Berechnungsansatz zur Häufigkeit von Leben

@Luminarah

Luminarah schrieb:Damit m u s s t Du aber nicht recht haben.

Richtig. Das habe ich auch n i r g e n d s behauptet. Stattdessen habe ich geschrieben, dass man durch Intensivierung der Forschung meine Schlussfolgerungen falsifizieren k a n n.

@Mahananda
Zeit kann durch katalytische Prozesse extrem verkürzt werden. Wie diese im einzelnen ausgesehen haben ,ist dann derzeit völlig unklar. Irgend so etwas muss es jedoch gewesen sein,anders ist die Entstehung so komplexer Lebensformen nicht zu erklären. Es ist ja noch völlig unklar ,wieso Formosen und insbesondere Ribose eine derartige Rolle übernehmen konnte ,da es sie eigentlich in der Menge nicht geben konnte.

Wir können also daraus mit einen sehr seltenen Zufall argumentieren.Das ist ja legitim. Genausogut kann es sein,das sich derartige Prozesse ubiquitär wiederholen können.

Wir wissen es einfach nicht.

@Luminarah

Luminarah schrieb:Zeit kann durch katalytische Prozesse extrem verkürzt werden.

Das stimmt. Punktuell ist das bestimmt auch geschehen - z.B. auf Mineraloberflächen in Gesteinsporen oder Tonflächen. Aber solche rapiden Synthesephasen laufen nicht beliebig lange ab, weil der Zustrom von weiteren Monomeren in seiner Intensität schwankt. Es gibt daher immer wieder auch Stagnationen bis hin zu Zersetzungserscheinungen z.B. durch Hydrolyse. Deshalb habe ich eine durchschnittliche Reaktionsrate angenommen, die über lange Zeit hinweg annähernd konstant bleibt. Möglicherweise ist diese Reaktionsrate zu kurz oder zu lang bemessen, so dass sich im Durchschnitt kürzere oder längere Polymere ergeben. Viel weniger als eine Sekunde pro Monomer wird es unter präbiotischen Bedingungen aber nicht gewesen sein - eher mehr, was ein langsameres Polymerwachstum als von mir kalkuliert zur Folge hätte - und damit eine geringere Chance, dass anderswo Leben entsteht.

Luminarah schrieb:Es ist ja noch völlig unklar ,wieso Formosen und insbesondere Ribose eine derartige Rolle übernehmen konnte ,da es sie eigentlich in der Menge nicht geben konnte.

Seit 2009 ist ein Reaktionsschema bekannt, das RNA-Nucleotide als komplettes Stück entstehen lässt, statt wie zuvor vermutet über eine nachträgliche Bindung von Ribose mit Phosphat und Nucleinbase. Ich denke, dass hier der Zufall seine Hand im Spiel hatte. Möglicherweise gab es noch andere Polymerklassen, die es aber nicht geschafft hatten, sich zu einem Translationsmechanismus zu organisieren. Zufällig klappte es mit RNA-Polymeren - vielleicht, weil sie eine bessere katalytische Funktion ausüben konnten als eventuelle Konkurrenten und so die protozelluläre Struktur länger stabilisierten als andere Vesikel, in denen andere Polymere wechselwirkten.

Luminarah schrieb:Genausogut kann es sein,das sich derartige Prozesse ubiquitär wiederholen können.

Dass chemische Evolution ubiquitär abläuft, sobald die Rahmenbedingungen gegeben sind, halte ich für zwingend. Der Knackpunkt ist aber die Organisation des Reaktionsnetzwerks über Rückkopplung mit einem genetischen Apparat - analog zu unserem Schema, das mit Ribosomen funktioniert. Hier wissen wir tatsächlich noch nichts, was die Wahrscheinlichkeit des Übergangs von Chemie zu Biologie betrifft. Aber das Polymere eine notwendige Voraussetzung darstellen, um das Fundament für diesen Übergang bereitzustellen, davon bin ich überzeugt.

@Mahananda


Hier ist noch mal ein interessanter neuerer Artikel ,brandaktuell ,vielleicht kennst Du ihn noch nicht:

Vollständiger Artikel:
Elements of metabolic evolution 
C. Huber, F. Kraus, M. Hanzlik, W. Eisenreich, G. Wächtershäuser, Chemistry - A European Journal, advanced online publication: 13 Jan 2012 - DOI: 10.1002/chem.201102914


Kurze Zusammenfassung:

Die Entstehung erster Biomoleküle, die sich vervielfältigen und weiter entwickeln können gilt chemisch gesehen als der Ursprung des Lebens. Dieser "Urstoffwechsel" könnte in vulkanisch-hydrothermalen Strömungskanälen stattgefunden haben. Welche Reaktionen jedoch die Evolution dieses Urstoffwechsels auslösten, war bisher unklar. Nun zeigten Wissenschaftler der TU München (TUM) im Laborversuch erstmals Mechanismen, mit denen wenige Biomoleküle lawinenartig neue Produkte hervorbringen und so einen selbst-expandierenden Stoffwechsel in Gang setzen können. Über ihre Ergebnisse berichtet die Fachzeitschrift "Chemistry - A European Journal".

Vulkanisch-hydrothermale Strömungskanäle bieten eine chemisch einzigartige Umgebung, die auf den ersten Blick lebensfeindlich scheint. Es handelt sich um Risse in der Erdkruste, durch die Wasser strömt, das Vulkangase enthält und diverse Mineralien kontaktiert. Und doch - gerade in dieser extremen Umgebung könnten sich jene beiden Mechanismen entwickelt haben, die allem Leben zu Grunde liegen: Vervielfältigung von Biomolekülen (Reproduktion) und Entwicklung neuer Biomoleküle auf Basis der zuvor entstandenen Biomoleküle (Evolution).
Am Anfang dieser "Kettenreaktion", die letztlich zur Entstehung zellulärer Lebewesen führte, stehen dabei nur einige wenige Aminosäuren, die aus den vulkanischen Gasen unter Katalyse durch die Mineralien gebildet werden. Ähnlich einem Dominostein, der eine ganze Lawine nach sich zieht, regen diese ersten Biomoleküle dann sowohl ihre eigene Vervielfältigung als auch die Produktion ganz neuer Biomoleküle an. "Auf diese Weise entsteht das Leben nach von Anfang an feststehenden Gesetzen der Chemie zwangsläufig und in einer vorgegebenen Richtung", erklärt Günter Wächtershäuser, Honorarprofessor für evolutionäre Biochemie an der Universität Regensburg. Er hat den Mechanismus des sich selbst erzeugenden Urstoffwechsels theoretisch entwickelt - ein Laborbeweis jedoch fehlte bislang.

Nun gelang es Wissenschaftern um Claudia Huber und Wolfgang Eisenreich am Lehrstuhl für Biochemie der TU München, in enger Zusammenarbeit mit Wächtershäuser erstmals die Möglichkeit eines solchen, sich selbst anregenden Mechanismus im Labor direkt nachzuweisen. "Durch die Kombination moderner analytischer Verfahren erhalten wir immer mehr Einblicke in die molekularen Details des faszinierenden Reaktionsgeschehens", sagt Eisenreich. Die zentrale Rolle kommt hierbei dem aus Verbindungen der Übergangsmetalle Nickel- Cobalt- oder Eisen bestehenden Katalysator zu. Er sorgt nicht nur dafür, dass die ersten Biomoleküle überhaupt entstehen können, sondern bildet zudem den Ursprung der Kettenreaktion. Der Grund: Die aus den vulkanischen Gasen gerade erst neu entstandenen Biomoleküle greifen am Zentrum des Übergangsmetall-Katalysators an und ermöglichen so weitere chemische Reaktionen, in denen ganz neue Biomoleküle geschaffen werden. "Diese Kopplung zwischen Katalysator und organischem Reaktionsprodukt ist der erste Schritt", erklärt Wächtershäuser. "Leben entsteht, wenn es im Folgenden zu einer ganzen Kaskade weiterer Kopplungen kommt, die schließlich auch zur Bildung einer Erbsubstanz und erster Zellen führt".

In ihren Versuchen ahmten die Forscher die Bedingungen hydrothermaler Strömungskanäle nach und etablierten ein wässrig-metallorganisches System, das eine ganze Reihe verschiedener Biomoleküle produziert, darunter auch die Aminosäuren Glycin und Alanin. Hierbei diente eine Cyano-Verbindung als Kohlenstoffquelle und Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel. Nickelverbindungen erwiesen sich in den Versuchen als der effektivste Katalysator. Das entstandene Glycin und Alanin führten die Wissenschaftler dann einem weiteren System zu, das wiederum zwei neue Biomoleküle herstellte. Das Ergebnis: Die beiden Aminosäuren erhöhten die Produktivität des zweiten Systems um das Fünffache.

In folgenden Arbeiten möchten die Forscher die Bedingungen der vulkanisch-hydrothermalen Systeme, in denen das Leben vor Jahrmilliarden entstanden sein könnte noch genauer nachstellen. "Wir simulieren hierzu zunächst bestimmte Stadien in der Entwicklung eines vulkanisch-hydrothermalen Strömungssystems, um die wichtigen Parameter heraus zu finden", erklärt Wächtershäuser. "Erst danach können wir uns mit der rationalen Konstruktion eines Strömungsreaktors befassen".

Die Ergebnisse der Wissenschaftler um Wächtershäuser und Eisenreich zeigen, dass die Entstehung und Evolution von Leben im heißen Wasser vulkanischer Schlote praktisch möglich ist. Die Ergebnisse offenbaren Vorteile dieser Theorie im Vergleich zu anderen Ansätzen. In den vulkanischen Schloten ändern sich Temperatur, Druck und pH-Wert entlang des Strömungswegs und bieten so ein graduelles Spektrum von Bedingungen, das allen Stadien der frühen Evolution zuträglich ist, bis hin zur Entstehung der ersten Erbsubstanz (RNA/DNA).

Die wichtigste Eigenschaft des Systems jedoch ist seine Autonomie: Der erste Stoffwechsel wäre hier anders als beispielsweise beim Konzept einer "kühlen Ursuppe" nicht auf Zufallsereignisse oder eine Jahrtausende andauernde Ansammlung wesentlicher Komponenten angewiesen. Ist der erste Dominostein erst einmal umgeworfen, fallen die anderen von selbst. Die Entstehung des Lebens bewegt sich in festen Bahnen, vorgegeben durch die Regeln der Chemie - ein chemisch determinierter Prozess an dessen Ende der Stammbaum aller Lebewesen steht.


So etwas kann die richtige Richtung sein ,ohne extreme Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Temperatur und Katalyse , wäre die Synthese der Grundstoffe nicht erfolgt .

Hier geht es zur Originalarbeit:

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/chem.201102914/abstract;jsessionid=F84CDDBF0D9E70F424516644FAB591F2.d01t02


@Mahananda

Für heute erst mal danke für die schöne Diskussion und den interessanten Thread.Hat Spass gemacht.

@Luminarah

Hydrothermale Schlote haben bestimmt eine wichtige Rolle gespielt, um Nachschub an Monomeren und auch Polymeren zu liefern, die dann in vulkanischen Uferregionen "eingedampft" werden, wo es dann zu den nötigen Konzentrationen kommt, um z.B. in Gesteinsporen weitere Syntheseaktivitäten zu ermöglichen. Ich favorisiere eher die Lagunen-Variante, wo über die Gezeiten abwechselnd Austrocknungen und Vernässungen stattfanden, die mit wechselndem Salzgehalt und effizienterem Stoffaustausch einhergingen. Als Synthesereaktor für die Bereitstellung geeigneter Moleküle sind ufernahe Schlote aber allemal gut.

Noch einmal zurück zum eigentlichen Thema: Es gibt eine Foliensammlung von Eugene V. Koonin aus dem Jahr 2007, wo er eine Wahrscheinlichkeitskalkulation aufgeführt hat, die zu einem noch pessimistischeren Wert führt. Das kann man dort auf Folie 55 nachlesen:

http://online.itp.ucsb.edu/download/evonet07/koonin2/pdf/Koonin_Inflation_EvoNet_KITP.pdf

Auf Folie 61 finden sich dann auch solche Schlussfolgerungen, wie ich sie in meinem Eröffnungsbeitrag getroffen habe. Die Wahrscheinlichkeit von 10^ -1018 ist schon erschütternd ...

Für mich kann ich nur sagen,dass ich mich dieser Sichtweise nicht anschließen kann. Die Gründe dafür habe ich dargelegt. Wer Glauben will,dass wir die einzige Lebensform im Universum sind, der soll das gerne tun,meinetwegen auch auf dem Boden derartiger Berechnungen.

Solange nicht mehr Klarheit in dem Wissen um die Biogenese besteht,und derartig oben angefuhrte Kettenreaktionen schaffen beispielsweise gerichtete Reaktionen ,die katalysiert und schneller ablaufen ,zudem gerichtet zu höherer Komplexität und Polymerenbildung ,überzeugen mich derartige Ansätze nicht wirklich.

Die Rate Earth Hypothese bleibt eine ideologische Frage ,für die es Argumente und Gegenargumente gibt.

Die Rare Earth Hypothese bleibt eine ideologische Frage, für die es Argumente und Gegenargumente gibt.

Ich betrachte diese Hypothese nicht als ideologische Frage, auch wenn man sie ideologisch instrumentalisieren kann, was ich aber nicht tue. Für mich ist es lediglich eine falsifizierbare Hypothese, sonst nichts weiter. Einen Glauben mag ich mir darauf nicht aufbauen.

Beim Stöbern bin ich zufällig hier gelandet.

@Mahananda

Mahananda schrieb am 29.01.2012:Die Wahrscheinlichkeit von 10^ -1018 ist schon erschütternd ...

Aber nur, wenn man folgenden Satz überliest, der in dem Paper enthalten ist, aus dem die Kalkulation entnommen ist:

"Let us assume that, for the onset of biological evolution, a unique n-mer is required."

Der Knackpunkt ist hier "unique" im Sinne von "einzigartig" oder "einmalig". Das legt den Schluss nahe, dass es auf eine einzelne Sequenz ankommt, die passgenau sein muss, damit die biologische Evolution starten kann. So kann man es freilich nicht sehen, auch wenn die Ausführungen von Eugene V. Koonin teilweise sehr interessant und aufschlussreich sind.

Es kann meiner Ansicht nach nicht ausgeschlossen werden, dass über Selbstorganisationsphänomene bei hinreichend lang gewordenen Polymeren (~100 Monomere) binnen kurzer Zeit sich selbst stabilisierende funktionsfähige Netzwrke entstehen, aus denen ein Translationsmechanismus emergiert, wie er als "breakthrough-system" von Koonin beschrieben wird.

Gemäß des vom TE erstellten Berechnungsansatzes (den ich weiter unten kritisieren werde) sind solche Polymere bereits nach knapp 18 Millionen Jahren verfügbar und ordnen sich wunderbar in das Zeitfenster ein, dass zwischen dem Großen Bombardement und dem nachweis erster Lebensformen gegeben war:

Mahananda schrieb am 28.01.2012:Ein Polymer von 2^7 Polymeren benötigt (2^7)^7 = 2^49 s = 17,84 Millionen Jahre zur Entstehung.

Es kommt daher möglicherweise nicht auf eine bestimmte Sequenz an, sondern lediglich auf eine bestimmte Funktionstauglichkeit. Und da eine Vielzahl von Polymeren mit Zufallssequenz vorliegt, fächert sich auch die unktionstauglichkeit in eine Vielzahl von Funktionen auf, die über Rückkopplungseffekte aus dem Gesamtkontext der Molekülpopulation konstituiert werden.

Bei einer hinreichenden Größe der Molekülpopulation und einer hinreichend großen Verteilungsdichte ergeben sich somit "von selbst" Netzwerke, die u.a. in einen Translationsmechanismus münden können, nachdem sich mehrere Polymere zu einer Art Ribosom zusammengefunden haben, welches zunächst nichts weiter tut, als Aminosäuren in spontaner Zufalls-Sequenz miteinander zu verketten.

Diese Zufallsproteine konstituieren sich ebenfalls zu einem kontextbaserten Funktionsnetzwerk, bis über kurz oder lang der erste Hyperzyklus hochwächst und das vorhandene Netzwerk zu einer funktionalen Ganzheit integriert, in dem die verschiedenen Polymerklassen (Nucleinsäuren und Polypeptide) verschiedene Funktionsbereiche zugewiesen bekommen (Informationsspeicherung und -übertragung sowie Katalyse und Gerüststoff).

Die weitere Selektion lässt dann über den genetischen Code, der stetig in Richtung Fehlertoleranz optimiert wird sowie über den damit möglichen Horizontalen Gentransfer die ersten Zellen hervorgehen, die autonom bestehen und sich vermehren können (Szenario von Carl Woese, 2002).

Nun zum Berechnungsansatz des TE:

Das Polymerwachstum beginnt mit der Entstehung von Dimeren aus zwei Monomeren. Dabei reduziert sich die Zahl der verfügbaren Reaktionspartner auf die Hälfte, nachdem alle Monomere zu Dimeren geworden sind. Dies wiederum führt zur Verlangsamung der weiteren Reaktionsschritte infolge des Absinkens der Konzentration der Ausgangsstoffe. Durch Zustrom weiterer Monomere aus dem Umfeld (z.B. über Gezeitenströmungen) kommen die Reaktionen allerdings nicht zum Stillstand, ...

Die Reaktionszeit hat sich dabei stetig vergrößert, wobei die erste Verdopplung von 2^0 zu 2^1 einen Zeitraum von 2^1^1 mal durchschnittliche Reaktionsrate benötigt hat und die zweite Verdopplung von 2^1 zu 2^2 einen Zeitraum von 2^2^2 mal durchschnittliche Reaktionsrate.

Es ist überhaupt nicht nachvollziehbar, warum sich die Reaktionszeit stetig vergrößert, wenn weitere Monomere aus dem Umfeld stetig zuströmen. Die eingangs getroffene Feststellung, dass die Konzentration der Ausgangsstoffe abnimmt, wird durch den Zustrom ja wieder ausgeglichen! Also ist doch eher zu erwarten, dass die Wachstumsgeschwindigkeit so lange konstant bleibt, bis der Zustrom geringer wird bzw. ganz ausbleibt. Also verzerren sich die zeitlichen Distanzen, die für das Polyerwachstum benötigt werden in Richtung kleinerer Werte.

Doch weiter:

Mahananda schrieb am 28.01.2012:Mit zunehmender Länge der Polymere steigt auch die Anfälligkeit zum Zerbrechen der Monomerketten, so dass der Zeitbedarf zur Synthese längerer Polymere größer wird.

Das ist zwar einerseits richtig, zieht aber andererseits den Effekt nach sich, dass nach jedem Zerbrechen eines Polymers zwei neue Reaktionspartner zur Verfügung stehen, die sich entweder als Ganzes wieder finden, um zu einem neuen Polymer alter Länge zu reagieren - oder aber dass die etwas kürzeren Polymere, die parallel mit herangewachsen sind, sich an jedes der beiden Bruchstücke anlagern können und somit die durchschnittliche Polymerlänge fast genau wieder erreichen. Also auch hier wird der angenommene Verzögerungseffekt binnen kurzer Zeit wieder ausgeglichen.

Mahananda schrieb am 28.01.2012:Eine primitive Form könnte sich aus einer Replicase (zur Reduplizierung des Mechanismus), einem Set von 10 einfachen tRNA-Analoga (zur Translation) und einer Syntheseeinheit (primitives Ribosom) zusammensetzen. Da die erforderlichen Polymere zugleich vorhanden sein müssen, multiplizieren sich die Wahrscheinlichkeiten der Entstehung jedes einzelnen Polymers zu einem Gesamtwert. Der erforderliche Aufwand für das Gesamtsystem umfasst etwa 2^11 Monomere.

Der Zeitaufwand berechnet sich wie folgt:

t = (2^11)^11 s = 2^121 s = 84,243 Quadrilliarden Jahre!

Hierzu gilt das, was ich oben bereits schrieb. Einerseits standen funktionsfähige Polymere bereits nach spätestens 18 Millionen Jahren zur Verfügung, andererseits wird darauf abgehoben, dass sich die nötigen Komponenten für ein "Durchbruchs-System" nicht spontan zusammenfinden können, so dass darauf gewartet werden muss, bis sich die nötige Sequenz in hinreichender Größe spontan von selbst bildet.

Abgesehen davon ist die verwendete Formel von höchst zweifelhaftem Wert, wie ich bereits gezeigt habe. Die tatsächlichen Zeiten für die Synthese eines 2^11-Polymers dürften erheblich niedriger sein, wenn man die von mir benannten Ausgleichseffekte sowie Selbstorganisationseffekte berücksichtigt. Von daher ist der Berechnungsansatz bereits im Grundsätzlichen ein Muster ohne Wert.

Mit der Schlussfolgerung:

Mahananda schrieb am 28.01.2012:5. Es gab und gibt keine Außerirdischen, die jemals die Erde besucht haben und jemals besuchen werden.

kann ich mich durchaus anfreunden, aber die gebotene Berechnungsgrundlage ist dafür alles andere als stichhaltig.

@Luminarah

Luminarah schrieb am 29.01.2012:Solange nicht mehr Klarheit in dem Wissen um die Biogenese besteht,und derartig oben angefuhrte Kettenreaktionen schaffen beispielsweise gerichtete Reaktionen ,die katalysiert und schneller ablaufen ,zudem gerichtet zu höherer Komplexität und Polymerenbildung ,überzeugen mich derartige Ansätze nicht wirklich.

Das kann ich voll und ganz unterschreiben! Allerdings wurde dort in München wohl etwas getrickst:

Luminarah schrieb am 28.01.2012:Das entstandene Glycin und Alanin führten die Wissenschaftler dann einem weiteren System zu, das wiederum zwei neue Biomoleküle herstellte.

Interessanter wäre gewesen, herauszufinden, was passiert, wenn man die beiden Aminosäuren im Ursprungssystem belässt. So aber hat man sich der "König-Midas-Methode" bedient, die Robert Shapiro in seinem Buch "Schöpfung und Zufall" beschrieben hat. Und das die immer zu spektakulären Fortschritten führt, ist hinlänglich bekannt ...

Luminarah schrieb am 29.01.2012:Die Rate Earth Hypothese bleibt eine ideologische Frage ,für die es Argumente und Gegenargumente gibt.

Das sehe ich wiederum nicht so. Mit Ideologie hat das nichts zu tun, auch wenn es ideologisch Verblendete gibt, die diese Hypothese als Aufhänger benutzen, um ihre Glaubensüberzeugungen zurechtfertigen - sei es als Befürworter oder als Gegner dieser Hypothese.

Man,wenn ich das alles hier lese,komme ich mir sehr sehr klein vor. Und wenn ich schon so klein bin,dann müssen meine Probleme und Sorgen noch kleiner sein als ich aber trozdem werde ich von meinen Problemen gelenkt und die haben die oberhand in meinem Leben.