Warum das Leben entstand (und warum es weitergeht)

Warum das Leben entstand (und warum es weitergeht)

Video: Unser Sonnensystem: Entstehung & Zukunft (March 2020).

Anonim

Von Lisa Zyga,

Image

- Heute verstehen Wissenschaftler ziemlich gut, wie sich das Leben entwickelt, und zwar durch Mechanismen, die auf Darwins Theorie der natürlichen Selektion für das Überleben der Stärkeren basieren. Darwins Klassiker von 1859, Über den Ursprung der Arten, beantwortet jedoch ironischerweise nicht genau diese Frage - wie die Arten tatsächlich entstanden sind. Und bis heute ist es ein Rätsel, wie dieser erste winzige Pool von Chemikalien zum Leben erweckt wurde.

In einer aktuellen Studie mit dem Titel „Warum ist Leben entstanden?“ Geben zwei Wissenschaftler, Sohn und Vater Arto Annila von der Universität Helsinki und Erkki Annila vom Finnish Forest Research Institute, einen Einblick in die allgemeine treibende Kraft der Lebensentstehung in Bezug auf Thermodynamik. Wie sie erklären, bestehen alle Organismen aus Molekülen, die sich über zahlreiche chemische Reaktionen zusammensetzen. So wie Wärme von heiß nach kalt fließt, gehorchen diese Moleküle der allgemeinen Tendenz, Energieunterschiede abzubauen, so dass die wahrscheinlichsten chemischen Reaktionen diejenigen sind, bei denen Energie „bergab“ in Richtung eines stationären Zustands oder eines chemischen Gleichgewichts fließt.

Obwohl die Forscher nicht über die spezifischen chemischen Reaktionen spekulieren, die Leben erzeugt haben, erklären sie, dass die beteiligten Moleküle höchstwahrscheinlich eine Reihe immer komplexerer Reaktionen durchlaufen haben, um gegenseitige Energiedifferenzen zwischen Materie auf der Erde und in Bezug auf energiereiche Strahlung zu minimieren von so. Der Prozess schritt schließlich so weit voran, dass er sich zu solch hoch entwickelten Funktionsstrukturen zusammensetzte, die man als Leben bezeichnen könnte.

"Die wichtigste Idee in unserer Studie ist, dass es keinen Unterschied zwischen belebt und unbelebt gibt", sagte Arto Annila gegenüber PhysOrg.com . "Lebensprozesse unterscheiden sich in ihren Prinzipien nicht von anderen natürlichen Prozessen."

In ihrer Studie, die im International Journal of Astrobiology veröffentlicht wurde, betrachteten die Forscher einen Urpool, der einige basische Verbindungen enthielt. Durch die Reaktion miteinander und die Kopplung mit einer externen Energiequelle wie der Sonne bildeten die Verbindungen ein chemisches System. Die Verbindungen sind ständig an chemischen Reaktionen beteiligt und gedeihen am besten, wenn sie auf der Suche nach einem stabilen Zustand mehr und mehr Sonnenenergie einfangen und verteilen. Der Evolutionsprozess war und ist nicht deterministisch, ja chaotisch, da die Energieflüsse Energieunterschiede hervorrufen, die sich wiederum auf die Strömungen auswirken.

Aufgrund von zufälligen Variationen, die sich aus den chemischen Reaktionen ergeben, sind möglicherweise einige neue Verbindungen im Ursystem aufgetreten. Einige dieser Verbindungen (z. B. solche mit Kohlenstoff) haben möglicherweise einen außergewöhnlich guten Energiefluss erzeugt, sodass das System Energiedifferenzen sehr effizient abbauen und ein höheres Entropieniveau erreichen kann. Verbindungen mit diesen Vorteilen hätten in dieser Zeit der primitiven chemischen Evolution an Boden gewonnen. Die Wissenschaftler betonen jedoch, dass es sehr schwer zu bestimmen wäre, welche Verbindungen in dieser Zeit die Schlüsselrolle spielten.

"Heutzutage haben wir möglicherweise nur noch sehr wenige Beweise aus den Kursen in der fernen Vergangenheit, die darauf schließen lassen, welche chemischen Spezies ausgestorben sind, während andere, die in Bezug auf die Energieübertragung lebensfähiger sind, aufgetaucht sind", erklärte Arto Annila. Mit anderen Worten, diese Studie konzentriert sich darauf, warum und nicht wie Leben entstanden ist.

Relevanter, so die Wissenschaftler, ist die Tatsache, dass die physikalische Tendenz, Energieunterschiede zu verringern, keinen Unterschied zwischen unbelebten und belebten Systemen macht. Wie die Forscher erklären, haben die Ordnung und Komplexität, die moderne biologische Systeme charakterisieren, keinen Wert an sich, sondern Struktur und hierarchische Organisation sind entstanden und haben sich entwickelt, weil sie Wege für die Steigerung der Energieflüsse boten.

Die Wissenschaftler geben verschiedene Beispiele für Mechanismen, die mit dem Leben verbunden sind und die Entropie erhöhen. Wenn beispielsweise Systeme (z. B. Moleküle) zu Einheiten größerer Systeme (z. B. Zellen) werden, die an größeren Wechselwirkungsbereichen teilnehmen, um mehr freie Energie zu verbrauchen, nimmt die Entropie zu. Der genetische Code könnte als weiterer Urmechanismus gedient haben und als Katalysator fungieren, der den Energiefluss in Richtung größerer Entropie erhöhen könnte. Heutzutage haben komplexe Organismen einen Zellstoffwechsel, ein weiterer Mechanismus, der die Entropie erhöht, da er Energie im gesamten Organismus und in der Umwelt verteilt. Die Nahrungskette in einem Ökosystem ist ein weiteres Beispiel für einen Mechanismus zur Übertragung von Energie in größerem Maßstab.

In diesem Sinne ist das Leben eine sehr natürliche Sache, die einfach entstanden ist, um grundlegende physikalische Gesetze zu erfüllen. Unser "Zweck" ist sozusagen die Umverteilung von Energie auf der Erde, die zwischen einem enormen potentiellen Energieunterschied liegt, der durch die heiße Sonne und den kalten Raum verursacht wird. Organismen entwickeln sich durch natürliche Selektion, aber auf der grundlegendsten Ebene beruht die natürliche Selektion auf demselben thermodynamischen Prinzip: Erhöhung der Entropie und Verringerung der Energiedifferenzen. Die natürlichen Prozesse, aus denen das Leben hervorgegangen ist, sind dieselben, die das Leben am Laufen halten - und sie funktionieren auf allen Zeitskalen.

„Der Thermodynamik zufolge gab es keinen auffälligen Moment oder keinen bestimmten Ort für den Ursprung des Lebens, aber der natürliche Prozess hat sich über zahlreiche Mechanismen, die bisher eine bestimmte Bedeutung erlangten - das Leben - in einer langen Abfolge von Schritten weiterentwickelt“, erklärten die Forscher.

Und weil die Thermodynamik keinen bestimmten Moment, keinen bestimmten Ort, keine bestimmte Verbindung oder Reaktion erkennt, die zwischen belebt und unbelebt unterscheiden könnten, erscheint die Suche nach der „Geburt des Lebens“ wie ein schlecht gestelltes Projekt, erklärte Arto Annila.

"In der Tat scheint die Suche nach dem Ursprung des Lebens ein vergebliches Unterfangen zu sein, da das Leben in seiner Gesamtheit ein natürlicher Prozess ist, der nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik keinen bestimmten Anfang hat", sagte er. "Zu fragen, wie das Leben begann, wäre dasselbe wie zu fragen, wann und wo der erste Wind wehte, der die Oberfläche eines warmen Teichs zitterte."

Weitere Informationen: Annila, Arto und Annila, Erkki. "Warum ist Leben entstanden?" International Journal of Astrobiology 7 (3 & 4): 293-300 (2008).

Copyright 2008 PhysOrg.com.
Alle Rechte vorbehalten. Dieses Material darf ohne die ausdrückliche schriftliche Genehmigung von PhysOrg.com weder ganz noch teilweise veröffentlicht, gesendet, umgeschrieben oder weiterverbreitet werden.