Abiogenese: Haupttheorien

Unter Abiogenese versteht man eine Reihe von Prozessen und Schritten, aus denen die ersten Formen des Lebens auf der Erde hervorgingen, ausgehend von inerten Monomerblöcken, deren Komplexität im Laufe der Zeit zunahm. Im Lichte dieser Theorie entstand das Leben aus nicht lebenden Molekülen unter den entsprechenden Bedingungen.

Es ist wahrscheinlich, dass nach der Abiogenese einfacher Lebenssysteme die biologische Evolution alle heute existierenden komplexen Lebensformen hervorbringt.

Einige Forscher glauben, dass die Prozesse der Abiogenese mindestens einmal in der Geschichte der Erde aufgetreten sein sollten, um den hypothetischen Organismus LUCA oder den letzten gemeinsamen universellen Vorfahren (der Abkürzung auf Englisch , letzter gemeinsamer Vorfahr ) hervorzubringen, ungefähr 4 Milliarden von Jahren.

Es wird empfohlen, dass LUCA einen genetischen Code hat, der auf dem DNA-Molekül basiert, das mit seinen vier in Tripletts gruppierten Basen für die 20 Arten von Aminosäuren kodiert ist, die Proteine ​​bilden. Forscher, die versuchen, den Ursprung des Lebens zu verstehen, untersuchen die Prozesse der Abiogenese, aus denen LUCA hervorging.

Die Antwort auf diese Frage wurde vielfach in Frage gestellt und ist oft in einem Nebel von Rätseln und Unsicherheiten versunken. Aus diesem Grund haben Hunderte von Biologen eine Reihe von Theorien vorgeschlagen, die von der Entstehung einer Ursuppe bis zu Erklärungen im Zusammenhang mit Xenobiologie und Astrobiologie reichen.

Woraus besteht es?

Die Theorie der Abiogenese basiert auf einem chemischen Prozess, bei dem aus leblosen Vorläufern einfachere Lebensformen hervorgingen.

Es wird angenommen, dass der Prozess der Abiogenese im Gegensatz zur Entstehungssicht bei einem Glücksfall kontinuierlich abläuft. Diese Theorie setzt also die Existenz eines Kontinuums zwischen nicht lebender Materie und den ersten lebenden Systemen voraus.

Ebenso werden eine Reihe verschiedener Szenarien vorgeschlagen, in denen der Beginn des Lebens von anorganischen Molekülen ausgehen könnte. Im Allgemeinen sind diese Umgebungen extrem und unterscheiden sich von den aktuellen Bedingungen der Erde.

Diese vermeintlichen präbiotischen Zustände werden normalerweise im Labor reproduziert, um zu versuchen, organische Moleküle wie das berühmte Miller- und Urey-Experiment zu erzeugen.

Der Ursprung des Lebens: Theorien

Der Ursprung des Lebens ist seit Aristoteles eines der kontroversesten Themen von Wissenschaftlern und Philosophen. Diesem wichtigen Denker zufolge könnte sich zersetzende Materie dank der spontanen Einwirkung der Natur in lebende Tiere verwandeln.

Die Abiogenese im Lichte des aristotelischen Denkens lässt sich in seinem berühmten Satz omne vivum ex vivo zusammenfassen, der "alles Leben kommt vom Leben" bedeutet.

Als nächstes haben eine relativ große Anzahl von Modellen, Theorien und Spekulationen versucht, die Bedingungen und Prozesse aufzuklären, die zur Entstehung des Lebens geführt haben.

Im Folgenden werden die historisch und wissenschaftlich herausragendsten Theorien beschrieben, die den Ursprung der ersten lebenden Systeme zu erklären suchten:

Theorie der spontanen Erzeugung

Zu Beginn des 17. Jahrhunderts wurde postuliert, dass Lebensformen aus leblosen Elementen hervorgehen könnten. Die Theorie der spontanen Erzeugung wurde von den damaligen Denkern weitgehend akzeptiert, da sie von der katholischen Kirche unterstützt wurde. Auf diese Weise könnten Lebewesen sowohl ihre Eltern als auch nicht lebende Materie zum Keimen bringen.

Eines der bekanntesten Beispiele für diese Theorie ist das Auftreten von Würmern und anderen Insekten in zersetztem Fleisch, Fröschen, die aus dem Schlamm und Mäusen entstanden sind, die aus schmutziger Kleidung und Schweiß entstanden sind.

Tatsächlich gab es Rezepte, die die Schaffung lebender Tiere versprachen. Um beispielsweise Mäuse aus nicht lebendem Material herzustellen, mussten Weizenkörner in dunkler Umgebung mit schmutziger Kleidung kombiniert werden und im Laufe der Tage tauchen lebende Nagetiere auf.

Befürworter dieser Mischung argumentierten, dass menschlicher Schweiß in Kleidungsstücken und Weizenfermentation die Wirkstoffe waren, die die Bildung von Leben leiteten.

Widerlegung der spontanen Generation

Im siebzehnten Jahrhundert begannen Mängel und Lücken in den Aussagen der Theorie der spontanen Erzeugung zu bemerken. Erst 1668 entwickelte der italienische Physiker Francesco Redi einen geeigneten Versuchsplan, um ihn abzulehnen.

In seinen kontrollierten Versuchen legte Redi fein geschnittene Fleischstücke, die in Musselin eingewickelt waren, in sterile Behälter. Diese Gläser waren richtig mit Gaze bedeckt, so dass nichts mit dem Fleisch in Kontakt kommen konnte. Darüber hinaus zählte das Experiment mit einer weiteren Reihe von Flaschen, die nicht abgedeckt waren.

Im Laufe der Tage wurden Würmer nur in den entdeckten Gläsern beobachtet, da die Fliegen ungehindert in die Eier eindringen und diese ablegen konnten. Bei verschlossenen Gläsern wurden die Eier direkt auf die Gaze gelegt.

In gleicher Weise entwickelte der Forscher Lazzaro Spallanzani eine Reihe von Experimenten, um die Prämissen der spontanen Erzeugung abzulehnen. Zu diesem Zweck erarbeitete er eine Reihe von Brühen, die er über einen längeren Zeitraum kochte, um alle dort lebenden Mikroorganismen zu zerstören.

Befürworter der spontanen Erzeugung behaupteten jedoch, die Wärmemenge, der die Brühen ausgesetzt waren, sei übermäßig und zerstörten die "Lebenskraft".

Beiträge von Pasteur

Später, im Jahr 1864, machte sich der französische Biologe und Chemiker Louis Pasteur daran, den Postulaten der spontanen Erzeugung ein Ende zu setzen.

Um dieses Ziel zu erreichen, stellte Pasteur Glasbehälter her, die als "Schwanenhälse" bekannt sind, da sie an den Spitzen lang und gebogen sind und somit das Eindringen von Mikroorganismen verhindern.

In diesen Behältern kochte Pasteur eine Reihe von Brühen, die steril blieben. Wenn der Hals eines von ihnen brach, wurde es kontaminiert und die Mikroorganismen vermehrten sich in kurzer Zeit.

Die von Pasteur vorgelegten Beweise waren unwiderlegbar und konnten eine Theorie, die mehr als 2.500 Jahre anhielt, widerlegen.

Panspermia

In den frühen 1900er Jahren schrieb der schwedische Chemiker Svante Arrhenius ein Buch mit dem Titel " Die Erschaffung der Welten ", in dem er vorschlug, dass das Leben durch Sporen, die extremen Bedingungen standhalten, aus dem Weltraum kommt.

Logischerweise war die Theorie der Panspermie von vielen Kontroversen umgeben, abgesehen davon, dass sie nicht wirklich zur Erklärung der Entstehung des Lebens beitrug.

Chemosynthetische Theorie

Bei der Untersuchung von Pasteurs Experimenten ist eine der indirekten Schlussfolgerungen seines Beweismaterials, dass sich Mikroorganismen nur aus anderen entwickeln, das heißt, Leben kann nur aus Leben entstehen. Dieses Phänomen wurde "Biogenese" genannt.

Aus dieser Perspektive würden Theorien der chemischen Evolution hervorgehen, angeführt von dem Russen Alexander Oparin und dem Engländer John DS Haldane.

Diese Vision, auch Chemosynthese-Theorie von Oparin-Haldane genannt, besagt, dass die Erde in einer präbiotischen Umgebung eine sauerstoffarme und wasserdampf-, methan-, ammoniak-, kohlendioxid- und wasserstoffreiche Atmosphäre besaß und daher stark reduzierend wirkte.

In dieser Umgebung gab es verschiedene Kräfte wie elektrische Entladungen, Sonneneinstrahlung und Radioaktivität. Diese Kräfte wirkten auf anorganische Verbindungen und führten zu größeren Molekülen, wobei organische Moleküle, sogenannte präbiotische Verbindungen, gebildet wurden.

Miller und Urey experimentieren

Mitte der 1950er-Jahre gelang es den Forschern Stanley L. Miller und Harold C. Urey, ein ausgeklügeltes System zu entwickeln, das nach der Theorie von Oparin-Haldane die angeblichen Ahnenbedingungen der Erdatmosphäre simuliert.

Stanley und Urey haben bewiesen, dass unter diesen "primitiven" Bedingungen aus einfachen anorganischen Verbindungen komplexe organische Moleküle entstehen können, die für das Leben unverzichtbar sind, z. B. Aminosäuren, Fettsäuren und Harnstoff.

Polymerbildung

Obwohl die zuvor erwähnten Experimente eine plausible Art und Weise nahe legen, auf die die Biomoleküle, die Teil der lebenden Systeme sind, entstanden sind, schlagen sie keine Erklärung des Polymerisationsprozesses und der Zunahme der Komplexität vor.

Es gibt mehrere Modelle, die versuchen, diese Frage zu klären. Zum einen handelt es sich um feste mineralische Oberflächen, bei denen die erhöhte Oberfläche und die Silikate als Katalysatoren für die Kohlenstoffmoleküle wirken könnten.

In den Tiefen des Ozeans sind hydrothermale Quellen eine geeignete Quelle für Katalysatoren wie Eisen und Nickel. Diese Metalle sind nach Laborexperimenten an den Polymerisationsreaktionen beteiligt.

Schließlich gibt es in den Gruben der Ozeane heiße Teiche, die durch Verdunstungsprozesse die Konzentration von Monomeren fördern und die Bildung komplexerer Moleküle fördern könnten. Auf dieser Annahme beruht die Hypothese der "Ursuppe".

Die Ergebnisse von Miller und Pasteur in Einklang bringen

In Anlehnung an die in den vorhergehenden Abschnitten diskutierte Reihenfolge der Ideen haben wir festgestellt, dass Pasteurs Experimente bewiesen haben, dass Leben nicht aus inerten Materialien entsteht, während die Beweise von Miller und Urey darauf hinweisen, dass es tatsächlich auf molekularer Ebene auftritt.

Um beide Ergebnisse miteinander in Einklang zu bringen, muss berücksichtigt werden, dass die Zusammensetzung der Erdatmosphäre heute völlig anders ist als die der präbiotischen Atmosphäre.

Der in der gegenwärtigen Atmosphäre vorhandene Sauerstoff würde als "Zerstörer" der sich bildenden Moleküle wirken. Wir müssen auch berücksichtigen, dass die Energiequellen, die angeblich die Bildung organischer Moleküle gefördert haben, nicht mehr mit der Häufigkeit und Intensität der präbiotischen Umgebung vorhanden sind.

Alle auf der Erde vorkommenden Lebensformen setzen sich aus einer Reihe großer Strukturblöcke und Biomoleküle zusammen, die als Proteine, Nukleinsäuren und Lipide bezeichnet werden. Mit ihnen können Sie die Basis des gegenwärtigen Lebens "aufbauen": Zellen.

In der Zelle wird das Leben verewigt, und Pasteur stützt sich auf dieses Prinzip, um zu behaupten, dass jedes Lebewesen von einem anderen, bereits existierenden Wesen stammen muss.

RNA Welt

Die Rolle der Autokatalyse während der Abiogenese ist entscheidend, weshalb eine der bekanntesten Hypothesen über den Ursprung des Lebens die der RNA-Welt ist, die einen Start von einfachen Kettenmolekülen mit der Fähigkeit zur Selbstreplikation postuliert.

Diese Vorstellung von RNA legt nahe, dass die ersten Biokatalysatoren keine Moleküle mit Proteincharakter waren, sondern RNA-Moleküle - oder ein ähnliches Polymer wie dieses - mit der Fähigkeit, eine Katalyse durchzuführen.

Diese Annahme basiert auf der Eigenschaft der RNA, kurze Fragmente durch eine Temperung zu synthetisieren, die den Prozess steuert und die Bildung von Peptiden, Estern und glykosidischen Bindungen fördert.

Nach dieser Theorie war die angestammte RNA mit einigen Cofaktoren wie Metallen, Pyrimidinen und Aminosäuren assoziiert. Mit dem Fortschritt und der Zunahme der Komplexität im Metabolismus entsteht die Fähigkeit, Polypeptide zu synthetisieren.

Im Laufe der Evolution wurde RNA durch ein chemisch stabileres Molekül ersetzt: DNA.

Aktuelle Vorstellungen vom Ursprung des Lebens

Gegenwärtig wird vermutet, dass das Leben in einem extremen Szenario entstanden ist: ozeanische Gebiete in der Nähe von vulkanischen Kaminen, in denen die Temperaturen 250 ° C erreichen und der atmosphärische Druck 300 Atmosphären übersteigt.

Dieser Verdacht entsteht aufgrund der Vielfalt der Lebensformen, die in diesen feindlichen Regionen anzutreffen sind, und dieses Prinzip wird als "Theorie der heißen Welt" bezeichnet.

Diese Umgebungen wurden von Archaebakterien besiedelt, Organismen, die in extremen Umgebungen wachsen, sich entwickeln und vermehren können, wahrscheinlich sehr ähnlich zu präbiotischen Bedingungen (einschließlich niedriger Sauerstoffkonzentrationen und hoher CO ₂ -Gehalte).

Die thermische Stabilität dieser Umgebungen, der Schutz vor plötzlichen Veränderungen und der konstante Gasfluss sind einige der positiven Eigenschaften, die Meeresböden und vulkanische Schornsteine ​​für die Entstehung des Lebens geeignet machen.

Begriffe Biogenese und Abiogenese

1974 veröffentlichte der renommierte Forscher Carl Sagan einen Artikel, der die Verwendung der Begriffe Biogenese und Abiogenese verdeutlichte. Laut Sagan wurden beide Begriffe in Artikeln missbraucht, die sich auf Erklärungen der Herkunft der ersten lebenden Formen beziehen.

Unter diesen Fehlern ist der Begriff Biogenese als sein eigenes Antonyme zu verwenden. Das heißt, Biogenese wird verwendet, um den Ursprung des Lebens aus anderen lebenden Formen zu beschreiben, während sich Abiogenese auf den Ursprung des Lebens aus nicht lebender Materie bezieht.

In diesem Sinne wird ein zeitgemäßer biochemischer Weg als biogen angesehen, und ein präbiologischer Stoffwechselweg ist abiogen. Daher ist es notwendig, besonders auf die Verwendung beider Begriffe zu achten.