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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 begonnen wurde, sowie verschiedene Experimente, die im Gange sind, 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 ist. Die Evolution hat jedoch letztlich unser Verständnis von den Ursprüngen des Lebens behindert, da es die Spuren der ersten Lebensformen wegspülte und es unmöglich machte, die frühen Schritte des Lebens zurückzuverfolgen. Das bedeutet, dass selbst die einfachen Systeme, die nach dem Reverse-Engineering-Ansatz übrig geblieben sind, immer noch zu kompliziert sind, um den ersten Lebensformen zu ähneln.

Das Leben muss einfach begonnen haben; es könnte nicht aus einer komplizierten Gruppe von Molekülen entstehen, die bereits zusammenarbeiten. Es gab einen Schritt davor, in dem diese Moleküle selbst erzeugt wurden. Terrence Deacon von der University of California Berkeley erläuterte kürzlich in einem Vortrag, wie dieser Schritt hätte stattfinden können. [7 Theorien über den Ursprung des Lebens (Countdown)]

Das Leben braucht Ordnung

Eine schwierige Herausforderung, die überwunden werden muss, bevor sich das Leben bilden kann, ist, dass die Ordnung erzeugt werden muss. Dies ist jedoch nicht so einfach, wie es sich anhört, weil die Gesetze der Physik sagen, dass die Dinge auf natürliche Weise in einen Zustand der Unordnung abgleiten. Zum Beispiel wird ein Buch, das sich gefährlich am Rand eines Regals befindet, wahrscheinlich fallen - und somit Unordnung schaffen -, aber es ist höchst unwahrscheinlich, dass es Ordnung schafft, indem es sich selbst wieder aufnimmt.

Die Reihenfolge kann immer noch lokal erstellt werden, auch wenn das Gesamtsystem tendenziell in Unordnung gerät. Wenn man die Wärme durch ein System leitet, kann man es organisieren, zum Beispiel wird ein regelmäßiges Muster von Sechsecken erzeugt, wenn eine dünne Ölschicht gleichmäßig erhitzt wird, um Benard-Konvektionszellen zu bilden.

"Wenn Sie etwas aufheizen und es wird regularisiert, was es macht, ist es, die Hitze so schnell wie möglich loszuwerden", erklärte Deacon. "Wenn Sie also nicht ständig Wärme in das System pumpen, wird es sich selbst abschalten. Tatsächlich zerstören selbstorganisierende Systeme die Bedingungen, die sie so schnell wie möglich ermöglichen."

Das Leben kann nur durch die Erzeugung von Ordnung gebildet werden, aber es muss so geschehen, dass sich diese Ordnung nicht verschlechtert und dass sich das System letztendlich nicht selbst zerstört. [5 kühne Ansprüche auf außerirdisches Leben]

Autogenese als Brücke zum Leben

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

Dieser Prozess besteht effektiv aus zwei Teilprozessen: reziproke Katalyse und Selbstorganisation. Ein Katalysator ist etwas, das eine chemische Reaktion beschleunigt, und reziproke Katalyse bedeutet, dass zwei oder mehr Katalysatoren jeweils zur Synthese von einander beitragen. Ein Teil der Energie wird vom Anfangsmolekül zum nächsten übertragen, was wiederum ein anderes Molekül aufbricht und die Energie weitergibt.

"Es ist ein Du kratzt mir den Rücken, ich kratze deine Art von Beziehung", sagte Deacon. "Fast die ganze Chemie in lebenden Zellen hat diese Art von Zirkularität."

Spontane Selbstorganisation kann auftreten, weil einige Moleküle leicht symmetrisch zusammenpassen. Dies kann innerhalb von Zellen geschehen, um Mikrotubuli zu erzeugen.

"Mikrotubuli sind ein bisschen wie das Skelett einer Zelle, aber sie sind auch eine Art von Straßen innerhalb einer Zelle, die Moleküle mit sich führen", sagte Deacon.

Gegenseitige Katalyse und Selbstorganisation geben einander eine helfende Hand, da jeder produziert, was der andere braucht, und geben sich gegenseitig eine helfende Hand. Die reziproke Katalyse erzeugt eine lokale Konzentration von Molekülen, aber ohne dass irgendetwas sie an Ort und Stelle hält, werden sie bald so weit voneinander entfernt sein, dass sie nicht mehr in der Lage sind, miteinander zu interagieren. Die lokale Konzentration von Molekülen ist jedoch genau das, was die Selbstorganisation benötigt, um eine Barriere um die Katalysatoren herum zu bilden und sie somit einzukapseln.

"Genau das, was Sie tun müssen, um diese unabhängigen Katalysatoren zusammen zu halten, ist, was sie als Konsequenz produzieren", sagte Deacon. "Das Ergebnis ist, dass Container das Zeug enthalten, das notwendig ist, um sie herzustellen."

Wenn der Behälter, der die Katalysatoren umgibt, zerbrochen wird, werden die Katalysatoren auslaufen. Alles ist jedoch nicht verloren, denn sie werden nur einen anderen Container für sich selbst erstellen. Wenn sich die Katalysatoren nach dem Bruch etwas ausbreiten, ist es möglich, dass mehrere Systeme entstehen, die sich effektiv "reproduzieren" können.

Diese autogenen "Zellen" oder Autozellen sind nach wie vor keine lebenden Zellen im herkömmlichen Sinn, weil ihnen noch lebenswichtige Prozesse fehlen. [Mars könnte das Leben unterstützen, NASA findet (Video)]

Dennoch ist der Arbeitszyklus ähnlich dem, was Lebewesen tun können. Sie haben die Fähigkeit, Ordnung zu schaffen und sie dann davon abzuhalten, sich zu verschlechtern, anstatt die Bedingungen zu erfassen, die sie benötigen, um sich selbst neu zu erschaffen.

Deacon betont, dass wir auf unserer Suche nach Leben 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 konzentrieren, die bei der Erschaffung des Lebens eine Rolle spielen.

Energie gewinnen

Da die Autozellen immer wieder auseinander brechen und sich neu formieren, haben sie die Chance, ihre Umgebung zu testen. Wenn eine der Autozellen einen Katalysator fängt, der besser funktioniert als die anderen, wird sie mehr dieser proaktiven Katalysatoren produzieren, was eine begrenzte Form der Evolution erlaubt.

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

Eine helfende Hand von den Gasriesen

Ein großes Problem liegt in der Tatsache, dass der autogene Prozess wahrscheinlich nicht auf einem Planeten wie der präbiotischen Erde beginnt, da die Polymere, die für das Leben benötigt werden, in Wasser zerfallen. Wenn wir jedoch unser chemisches Experiment zu einem Gasriesen wie Jupiter führen, werden die hohen Konzentrationen von Methan und Ammoniak Cyanwasserstoff-Polymere produzieren. 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 Polyamide in früheren Epochen, in denen die Erde vom äußeren Sonnensystem beschossen wurde, eine Reise zur Erde machten, würden sie mit Wasser in Berührung kommen. Diese speziellen Polymere werden jedoch für eine gewisse Zeit nicht abgebaut werden. Stattdessen ersetzen sie ihre Seitenketten durch die für Proteine ​​charakteristischen Kohlenhydrate.

Auf diese Weise erzeugen sie Teilproteine, 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 in den äußeren Planeten nicht verfügbar sind, und diese Metalle beschleunigen die Katalyse.

Deacon besteht darauf, dass ganze Sonnensysteme benötigt werden, um Leben zu erzeugen, nicht nur terrestrische Planeten mit Wasser. Das Leben braucht wahrscheinlich ein Sonnensystem, das unserem eigenen ähnlich ist, um zu beginnen, obwohl autogene Prozesse immer noch in einem System auftreten können, das nur Gasriesen hat.

Er äußerte auch einen interessanten Punkt in Bezug auf den Marsmeteoriten ALH 84001, der die Wissenschaftler anfänglich dazu anregte, fossile Mikroben zu enthalten. Diese Möglichkeit wurde später von den meisten Menschen ausgeschlossen, teilweise weil die Strukturen als zu klein angesehen werden. Wie auch immer die Größe und Struktur einer Autozelle aussehen, so könnte dieser Meteorit uns einen versteinerten Vorläufer für das Leben zeigen. Deacon glaubt, dass die Autogenese auf dem Mars vor der Erde stattgefunden haben könnte, aber nur unser Planet hatte auf lange Sicht die richtigen Bedingungen dafür, dass dies zum Leben führt.

Selbst in einer alternativen Theorie über die Ursprünge 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 stellte auf der Goldschmidt-Konferenz im August eine Idee vor, dass die Bedingungen auf der prähistorischen Erde nur dazu gedient hätten, die Bildung von RNA zu hemmen. Mars dagegen wäre genau richtig gewesen. Während auf dem alten Mars etwas Wasser war, hätte es nicht genug gegeben, um die Bildung von RNA zu behindern. Auch wenn die frühe Erde Sauerstoffmangel hatte, hätte Mars genug, um oxidiertes Molybdän und Bor zu erzeugen, die für die Konstruktion von RNA entscheidend sind.

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