Wie hat es das Leben geschafft, unzählige Teile zusammenzusetzen? Zumindest brauchten die ersten Lebensformen auf der Erde eine Möglichkeit, Informationen zu speichern und zu reproduzieren. Nur dann können sie Kopien von sich selbst erstellen und sich auf der ganzen Welt verbreiten. Vielleicht spielte die Chemie bei der Entstehung des Lebens eine viel wichtigere Rolle als bisher angenommen.
Eine der einflussreichsten Hypothesen ist, dass alles mit RNA begann, einem Molekül, das gleichzeitig genetische Aufzeichnungen aufzeichnen und chemische Reaktionen auslösen kann. Die Hypothese der "RNA-Welt" manifestiert sich in vielen Formen, aber nach den traditionellsten begann das Leben mit der Bildung eines RNA-Moleküls, das sich selbst reproduzieren kann. Ihre Nachkommen entwickelten die Fähigkeit, viele Aufgaben wie die Herstellung neuer Verbindungen und die Speicherung von Energie auszuführen. Im Laufe der Zeit folgte ein schwieriges Leben.
Wissenschaftler haben jedoch festgestellt, dass es überraschend schwierig ist, selbstreplizierende RNA im Labor zu erzeugen. Sie haben es geschafft, aber die bisher hergestellten Kandidatenmoleküle können nur RNA einer bestimmten Sequenz oder Länge reproduzieren. Darüber hinaus sind diese RNA-Moleküle selbst recht komplex, was Fragen aufwirft, wie sie durch den Willen eines chemischen Unfalls entstanden sein könnten.
Nick Hud, Chemiker am Georgia Institute of Technology, und seine Kollegen beschlossen, über die Biologie hinaus die mögliche Rolle der Chemie für den Ursprung des Lebens zu untersuchen. Vielleicht gab es vor dem Aufkommen der Biologie eine Vorstufe des Proto-Lebens, in der nur chemische Prozesse ein "Buffet" aus RNA und RNA-ähnlichen Molekülen erzeugten. "Ich denke, es gab einige Schritte, die zu einem sich selbst replizierenden, sich selbst tragenden System führten", sagt Hud.
In diesem Szenario könnten spontan verschiedene RNA-ähnliche Moleküle gebildet werden, die der chemischen Brühe helfen, gleichzeitig viele der für die Entwicklung des Lebens notwendigen Details zu erfinden. Proto-Life-Formen experimentierten mit primitiver molekularer Technik und zerlegten sie Stück für Stück. Das ganze System funktionierte wie ein Riesenschwarm. Erst als ein solches System etabliert wurde, entstand selbstreplizierende RNA.
Im Zentrum von Huds Vorschlag steht das chemische Mittel, um eine so reiche Vielfalt an Proto-Leben zu schaffen. Computersimulationen zeigen, dass bestimmte chemische Bedingungen eine vielfältige Sammlung von RNA-ähnlichen Molekülen erzeugen können. Das Team testet diese Idee derzeit mit realen Molekülen im Labor und hofft, bald Ergebnisse präsentieren zu können.
Huds Gruppe ebnet den Weg für eine Reihe von Forschern, die die traditionelle Hypothese der RNA-Welt und ihre Abhängigkeit von der biologischen und nicht von der chemischen Evolution in Frage stellen. Im traditionellen Modell wurde eine neue molekulare Technik unter Verwendung biologischer Katalysatoren - Enzyme - geschaffen, wie dies bei modernen Zellen der Fall ist. Während des Proto-Lebensstadiums von Hud konnten unzählige RNAs oder RNA-ähnliche Moleküle mit rein chemischen Methoden gebildet und verändert werden. "Die chemische Evolution hätte dazu beitragen können, ein Leben ohne Enzyme zu beginnen", sagt Hud.
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Hud und seine Kollegen beschlossen, weiter zu gehen und anzunehmen, dass das Ribosom, der einzige Teil der biologischen Technik, der heute in allen Lebewesen vorhanden ist, ausschließlich aus der Chemie stammt. Dies ist eine ungewöhnliche Sichtweise, da viele glauben, dass das Ribosom von der Biologie geboren wurde.
Wenn Huds Team unter Bedingungen, die möglicherweise auf der frühen Erde existierten, Formen des Proto-Lebens erschaffen kann, kann davon ausgegangen werden, dass die chemische Evolution eine viel wichtigere Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt hat als von Wissenschaftlern erwartet. "Der darwinistischen Evolution ist möglicherweise eine einfachere Form der Evolution vorausgegangen", sagt Niels Lehman, Biochemiker an der Portland University in Oregon.
Vordarwinistische Welt
Wenn die meisten an Evolution denken, fällt ihnen die darwinistische Evolution ein, bei der Organismen um begrenzte Ressourcen miteinander konkurrieren und genetische Informationen an ihre Nachkommen weitergeben. Jede Generation unterliegt genetischen Korrekturen, und die erfolgreichsten Nachkommen überleben, um ihre Gene weiterzugeben. Diese Art der Evolution herrscht im modernen Leben vor.
Karl Woese, der renommierte Biologe, der uns den modernen Baum des Lebens schenkte, glaubte, dass der darwinistischen Ära eine frühe Lebensphase vorausging, die von völlig anderen evolutionären Kräften beherrscht wurde. Woese glaubte, dass es für eine einzelne Zelle fast unmöglich sein würde, alles zu bekommen, was sie zum Leben braucht. Daher stellte er sich eine Vielzahl von Molekülen vor, die an der gemeinsamen Existenz beteiligt sind. Anstatt miteinander zu konkurrieren, teilten primitive Zellen molekulare Innovationen. Diese vordarwinistische Brühe schuf die Zutaten für ein komplexes Leben und ebnete den Weg für die großartige Menagerie, die wir heute auf der Erde sehen.
Huds Modell führt Woeses vordarwinistische Zeitvision noch weiter in die Vergangenheit zurück und liefert primitiven Zellen die chemischen Mittel, um molekulare Vielfalt zu erzeugen. Eine Form des Proto-Lebens könnte einen Weg finden, die Blöcke zu erschaffen, die es braucht, um sich selbst zu erschaffen, eine andere könnte einen Weg finden, Energie zu gewinnen. Dieses Modell unterscheidet sich von der traditionellen Hypothese der RNA-Welt in seiner Abhängigkeit von der chemischen und nicht von der biologischen Evolution.
In der Welt der RNA reproduzierten sich die ersten RNA-Moleküle mit dem eingebauten Enzym Ribozym, das aus RNA besteht. In der Welt von Huds Proto-Leben wurde diese Aufgabe ausschließlich mit chemischen Methoden ausgeführt. Die Geschichte beginnt mit einer chemischen Suppe von RNA-ähnlichen Molekülen. Die meisten waren kurz, da sich höchstwahrscheinlich spontan kurze Ketten bilden würden, aber es könnten auch längere, komplexe Moleküle vorhanden sein. Huds Modell beschreibt, wie lange Moleküle ohne die Hilfe eines Enzyms reproduziert werden könnten.
Hud glaubt, dass in der präbiotischen Welt die primäre RNA-Brühe regelmäßige Heiz- und Kühlzyklen durchlief und dick und viskos wurde. Die Hitze trennte die gebundenen RNA-Paare und die viskose Lösung hielt die Moleküle für eine Weile auseinander. Währenddessen werden an jeden langen Strang kleine RNA-Segmente mit nur wenigen Zeichen Länge gebunden. Diese kleinen Segmente wurden allmählich zusammengenäht und bildeten einen neuen RNA-Strang, der dem ursprünglichen langen Strang entsprach. Dann begann der Zyklus erneut.
Chemische Wege der RNA-Replikation
Im Laufe der Zeit, als sich die Brühe einer Vielzahl von RNA-ähnlichen Molekülen ausdehnte und wuchs, erwarben einige von ihnen einfache Funktionen wie den Stoffwechsel. Ebenso könnten rein chemische Reaktionen molekulare Vielfalt erzeugen, um ein vordarwinistisches Füllhorn des Woese-Proto-Lebens zu erzeugen.
Huds Gruppe hat es geschafft, die frühen Phasen des Reproduktionsprozesses im Labor abzuschließen, obwohl sie noch nicht gelernt haben, kurze Segmente zu kleben, ohne auf biologische Werkzeuge zurückzugreifen. Wenn sie dieses Hindernis überwinden können, schaffen sie eine universelle Möglichkeit zur Reproduktion von RNA.
Einige Wissenschaftler bezweifeln jedoch, dass die chemisch vermittelte Reproduktion gut genug ist, um die von Hud beschriebene vordarwinistische Welt zu reproduzieren. "Ich weiß nicht, ob ich das glaube", sagt Paul Higgs, Biophysiker an der McMaster University in Hamilton, Ontario, der die Ursprünge des Lebens untersucht. "Alles muss schnell und genau genug geschehen, um Konsistenz zu schaffen." Das heißt, dieser Prozess muss neue RNAs schneller produzieren als zerstört und genau genug, um ungefähre Kopien von Matrizenmolekülen zu erstellen.
Chemische Veränderungen allein reichen nicht aus, um Leben zu schaffen. Die Brühe des Proto-Lebens brauchte noch eine Auswahl, die sicherstellen würde, dass nützliche Moleküle gedeihen und sich vermehren. In ihrem Modell schlägt Hadas Gruppe vor, dass die einfachsten Protoenzyme entstanden und sich verbreitet haben könnten, was ihren Schöpfern und der Gesellschaft insgesamt zugute kam. Zum Beispiel profitierte ein RNA-Molekül, das mehr Bausteine produzierte, für sich und seine Nachbarn, indem es ihnen zusätzliche Rohstoffe für die Reproduktion zur Verfügung stellte. Computersimulationen, die von Huds Gruppe durchgeführt wurden, zeigten, dass diese Art von Molekül durchaus Wurzeln schlagen könnte. Derjenige, der die Brühe bereichert, ist sehr nützlich.
Ribosomale Wurzeln
Ein möglicher Einblick in die vordarwinistische Welt ist das Ribosom, ein uraltes Stück der molekularen Maschinerie, die unserem genetischen Code zugrunde liegt. Es ist ein Enzym, das RNA, die genetische Information codiert, in Proteine übersetzt, die viele chemische Reaktionen in unseren Zellen ausführen.
Der Ribosomenkern besteht aus RNA. Dies macht das Ribosom einzigartig - die überwiegende Mehrheit der Enzyme in unseren Zellen besteht aus Proteinen. Sowohl der ribosomale Kern als auch der genetische Code sind allen Lebewesen gemeinsam, was auf ihre Existenz zu Beginn der Evolution des Lebens hinweist, möglicherweise noch bevor die darwinistische Schwelle überschritten wurde.
Hud und seine Kollegin Lauren Williams, ebenfalls von Georgia Tech, weisen darauf hin, dass das Ribosom ihre Theorie der chemisch definierten Welt unterstützt. In einem im letzten Jahr veröffentlichten Artikel gaben sie eine kontroverse Aussage ab: Der Kern des Ribosoms wurde durch chemische Evolution erzeugt. Und sie schlugen auch vor, dass es bereits vor dem Erscheinen des ersten selbstreplizierenden RNA-Moleküls auftrat. Der ribosomale Kern könnte ein erfolgreiches Experiment in der chemischen Evolution gewesen sein, heißt es. Und nachdem es in der vordarwinistischen Brühe Wurzeln geschlagen hatte, überschritt es die darwinistische Schwelle und wurde ein wichtiger Teil allen Lebens.
Ihr Argument beruht auf der relativen Einfachheit des ribosomalen Kerns, der formal als Peptidyltransferase-Zentrum (PTC) bekannt ist. Die Aufgabe des PTC ist es, Aminosäuren, die Bausteine von Proteinen, zusammenzusetzen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Enzymen, die chemische Reaktionen mit „cleveren chemischen Tricks“beschleunigen, wirkt es als Trockenmittel. Er überredet zwei Aminosäuren zur Bindung, indem er einfach das Wassermolekül entfernt. "Es ist so eine schlechte Art, eine Reaktion anzutreiben", sagt Lehman. "Proteinenzyme beruhen normalerweise auf stärkeren chemischen Strategien."
Lehman merkt an, dass Einfachheit wahrscheinlich in den frühesten Lebensphasen der Macht vorausging. „Wenn Sie über den Ursprung des Lebens nachdenken, müssen Sie zuerst über einfache Chemie nachdenken. Jeder Prozess der einfachsten Chemie dürfte uralt sein, sagt er. "Ich denke, das ist ein überzeugenderes Argument als die Tatsache, dass sie zu allem Leben gehört."
Trotz starker Beweise ist es immer noch schwer vorstellbar, wie der ribosomale Kern als Ergebnis der chemischen Evolution entstanden sein könnte. Ein Enzym, das mehr von sich selbst macht - wie ein RNA-Replikator in der Hypothese der RNA-Welt - erzeugt automatisch einen geschlossenen Kreislauf und erhöht ständig seine eigene Produktivität. Im Gegensatz dazu produziert der ribosomale Kern nicht mehr ribosomale Kerne. Es produziert zufällige Ketten von Aminosäuren. Es ist unklar, wie dieser Prozess die Produktion von mehr Ribosomen stimulieren soll.
Hud und seine Kollegen spekulieren, dass sich RNA und Proteine gemeinsam entwickelten und wer auch immer herausfand, wie man zusammenarbeitet, überlebte. Dieser Idee fehlt die Einfachheit der RNA-Welt, die die Existenz eines einzelnen Moleküls postuliert, das gleichzeitig Informationen codieren und chemische Reaktionen katalysieren kann. Aber Hud glaubt etwas anderes: Es ist die Komplexität, die der Entstehung des Lebens Eleganz verleiht.
"Ich denke, es wurde immer zu viel Wert auf Einfachheit gelegt, dass ein Polymer besser ist als zwei", sagt er. „Es könnte einfacher sein, spezifische Reaktionen zu erhalten, wenn die beiden Polymere zusammenarbeiten. Möglicherweise war es für die Polymere von Anfang an einfacher, zusammenzuarbeiten. “
Basierend auf Materialien aus dem Quanta Magazine
