Vorwort von Boris Stern
Wir haben lange geplant, eine Diskussion über die ewige Frage nach dem Platz des Menschen im Universum zu führen. Hier geht es natürlich um außerirdisches Leben und Planeten anderer Sterne. Derzeit sind etwas weniger als 6.000 Exoplaneten bekannt, von denen mehr als zweitausend auf eine unabhängige Bestätigung warten. Für statistische Untersuchungen können Sie jedoch alle 6 Tausend verwenden.
Es gibt nur sehr wenige Planeten unter ihnen, die angeblich für das Leben geeignet sind. Das ist natürlich, weil sie am schwersten zu finden sind: Ein sehr starker Auswahleffekt wirkt gegen erdähnliche Planeten. Sie sind zu leicht, um von der Radialgeschwindigkeitsmethode eines Sterns erfasst zu werden, und ihr Jahr ist zu lang, als dass ihre Transite zuverlässig in den Kepler-Weltraumteleskopdaten ausgegraben werden könnten. Die Ausnahme bilden die Planeten in der bewohnbaren Zone der Roten Zwerge, die unter unserer Nase offen sind. Es ist viel einfacher, sie zu finden. Es gibt viele solcher Planeten, aber leider sind rote Zwerge für das Leben neben ihnen sehr unbequem. Die Extrapolation von Keplers Daten für die "heißen Länder" von Sternen wie der Sonne liefert jedoch ein sehr optimistisches Ergebnis: Mindestens 15% dieser Sterne haben Planeten in ihrer bewohnbaren Zone. Diese Schätzung wurde unabhängig von vielen Autoren erhalten,und mit der Zeit wird es immer optimistischer: 20% und sogar ein Viertel der Sonnen haben Land. Dies bedeutet, dass der uns am nächsten liegende Stern der Klasse G oder K mit der Erde im Orbit im bewohnbaren Bereich innerhalb von 15 Lichtjahren liegt. Es gibt nur wenige solcher Stars, und es gibt bereits Kandidaten, zum Beispiel Tau Ceti. Und es gibt viele solcher Planeten in einem Radius von beispielsweise 30 Lichtjahren.
Die Beobachtungsmethoden schreiten allmählich voran. Mit dem verbesserten HARPS-Instrument werden neue erdähnliche Planeten in der Nähe entdeckt. In den nächsten zehn Jahren werden wir mit Instrumenten wie dem riesigen Extrem Large Telescope (ELT) und dem James Webb Space Telescope ein oder zwei Dinge über die Atmosphäre einiger erdähnlicher Planeten lernen. Und es ist möglich, dass Sauerstoff im Absorptionsspektrum der Atmosphäre eines Transitplaneten (durch die Scheibe eines Sterns) auftritt. Wenn der Stern nicht übermäßig aktiv und alt genug ist, kann Sauerstoff nur biogen sein. So kann außerirdisches Leben erkannt werden.
Ist es echt? Wenn das Leben in einer Ecke entsteht, sobald die Bedingungen dafür geschaffen sind - warum nicht? Aber ist es? Es wird oft argumentiert, dass das Leben auf der Erde sehr schnell aufgetaucht ist, was bedeutet, dass dies der Fall ist - einige hundert Millionen Jahre reichen aus, um in einer Art Suppe zu erscheinen. Es gibt aber auch ein Gegenargument - eine geeignete "Suppe" kann nur auf einem jungen Planeten existieren - das Leben entsteht entweder schnell oder nie.
Und natürlich gibt es den entgegengesetzten Standpunkt: Das Leben ist ein seltenes Phänomen, das auf einem völlig unglaublichen Zufall beruht. Der detaillierteste Standpunkt zu diesem Thema, professionell und mit quantitativen Schätzungen, wurde von Evgeny Kunin geäußert. Das Leben basiert auf dem Kopieren langer Moleküle, ursprünglich waren es RNA-Moleküle. Das Kopieren erfolgt mit einem bestimmten Gerät, das als "Replikase" bezeichnet wird (diese Zeilen wurden von einem Physiker geschrieben, daher ist die Terminologie aus Sicht eines Biologen etwas umständlich). Replikase kommt nicht von irgendwoher, wenn sie nicht in derselben RNA programmiert ist, die kopiert wird.
Laut Kunin ist für den Beginn der Selbstreproduktion von RNA und damit der Evolution „zumindest das spontane Erscheinen der nächsten notwendig.
- Zwei rRNAs mit einer Gesamtgröße von mindestens 1000 Nukleotiden.
- Ungefähr 10 primitive Adapter mit jeweils 30 Nukleotiden für insgesamt etwa 300 Nukleotide.
- Mindestens eine für Replikase kodierende RNA hat eine Größe von ungefähr 500 Nukleotiden (unterer Score). In dem akzeptierten Modell ist n = 1800 und als Ergebnis E <10 - 1081 ".
In dem gegebenen Fragment meinen wir eine Codierung mit vier Buchstaben. Die Anzahl der möglichen Kombinationen beträgt 41800 = 101081. Wenn nur wenige von ihnen den Evolutionsprozess starten, beträgt die Wahrscheinlichkeit der erforderlichen Assemblierung pro "Versuch" einer spontanen Assemblierung ~ 10-1081.
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Es gibt keinen Widerspruch in der Tatsache, dass das Ergebnis vor unseren Augen liegt, es gibt keinen: Nach der Inflationstheorie ist das Universum riesig, zehn Größenordnungen größer als sein sichtbarer Teil, und wenn wir das Universum als geschlossenen Raum verstehen, dann gibt es Universen mit demselben Vakuum wie wir, eine gigantische Menge … Die kleinste Wahrscheinlichkeit wird irgendwo realisiert, was zu einem überraschten Betrachter führt.
Diese beiden Extreme bedeuten viel für unseren Platz im Universum. Auf jeden Fall sind wir alleine. Aber wenn das Leben Dutzende von Lichtjahren von uns entfernt existiert, ist dies technologische Einsamkeit, die durch Entwicklung und tausendjährige Geduld überwunden wird. Wenn Kunins Einschätzung richtig ist, ist dies eine grundlegende Einsamkeit, die von nichts überwunden werden kann. Dann sind wir und das irdische Leben ein einzigartiges Phänomen im kausal verbundenen Volumen des Universums. Das einzige und wertvollste. Dies ist wichtig für die zukünftige Strategie der Menschheit. Im ersten Fall ist die Basis der Strategie die Suche. Im zweiten Fall - Aussaat (es gibt sogar einen solchen Begriff "gerichtete Panspermie"), der auch die Suche nach einem geeigneten Boden einschließt.
All dies verdient eine Diskussion. Gibt es Lücken in Kunins Argumentation? Gibt es Mechanismen, die unter Umgehung der "irreduziblen Komplexität" des RNA-Replikators erkannt werden können? Ist es wirklich so unverzeihlich? Usw.
Wir haben mehrere Biologen nach ihrer Meinung gefragt.
Alexander Markov, Ph. D. Biol. Wissenschaften, geführt. wissenschaftlich. sotr. Paläontologisches Institut RAS, Leiter. Institut für biologische Evolution, Biologische Fakultät, Staatliche Universität Moskau:
Evgeny Kunins Einschätzung, die impliziert, dass wir im Universum hoffnungslos allein sind, basiert auf einer Schlüsselannahme. Kunin glaubte, dass, um den Prozess der RNA-Replikation (und damit die darwinistische Evolution; es ist logisch, diesen Moment als den Moment des Ursprungs des Lebens zu betrachten) rein zufällig - als Ergebnis einer zufälligen Kombination von polymerisierenden (zum Beispiel auf Mineralmatrices) Ribonukleotiden - notwendig zu sein, notwendig war - Es erschien ein Ribozym mit RNA-Polymeraseaktivität, dh ein langes RNA-Molekül, das eine vollständig bestimmte (und nicht irgendeine) Nukleotidsequenz aufweist und aufgrund dessen die RNA-Replikation effektiv katalysieren kann.
Wenn es keinen anderen Weg gibt, einen anderen "Eintritt" in die Welt der Lebenden aus der Welt der leblosen Materie, dann hat Kunin Recht, und wir sollten die Hoffnung aufgeben, irgendein Leben im Universum außer irdisch zu finden. Es ist davon auszugehen, dass alles nicht mit einer einzigen hocheffizienten Polymerase begann, sondern beispielsweise mit einer bestimmten Gemeinschaft kleiner, ineffektiver Polymerasen und Ligasen (Ribozyme, die kurze RNA-Moleküle zu längeren zusammenfügen können). Vielleicht wird dies die Bewertung etwas optimistischer machen, wird aber die Situation nicht grundlegend ändern. Weil der erste Replikator noch sehr komplex war und ohne die Hilfe der darwinistischen Evolution hätte erscheinen sollen - eigentlich aus Versehen.
Eine praktikable Alternative ist die nichtenzymatische RNA-Replikation (NR-RNA): Ein Prozess, bei dem RNA-Moleküle ohne die Hilfe komplexer Ribozyme oder Proteinenzyme repliziert werden. Ein solcher Prozess existiert, er wird durch Mg2 + -Ionen katalysiert, aber er verläuft zu langsam und ungenau - zumindest unter den Bedingungen, unter denen die Forscher Zeit hatten, es zu versuchen.
Es besteht jedoch die Hoffnung, dass es dennoch möglich sein wird, einige plausible Bedingungen zu finden (die im Prinzip auf einigen Planeten existieren könnten), wenn die NR-RNA schnell genug und genau geht. Möglicherweise erfordert dies eine Art relativ einfachen Katalysator, der auf abiogene Weise synthetisiert werden kann. Es ist möglich, dass einfache abiogene Peptide mit mehreren negativ geladenen Asparaginsäureresten, die Magnesiumionen zurückhalten, als solche Katalysatoren wirken können: Protein-RNA-Polymerasen haben ähnliche aktive Zentren, und diese Möglichkeit wird derzeit untersucht.
Die Frage nach der Möglichkeit einer wirksamen NR-RNA ist für die Beurteilung der Wahrscheinlichkeit der Entstehung des Lebens von grundlegender Bedeutung. Wenn NR-RNA möglich ist, kann es im beobachtbaren Universum einige lebende Planeten geben. Die grundlegenden Unterschiede zwischen den beiden Szenarien - mit möglicher und unmöglicher NR-RNA - sind in der Tabelle aufgeführt. Wenn NR möglich ist, könnte die Darwinsche Evolution fast unmittelbar nach dem Auftreten der ersten kurzen RNA-Moleküle beginnen. Der selektive Vorteil sollte durch jene RNA-Moleküle erzielt worden sein, die sich mittels HP effizienter vermehrten. Dies könnten zum Beispiel Moleküle mit palindromischen Wiederholungen sein, die selbst als Primer dienen könnten - "Samen" für die Replikation; Palindrome können sich in dreidimensionale Strukturen falten - "Haarnadeln", was die Wahrscheinlichkeit des Auftretens katalytischer Eigenschaften im RNA-Molekül erhöht. Wie auch immer, danachAls die darwinistische Evolution begann, wurde die weitere Entwicklung des Lebens nicht nur durch Zufall, sondern auch durch Gesetz bestimmt.
Die Schätzungen der Wahrscheinlichkeit (Häufigkeit) des Ursprungs des Lebens unter diesen beiden Szenarien sollten sich durch eine große Anzahl von Ordnungen unterscheiden (obwohl natürlich niemand genaue Zahlen angeben wird). Es ist auch wichtig anzumerken, dass, wenn das Leben "nach Kunin", dh aufgrund der zufälligen Anordnung einer wirksamen Ribozym-Polymerase, entstanden ist, sich das Prinzip der Komplementarität (spezifische Paarung von Nukleotiden), nach dem sich die Fähigkeit der RNA zur Reproduktion und Entwicklung entwickelt, als eine Art "Klavier im Gebüsch" herausstellt”, Was nichts damit zu tun hatte, dass sich auf den Planeten eine so große Menge an RNA-Molekülen angesammelt hatte, dass versehentlich ein wirksames Ribozym mit RNA-Polymeraseaktivität auf einem der Planeten auftrat. Wenn das Leben "nach Shostak" entstand (Nobelpreisträger Jack Shostak untersucht derzeit aktiv die NR-RNA und glaubt, dass dieser Prozess der Schlüssel zum Geheimnis des Ursprungs des Lebens ist),dann war Komplementarität kein "Klavier im Busch", sondern funktionierte von Anfang an. Dies macht das gesamte Szenario des Ursprungs des Lebens viel überzeugender und logischer. Ich würde auf Shostak wetten.
Somit hängt jetzt alles vom Erfolg von Spezialisten auf dem Gebiet der präbiotischen Chemie ab. Wenn sie realistische Bedingungen finden, unter denen NR-RNA gut läuft, haben wir die Chance, Leben auf anderen Planeten zu finden. Und wenn nicht, dann … müssen wir weiter suchen.
Armen Mulkidzhanyan, Dr. Biol. Sci., Universität Osnabrück (Deutschland), geleitet. wissenschaftlich. sotr. MSU:
Es ist schwer zu argumentieren, dass das Leben vor langer Zeit und auf der jungen Erde entstanden ist. Die Erde besteht aus chondritischen Gesteinen wie Meteoriten. Die Erwärmung dieser Gesteine während der Bildung der Erde verursachte das Schmelzen des mit Chondriten verbundenen Wassers. Die Wechselwirkung von Wasser mit einem erhitzten, reduzierten Gestein hätte zur Freisetzung von Elektronen, zur Bildung von Wasserstoff und zur Reduktion von Kohlendioxid (CO2) zu verschiedenen organischen Verbindungen führen müssen. Ähnliche Prozesse finden immer noch in Gebieten mit geothermischer Aktivität statt, beispielsweise in geothermischen Feldern, jedoch mit geringer Intensität. Auf den jungen Planeten anderer Sterne ist daher die Bildung organischer Materie in großen Mengen zu erwarten. Die Wahrscheinlichkeit, dass in diesem Fall Leben entstehen kann, kann unter Berücksichtigung der Entwicklung des irdischen Lebens geschätzt werden.
In den ersten zwei Milliarden Jahren lebten nur Mikroben auf der Erde. Dies wäre so weitergegangen, aber vor etwa 2,5 Milliarden Jahren lernten photosynthetische Bakterien, die Energie des Lichts zur Zersetzung von Wasser zu nutzen. Die Photosynthese entstand ursprünglich als Ersatz für die gedämpften geochemischen Prozesse des "Abladens" überschüssiger Elektronen. Bei der Photosynthese wird die Energie des Lichts verwendet, um verschiedene Verbindungen zu oxidieren, dh Elektronen von ihnen "wegzunehmen", diese Elektronen zu photoaktivieren und letztendlich CO2 durch sie zu organischen Verbindungen zu reduzieren. Das Wasserzersetzungssystem ist als Ergebnis der allmählichen Entwicklung einfacherer photosynthetischer Enzyme entstanden, die in einigen Bakterien konserviert sind. Es gibt mehrere sehr plausible Szenarien dafür, wie solche Enzyme unter Verwendung von Licht und Chlorophyll zuerst Schwefelwasserstoff oxidierten (und sogar jetzt tun es einige Leute), dannAls der Schwefelwasserstoff im Medium erschöpft war, wurden Elektronen aus Eisenionen und dann aus Manganionen entnommen. Infolgedessen lernten sie irgendwie, Wasser zu zersetzen. In diesem Fall gingen die aus dem Wasser entnommenen Elektronen zur Synthese organischer Stoffe und Sauerstoff wurde als Nebenprodukt freigesetzt. Sauerstoff ist ein sehr starkes Oxidationsmittel. Ich musste mich gegen ihn verteidigen. Das Auftreten von Mehrzelligkeit, Warmblut und letztendlich Intelligenz sind verschiedene Stufen des Schutzes vor Oxidation durch Luftsauerstoff. Warmblut und letztendlich Vernunft - das sind alles verschiedene Schutzstufen gegen Oxidation durch Luftsauerstoff. Warmblut und letztendlich Vernunft - das sind alles verschiedene Schutzstufen gegen Oxidation durch Luftsauerstoff.
Die Wasserzersetzung erfolgt in einem einzigartigen katalytischen Zentrum, das einen Cluster aus vier Manganatomen und einem Calciumatom enthält. Bei dieser Reaktion, die vier Lichtquanten erfordert, zersetzen sich zwei Wassermoleküle (2 H 2 O) gleichzeitig und bilden ein Sauerstoffmolekül (O 2). Dies erfordert die Energie von vier Lichtquanten. An den Manganatomen werden als Reaktion auf die Absorption von drei Lichtquanten nacheinander drei Elektronenleerstellen ("Löcher") akkumuliert, und erst wenn das vierte Lichtquant absorbiert wird, werden beide Wassermoleküle oxidiert, die Löcher mit Elektronen gefüllt und ein Sauerstoffmolekül gebildet. Obwohl die Struktur des Manganclusters kürzlich mit hoher Präzision bestimmt wurde, ist die Funktionsweise dieses Viertaktgeräts nicht vollständig geklärt. Es ist auch unklar, wie und warum im katalytischen Zentrum, wo in primitiven photosynthetischen Bakterien offenbarManganionen wurden oxidiert, wobei vier ihrer Atome mit einem Calciumatom zu einem Cluster kombiniert wurden, der Wasser zersetzen konnte. Die Thermodynamik der Beteiligung von Chlorophyll an der Wasseroxidation ist ebenfalls rätselhaft. Theoretisch kann beleuchtetes Chlorophyll Schwefelwasserstoff, Eisen und Mangan oxidieren, nicht jedoch Wasser. Es oxidiert jedoch. Im Allgemeinen geht es um eine Hummel: "Nach den Gesetzen der Aerodynamik kann eine Hummel nicht fliegen, aber er weiß nichts davon und fliegt nur aus diesem Grund."
Es ist sehr schwierig, die Wahrscheinlichkeit eines Wasserzersetzungssystems abzuschätzen. Diese Wahrscheinlichkeit ist jedoch sehr gering, da ein solches System in 4,5 Milliarden Jahren nur einmal entstanden ist. Es bestand keine besondere Notwendigkeit dafür, und ohne sie würden Mikroben auf der Erde gedeihen und in geochemische Kreisläufe einbezogen werden. Darüber hinaus sollte nach dem Auftreten von Sauerstoff in der Atmosphäre der größte Teil der mikrobiellen Biosphäre gestorben oder genauer gesagt verbrannt sein - die Wechselwirkung von organischer Substanz mit Sauerstoff ist Verbrennung. Nur Mikroben überlebten, nachdem sie gelernt hatten zu atmen, dh Sauerstoff direkt auf ihrer Außenhülle schnell wieder in Wasser zu bringen und ihn von innen zu verhindern, sowie die Bewohner der wenigen verbleibenden sauerstofffreien ökologischen Nischen.
Diese Geschichte kann als Beispiel für ein relativ junges (vor etwa 2,5 Milliarden Jahren) und relativ verständliches Ereignis dienen, das zu einem starken Anstieg der Komplexität lebender Systeme führte. Alles begann mit allmählichen Veränderungen der photosynthetischen Enzyme. Dann gab es eine einmalige und sehr nicht triviale evolutionäre Erfindung (Mangan-Calcium-Cluster), die es möglicherweise nicht gegeben hätte. Nachfolgende enorme Veränderungen waren eine Reaktion auf das Auftreten von "giftigem" Sauerstoff in der Atmosphäre: Die darwinistische Selektion wurde mit voller Kraft eingeschaltet, ich musste lernen, tiefer zu atmen und mein Gehirn zu bewegen.
Insgesamt haben wir einen Prozess, der in drei Phasen abläuft: (1) allmähliche Änderungen - (2) ein einmaliges unwahrscheinliches Ereignis - (3) weitere Entwicklung, jedoch auf einer anderen Ebene oder unter verschiedenen Bedingungen. Dieses Schema kann als molekulares Analogon zu Severtsovs klassischem Aromorphoseschema angesehen werden.
Wenn Sie sich die Post-Sauerstoff-Evolution ansehen, können Sie mehrere weitere solche unwahrscheinlichen einmaligen Ereignisse identifizieren, die den Verlauf der Evolution verändert haben. Dies ist die "Anordnung" einer komplexen eukaryotischen Zelle und die Entstehung von Gefäßpflanzen sowie verschiedene "Durchbrüche" in der Evolution von Tieren, über die Severtsov tatsächlich schrieb.
Die Entstehung des Lebens, die im Rahmen der RNA-Welthypothese als Entstehung sich selbst reproduzierender Ensembles von RNA-Molekülen (Replikatoren) verstanden wird, kann auch als dreistufiger Prozess dargestellt werden.
1) Vorbereitungsstadium: RNA-bildende Ribonukleotide können sich unter dem Einfluss von ultraviolettem (UV) Licht spontan aus einfachen Molekülen wie Cyanid oder Formamid "zusammensetzen". Er war im Überfluss auf der jungen Erde; Es gab noch kein ultraviolett absorbierendes Ozon in der Atmosphäre, da es keinen Sauerstoff gab, siehe oben. Wie Pouner und Saderland (University of Manchester) gezeigt haben, werden Nukleotide in einer speziellen, "aktivierten" cyclischen Form im UV-Licht "ausgewählt", wobei solche Nukleotide spontan RNA-Ketten bilden können. Darüber hinaus sind doppelte Watson-Crick-RNA-Ketten gegenüber UV-Strahlung wesentlich widerstandsfähiger als einzelne - dieses Ergebnis wurde von Evgeny Kunin in seiner allerersten veröffentlichten Arbeit im Jahr 1980 beschrieben. Das heißt, auf der jungen Erde könnten aufgrund des Flusses "zusätzlicher" Elektronen eine Vielzahl organischer Moleküle gebildet werden. Unter dem Einfluss harter Sonnenstrahlung überlebten jedoch hauptsächlich RNA-ähnliche Moleküle, vorzugsweise zu helikalen Strukturen gewickelt.
2) Ein einmaliges, unwahrscheinliches Ereignis: Ein Ensemble mehrerer RNA-ähnlicher Moleküle begann sich selbst zu kopieren (Milliarden von Jahren später wurden ähnliche selbstkopierende RNA-Ensembles durch RNA-Selektion unter Laborbedingungen erhalten).
3) Nachfolgende Evolution: RNA-Replikatoren begannen miteinander um Ressourcen zu konkurrieren, sich zu entwickeln, sich zu größeren Gemeinschaften zusammenzuschließen usw.
Der Nachteil dieses hypothetischen Schemas besteht darin, dass weder die molekularen Details des Ursprungs von RNA-Replikatoren noch die natürlichen Faktoren, die zu ihrer Selektion beitragen, bekannt sind. Hoffnung gibt die Tatsache, dass im Fall des nächstwichtigsten (und wiederum) evolutionären Ereignisses, nämlich der Entstehung von Ribosomen, Maschinen für die Proteinsynthese, molekulare Details rekonstruiert wurden. Dies wurde mit verschiedenen Methoden in vier Labors durchgeführt; Die Ergebnisse der Rekonstruktionen sind sehr ähnlich. Kurz gesagt, der Vorfahr moderner sehr komplexer Ribosomen war ein Konstrukt aus zwei RNA-Schleifen mit jeweils 50-60 Ribonukleotiden, die zwei Aminosäuren mit einer Peptidbindung kombinieren können. Die Zwischenstufen auf dem Weg von dieser Zwei-Schleifen-Struktur zu modernen Ribosomen wurden von Konstantin Bokov und Sergey Stadler (Universität von Montreal) detailliert verfolgt. Nobelpreisträger Ada Yonath und Kollegen (Weizmann Institute), George Fox und Kollegen (University of Houston) und Anton Petrov und Kollegen (University of Georgia).
Das Ribosom, das zunächst eine katalytische RNA-Untereinheit aufwies, nahm allmählich an Komplexität und Größe zu und synthetisierte die ganze Zeit Proteinsequenzen aus einem zufälligen Satz von Aminosäuren. Erst in den letzten Stadien seiner Entwicklung fusionierte es mit einem anderen RNA-Molekül, das zu einer kleinen Untereinheit des Ribosoms wurde, und die kodierte Proteinsynthese begann. Somit ist die Entstehung des genetischen Codes ein unwahrscheinliches evolutionäres Ereignis, das von der Entstehung der ribosomalen Proteinsynthese getrennt ist.
Weitere Forschungen werden es höchstwahrscheinlich ermöglichen, sowohl das Auftreten von Replikatoren als auch andere unwahrscheinliche Ereignisse zu rekonstruieren, z. B. solche, die mit dem Auftreten der ersten Zellen, dem Austausch von Genen zwischen den ersten Zellen und Viren usw. verbunden sind.
Zurück zu den Fragen nach Wahrscheinlichkeiten: Unsere detaillierte Betrachtung zeigt, dass die Entwicklung des irdischen Lebens kein „absolut unglaublicher Zufall“ist, sondern viele aufeinanderfolgende äußerst unwahrscheinliche Ereignisse.
Die kraftvolle Erzeugung organischer Materie fand höchstwahrscheinlich auf anderen jungen Planeten statt. Dies führte jedoch nicht unbedingt zur Entstehung des Lebens. Wenn sich das selbstreplizierende RNA-Ensemble nicht auf der Erde versammelt hätte, hätte es kein Leben gegeben. Die Produktion organischer Materie würde allmählich verblassen und die Erde würde Mars oder Venus ähnlich werden.
Aber selbst im Fall der Entstehung von Leben auf anderen Planeten könnte dieses Leben in jedem Anfangsstadium "stecken bleiben", und die Wahrscheinlichkeit, für immer auf einem primitiven Entwicklungsniveau zu bleiben, war unvergleichlich höher als die Wahrscheinlichkeit, den nächsten Schritt zu erklimmen und sich weiter zu bewegen.
Daher ist die Wahrscheinlichkeit, weise Außerirdische auf einem anderen Planeten zu treffen, unermesslich geringer als die Wahrscheinlichkeit, dort in einen einfachen, aber lebenden Schleim zu geraten (und dies, wenn Sie sehr viel Glück haben). Die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwo Sauerstoff lebt, ist ebenfalls unermesslich gering: Die Zersetzung von Wasser zu Sauerstoff ist eine sehr nicht triviale Vier-Elektronen-Reaktion.
Es ist also nicht sehr klug, eine Strategie zu entwickeln, um eine außerirdische Intelligenz zu finden. Die Tatsache, dass es (vorerst) intelligente Wesen auf der Erde gibt, ist ein sehr großer Erfolg. Daher ist es viel sinnvoller, in die Schaffung von "alternativen Flugplätzen" für das bereits existierende intelligente Leben zu investieren, falls die Natur versagt oder die Träger des Geistes selbst versagen. Das heißt, wir brauchen eine Ersatzerde oder noch besser ein paar.
Evgeny Kunin, geführt. wissenschaftlich. sotr. Nationales Zentrum für Biotechnologie-Informationen, Mitglied der US National Academy of Sciences:
Ich kann mich auf sehr kurze Bemerkungen beschränken, da ich mit allem, was Alexander Markov gesagt hat, völlig einverstanden bin … außer natürlich den Schlussfolgerungen. In der Tat ist das limitierende Stadium bei der Entstehung des Lebens die spontane Bildung einer Population von Ribozym-Polymerase-Molekülen mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit der Selbstkopie. Die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses ist verschwindend gering. Um es signifikant zu erhöhen, ist ein Prozess erforderlich, der die Möglichkeit der Evolution ohne die Beteiligung solcher Ribozyme in einem viel einfacheren System schafft. Die von Alexander diskutierte nichtenzymatische Replikation ist ein guter Kandidat für einen solchen Prozess. Das einzige Problem ist, dass es nach allem, was ich aus Chemie und Thermodynamik weiß, keine Chance gibt, diese Reaktionen auf das Niveau einer ausreichend genauen Replikation langer Moleküle zu bringen. Die Replikation sehr kurzer Oligonukleotide wäre als möglicher Zwischenschritt sehr interessant, erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit nicht signifikant. Daher bleibt meine Schlussfolgerung dieselbe: Die Entstehung des Lebens erfordert äußerst unwahrscheinliche Ereignisse, und daher sind wir allein in unserem Universum (das Thema mehrerer Universen muss hier nicht erörtert werden). Wir sind nicht nur intelligente Wesen, sondern allgemein Lebewesen im Allgemeinen.
Es ist wichtig, Folgendes zu beachten: Die äußerst geringe Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Leben bedeutet keineswegs, dass alles durch ein Wunder geschehen ist. Im Gegenteil, es handelt sich alle um eine Reihe normaler chemischer Reaktionen, die nur Stufen mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit umfassen. Folglich ist das Studium der Mechanismen, die die Entstehung des Lebens irgendwie erleichtern, nicht nur bedeutungslos, sondern auch äußerst wichtig und interessant. Es ist (noch) nicht sichtbar, dass dies die Wahrscheinlichkeit erheblich erhöhen könnte, aber das Erstellen eines Ereignisszenarios kann durchaus hilfreich sein.
Nun, ich werde mit einer quasi-philosophischen, aber meiner Meinung nach relevanten Überlegung enden. Die äußerst geringe Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Leben verstößt gegen das Mittelmäßigkeitsprinzip: Die Ereignisse auf unserem Planeten sind außergewöhnlich und sogar einzigartig im Universum. Das Prinzip der Mittelmäßigkeit verliert in diesem Fall gegenüber dem anthropischen Prinzip: Egal wie unglaublich die Entstehung des Lebens a priori war, UNTER DER BEDINGUNG der Existenz intelligenter Wesen und gerechter Zellen ist seine Wahrscheinlichkeit genau gleich 1.
Mikhail Nikitin, Forscher sotr. Abteilung für Evolutionsbiochemie, Forschungsinstitut für Physikochemische Biologie. A. N. Belozersky Moskauer Staatliche Universität:
Es scheint mir, dass das Leben mit einer bakteriellen Komplexität im Universum weit verbreitet ist, aber die Entwicklung zu mehrzelligen Tieren und potenziell intelligenten Wesen ist viel weniger wahrscheinlich.
Warum halte ich Bakterienleben für sehr wahrscheinlich?
Kunins Argumentation basiert auf Experimenten zur künstlichen Selektion von Ribozymen-Replikasen, die RNA-Moleküle kopieren und sich möglicherweise selbst kopieren können. Alle diese Ribozyme haben eine Länge in der Größenordnung von 200 Nukleotiden, und die Wahrscheinlichkeit, sie durch zufällige Selbstorganisation zu erhalten, liegt in der Größenordnung von 4 bis 200. Diese Experimente berücksichtigten jedoch nicht viele wichtige Faktoren, die zum einen die Replikation mit kürzeren und einfacheren Ribozymen sicherstellen und zum anderen vor Beginn einer Replikation die direkte Selbstorganisation zu strukturierten RNAs sicherstellen könnten, die als Ribozyme wirken können. Einige dieser Faktoren wurden bereits von anderen Autoren benannt: Shostaks nicht-enzymatische Replikation, Selektion auf Selbstpriming in Markovs "Welt der Palindrome", Selektion auf UV-Beständigkeit, die die RNA-Selbstorganisation auf die von Mulkidzhanyan vorgeschlagenen Haarnadelstrukturen lenkt). Ich werde dieser Liste Mineralsubstrate und "Wärmefallen" (enge Poren mit einem Temperaturgradienten) hinzufügen, die das Kopieren von RNA sehr einfach machen. Da wir ein einfaches selbstreplizierendes genetisches System haben, wird die Darwinsche Evolution mit hoher Wahrscheinlichkeit schnell eine Bakterienzelle oder ähnliches auf ihrer Basis erzeugen - mit einer Zellmembran, die eine konstante Salzzusammensetzung innerhalb der Zelle aufrechterhält.
Warum glaube ich, dass die Entwicklung des Lebens von einfachen Zellen zu mehrzelligen Tieren sehr unwahrscheinlich ist? Hier gibt es zwei Überlegungen, eine geologische und eine rein biologische. Beginnen wir mit dem ersten.
In der Paläontologie wurde zuverlässig festgestellt, dass die Entwicklung von Organismen sehr ungleichmäßig ist. Krisen und Revolutionen wechseln sich mit Stauungsperioden ab, die manchmal sehr lang sind. Die längste Stasisperiode wurde als "langweilige Milliarde" bezeichnet und dauerte den größten Teil des Proterozoikums - vor etwa 2 bis 0,8 Milliarden Jahren. Dem ging das Auftreten von Sauerstoff in der Atmosphäre, das Auftreten eukaryotischer Zellen und die globale Huronische Vereisung voraus, und es endete mit der größten Sturt-Vereisung in der Geschichte der Erde, einem Anstieg des Sauerstoffgehalts auf fast moderne Werte und dem Auftreten mehrzelliger Tiere. Die Entwicklung war im archäischen Zeitalter vor 3,5 bis 2,5 Milliarden Jahren relativ langsam, verglichen mit dem vorherigen katarchischen Zeitalter (der Zeit des Auftauchens des Lebens und dem späten Meteoritenbeschuss) und der anschließenden Sauerstoffrevolution. Die Gründe für diese Ungleichmäßigkeit sind nicht vollständig verstanden. Es scheint mir persönlich überzeugend, dass die "Sauerstoffrevolution" (die massive Vermehrung von sauerstoffproduzierenden Cyanobakterien) mit der Erschöpfung der Reserven an reduziertem (Eisen-) Eisen im Meerwasser verbunden war. Solange im Ozean genügend Eisen vorhanden war, gediehen die Mikroben dort mithilfe einer einfacheren und sichereren eisenoxidierenden Photosynthese. Es wird nicht Sauerstoff freigesetzt, sondern Verbindungen von Eisenoxid - Magnetiten und Hämatiten, die sich im gesamten Archäer auf dem Meeresboden ablagerten. Die Versorgung des Meeres mit neuem Eisen (hauptsächlich aus hydrothermalen Quellen am Boden) nahm ab, als die geologische Aktivität des Planeten nachließ, und schließlich zwang die Ressourcenkrise die photosynthetischen Mikroben, auf eine komplexere „Technologie“der Sauerstoff-Photosynthese umzusteigen. Ähnlich,Die Ursache für die „langweilige Milliarde“könnte der konstante Sauerstoffverbrauch für die Oxidation verschiedener Mineralien an Land sein, der es nicht erlaubt, den Sauerstoffgehalt über 1–2% zu erhöhen. In proterozoischen marinen Sedimenten gibt es viele Spuren der Onshore-Oxidation von Sulfiderzen, aufgrund derer Flüsse Sulfate, Arsen, Antimon, Kupfer, Chrom, Molybdän, Uran und andere Elemente in den Ozean beförderten, die im Archäischen Ozean fast nicht vorhanden waren. Die spätproterozoische Krise mit globalen Vereisungen, einem raschen Anstieg des Sauerstoffgehalts und dem Auftreten mehrzelliger Tiere könnte durch die Erschöpfung leicht oxidierbarer Mineralien an Land verursacht worden sein. Aufgrund dessen transportierten die Flüsse Sulfate, Arsen, Antimon, Kupfer, Chrom, Molybdän, Uran und andere Elemente in den Ozean, die im Archäischen Ozean fast nicht vorhanden waren. Die spätproterozoische Krise mit globalen Vereisungen, einem raschen Anstieg des Sauerstoffgehalts und dem Auftreten mehrzelliger Tiere könnte durch die Erschöpfung leicht oxidierbarer Mineralien an Land verursacht worden sein. Aufgrund dessen transportierten die Flüsse Sulfate, Arsen, Antimon, Kupfer, Chrom, Molybdän, Uran und andere Elemente in den Ozean, die im Archäischen Ozean fast nicht vorhanden waren. Die spätproterozoische Krise mit globalen Vereisungen, einem raschen Anstieg des Sauerstoffgehalts und dem Auftreten mehrzelliger Tiere könnte durch die Erschöpfung leicht oxidierbarer Mineralien an Land verursacht worden sein.
Daher wurde der Zeitpunkt des Beginns von zwei Schlüsselumdrehungen (Sauerstoff-Photosynthese und mehrzellige Tiere) wahrscheinlich durch das Gleichgewicht von biologischen (Photosynthese) und geologischen (Freisetzung von Eisen und anderen oxidierbaren Substanzen durch hydrothermale Entlüftungsöffnungen und gemahlene Vulkane) Prozessen bestimmt. Es ist durchaus möglich, dass diese Revolutionen auf anderen Planeten viel später kommen. Zum Beispiel wird ein massereicherer Planet (Supererde) die geologische Aktivität langsamer verlieren, Eisen länger in den Ozean abgeben und die Sauerstoffrevolution um Milliarden von Jahren verzögern. Planeten in der bewohnbaren Zone der Roten Zwerge erhalten wenig sichtbares Licht, das für die Photosynthese geeignet ist, und ihre Biosphären können auch in einem sauerstofffreien Stadium stecken bleiben. Die Wassermenge auf dem Planeten ist ebenfalls wichtig. Wenn der gesamte Planet von einem tiefen Ozean bedeckt ist, wird ihm Phosphor fehlen. Sie stammen hauptsächlich von Landvulkanen, und wenn wenig Wasser vorhanden ist, ist auch die für photosynthetische Mikroben verfügbare Meeresfläche gering (vor dem Auftreten mehrzelliger Pflanzen war die Produktivität terrestrischer Ökosysteme im Vergleich zu den Meeren vernachlässigbar). Das heißt, es gibt viele Gründe, warum die Biosphäre in einem sauerstofffreien mikrobiellen Stadium stecken bleiben und sich nicht zu Tieren entwickeln kann. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden. Die Fläche des Ozeans, die photosynthetischen Mikroben zur Verfügung steht, wird ebenfalls klein sein (vor dem Aufkommen mehrzelliger Pflanzen war die Produktivität terrestrischer Ökosysteme im Vergleich zu den Meeren vernachlässigbar). Das heißt, es gibt viele Gründe, warum die Biosphäre in einem sauerstofffreien mikrobiellen Stadium stecken bleiben und sich nicht zu Tieren entwickeln kann. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden. Die Fläche des Ozeans, die photosynthetischen Mikroben zur Verfügung steht, wird ebenfalls klein sein (vor dem Aufkommen mehrzelliger Pflanzen war die Produktivität terrestrischer Ökosysteme im Vergleich zu den Meeren vernachlässigbar). Das heißt, es gibt viele Gründe, warum die Biosphäre in einem sauerstofffreien mikrobiellen Stadium stecken bleiben und sich nicht zu Tieren entwickeln kann. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden.für photosynthetische Mikroben zugänglich (vor dem Auftreten mehrzelliger Pflanzen war die Produktivität terrestrischer Ökosysteme im Vergleich zu den Meeren vernachlässigbar). Das heißt, es gibt viele Gründe, warum die Biosphäre in einem sauerstofffreien mikrobiellen Stadium stecken bleiben und sich nicht zu Tieren entwickeln kann. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden.für photosynthetische Mikroben zugänglich (vor dem Auftreten mehrzelliger Pflanzen war die Produktivität terrestrischer Ökosysteme im Vergleich zu den Meeren vernachlässigbar). Das heißt, es gibt viele Gründe, warum die Biosphäre in einem sauerstofffreien mikrobiellen Stadium stecken bleiben und sich nicht zu Tieren entwickeln kann. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden. Die Zeit für die Entwicklung ist übrigens begrenzt: Die Leuchtkraft der Sterne nimmt mit der Zeit zu, und die Erde wird sich in 1,5 bis 2 Milliarden Jahren irreversibel erwärmen, ihre Ozeane werden verdunsten und der wachsende Treibhauseffekt wird sie zur zweiten Venus machen. Bei roten Zwergen wächst die Leuchtkraft langsamer, aber ihre Planeten können aufgrund des Verschwindens des Magnetfelds und des anschließenden Wasserverlusts in den Weltraum, wie es auf dem Mars geschehen ist, unbewohnbar werden.
Die zweite Überlegung betrifft die Entstehung von Eukaryoten - Zellen mit einem Kern. Eukaryontische Zellen sind viel größer und komplexer als die von Bakterien und Archaeen und traten später auf, höchstwahrscheinlich während der "Sauerstoffrevolution". Die eukaryotische Zelle erschien als Chimäre aus einer archaealen Zelle, einem symbiotischen Bakterium, das sich darin niederließ, und möglicherweise einem Virus, das sie infizierte (oder sogar mehr als einem). Die Struktur des Genoms der Eukaryoten zeigt eindeutig, dass ihre frühe Entwicklung nicht auf natürlicher Selektion beruht, sondern in vielerlei Hinsicht trotz. In kleinen Populationen ist die Selektion nicht sehr effizient, und leicht schädliche Merkmale können sich aufgrund von Gendrift und anderen rein zufälligen Prozessen festsetzen. Dies wird im entsprechenden Kapitel von Kunins Logik des Zufalls detailliert beschrieben und schlägt vordass das Auftreten von Eukaryoten selbst in einer geeigneten Umgebung (bakterielle Biosphäre, die in die Sauerstoffrevolution eintritt) sehr unwahrscheinlich ist. Zumindest sind Fälle einer intrazellulären Symbiose zwischen Bakterien und Archaeen praktisch unbekannt - obwohl sich Bakterien leicht in eukaryotischen Zellen ansiedeln.
Fazit: Ich denke, dass die Kombination der beschriebenen Faktoren dazu führen sollte, dass es in unserer Galaxie Millionen von Planeten mit Bakterienleben und viel weniger (möglicherweise nur wenige) geben wird - mit einem Leben von eukaryotischer und vielzelliger Komplexität.
Boris Sterns Nachsatz
Ein paar Worte, um die Diskussion zu beenden. Es ist durchaus möglich, dass Evgeny Kunin die Wahrscheinlichkeit der Entstehung des Lebens unter geeigneten Bedingungen stark unterschätzt hat. Trotzdem muss diese Einschätzung ernst genommen werden. Wenn er sich um 900 Größenordnungen geirrt hat, ändert das nichts: Wir sind alle gleich allein am Horizont des Universums, wo es nur etwa 1020-1021 geeignete Planeten gibt. Selbst wenn der Rest der Diskussionsteilnehmer Recht hat und alle möglichen Tricks der Natur wie die nichtenzymatische Replikation den Ursprung des Lebens mehr oder weniger wahrscheinlich machen können, wird es in den allermeisten Fällen ein sehr primitives Leben sein, das nicht in der Lage ist, auf ein höheres Entwicklungsniveau zu springen. Zwei Diskussionsteilnehmer haben darüber in Schwarzweiß geschrieben. Das ist das ganze Fermi-Paradoxon.
Daher folgen mindestens zwei wichtige organisatorische Schlussfolgerungen. Erstens: Entwickeltes Leben ist das seltenste und wertvollste Phänomen im Universum. Siehe daher den letzten Absatz von Armen Mulkidzhanyans Anmerkung: Die Menschheit hat ein nobles Gesamtziel - die Verbreitung dieses Phänomens. Wir werden separat über die Möglichkeiten und Methoden zur Erreichung dieses Ziels sprechen.
Die zweite organisatorische Schlussfolgerung: Die Zerstörung dieses Lebens wird ein irreparabler Verlust einer galaktischen oder sogar kosmologischen Skala sein. Dies sollte bei ihrer eigenen Einschätzung von "Falken" und Politikern berücksichtigt werden, die bereit sind, auf nukleare Erpressung zurückzugreifen, um ihre eigene "Größe" aufzublähen. Gleiches gilt für eine Zivilisation ungezügelten Konsums.
Autoren: Boris Stern, Alexander Markov, Armen Mulkidschanan, Evgeny Kunin, Michail Nikitin
