, und diese Metalle beschleunigen die Katalyse.

Diakon ist überzeugt, dass ganze Sonnensysteme benötigt werden, um Leben zu erzeugen, nicht nur terrestrische Planeten mit Wasser. Das Leben braucht wahrscheinlich ein Sonnensystem, das unserem ähnlich ist, um zu beginnen, obwohl in einem System, das nur aus Gasriesen besteht, noch autogene Prozesse ablaufen können.

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Er brachte auch einen interessanten Punkt in Bezug auf den Marsmeteoriten ALH 84001 zur Sprache, der anfangs Wissenschaftler dazu anregte, fossile Mikroben zu enthalten. Diese Möglichkeit wurde später von den meisten Menschen ausgeschlossen, zum Teil, weil die Strukturen als zu klein angesehen werden. Die Größe und Struktur sind jedoch das, was von einer Autozelle erwartet wird, so dass dieser Meteorit uns einen fossilen Vorläufer für das Leben zeigen könnte. Deacon glaubt, dass die Autogenese auf dem Mars vor der Erde hätte stattfinden können, aber nur unser Planet hatte auf lange Sicht die richtigen Bedingungen, um zum Leben zu führen.

Selbst in einer alternativen Theorie über den Ursprung des Lebens, in der vermutet wird, dass das Leben mit der "RNA-Welt" begann, gibt es Hinweise darauf, dass das Leben auf der Erde ohne die anderen Planeten nicht hätte beginnen können. Stephen Benner präsentierte auf der Goldschmidt-Konferenz im August eine Idee, dass die Bedingungen auf der prähistorischen Erde nur dazu gedient hätten, die Bildung von RNA zu hemmen. Mars hingegen wäre genau richtig gewesen. Während sich auf dem alten Mars etwas Wasser befand, hätte es nicht ausgereicht, um die Bildung von RNA zu hemmen. Während die frühe Erde keinen Sauerstoff mehr hatte, hätte der Mars genug davon gehabt, oxidiertes Molybdän und Bor zu erzeugen, die für den Aufbau von RNA von entscheidender Bedeutung sind.

Autogene Formen sind wahrscheinlich weiter verbreitet als das Leben im Universum, da sie aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden können. Es ist eine generische Art von Chemie, die im gesamten Universum ähnlich sein kann, was darauf hinweist, dass der Prozess wichtiger ist als die Moleküle selbst.