Heterochirale Biosphäre: eine zweihändige Welt

Ursprünglicher Beitrag:

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der sowohl links- als auch rechtshändige Chiralität auftaucht und sich zu einer Vielzahl komplexer Organismen entwickelt, die mit der postkambrischen Explosionserde vergleichbar sind (sowohl Pflanzen als auch Tiere).

Wie auf der Erde würde Chiralität für Aminosäuren, Zucker, Enzyme und möglicherweise andere essentielle Biochemikalien gelten. Eine Biochemikalie mit der richtigen Chiralität schmeckt oder riecht anders als ein Organismus mit passender Chiralität und ist für ihren Körper verdaulich/verwendbar, während einer Biochemikalie mit entgegengesetzter Chiralität ein anderer Geschmack oder Geruch fehlt und ihr Körper möglicherweise nicht in der Lage ist, sie zu verdauen es.

Ist es plausibel, dass beide Formen der Chiralität nicht nur entstehen, sondern gedeihen, ohne dass die eine die andere sehr früh zum Aussterben treibt?

Zur Klarstellung:

Nehmen Sie, wie in den Kommentaren unten angegeben, Folgendes an:

  • Unter ursprünglichen Bedingungen ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmtes biochemisches Molekül Links- oder Rechtshändigkeit entwickelt, 50/50.

  • Die Bedingungen, die ein solches Molekül hervorbringen, sind zumindest im unmittelbaren Bereich zum Zeitpunkt seiner Bildung stabil und/oder wiederholbar genug, dass sich auch gegenläufige Moleküle bilden werden.

  • Wenn anderswo nahezu identische Bedingungen vorzufinden sind, können die gleichen Prozesse dort auch gegenläufige Moleküle hervorbringen.

Beim Lesen der obigen Frage sollte der Schwerpunkt also auf der zweiten Hälfte liegen:

Ist es plausibel, dass beide Formen der Chiralität nicht nur entstehen, sondern gedeihen, ohne dass die eine die andere sehr früh zum Aussterben treibt?

"Frühzeitig" sollte als jeder Punkt vor der Entstehung von vielzelligem Leben verstanden werden.

Glaube es nicht, kann aber keine wissenschaftliche Referenz finden. Aber denken Sie so: Wir wissen, dass das Leben einmal vorkommt. Sie müssen es zweimal unabhängig voneinander und gleichzeitig starten, damit das zweite nicht eine bereits besetzte Welt vorfindet.
Es muss nicht zweimal gestartet werden. Es ist denkbar, dass die frühesten replizierenden biochemischen Verbindungen, die sich bilden, eine 50/50-Chance haben, nach rechts oder links zu gehen; Ich spekuliere, dass Populationen von beiden überleben.
Sie hatten vielleicht eine 50/50-Chance zu erscheinen, aber sobald die Münze gefallen ist, was bringt sie wieder in die Luft? Das lebensähnliche Zeug für Linkshänder müsste auftauchen, bevor das Zeug für Rechtshänder den Pool gefüllt oder viele darwinistische Aktionen erlebt hätte. Vielleicht ist es ein wirklich großer Pool oder viele ähnliche Pools, die sich nicht mischen.
@notstoreboughtdirt Vermutlich ermöglichen die Bedingungen, unter denen sich eine einzelne Biochemikalie bilden kann, dass sich andere gleichzeitig unter identischen Bedingungen in der unmittelbaren Umgebung bilden.
Ich habe Deavins Antwort gelesen, um zu bedeuten, dass ich mich in Bezug auf 50/50 geirrt habe. Als letzte Zutat mischt sich das Leben mit einer Händigkeit, die aus Konzentrationen und Temperatur vorhersagbar ist. Vielleicht könnte diese Vermischung jedoch an einem ungleichmäßigen Ort stattfinden.

Antworten (3)

Im Urozean wurden die ersten Verbindungen im Wesentlichen zufällig unter Verwendung verfügbarer Energiequellen, einschließlich Strahlung und Blitz, synthetisiert; hier war die Chiralität 50/50.

Aus dieser „Suppe“ entstanden die ersten, sehr groben, sich selbst replizierenden „Dinge“.

Diese gediehen, indem sie die große Menge an verfügbarem organischem Material verbrauchten.

Sobald diese Materialien weniger häufig vorkommen, trat ein starker Evolutionsschub auf: die Fähigkeit, benötigte komplexe (seltene!) Verbindungen aus relativ häufig vorkommenden "einfacheren" Verbindungen herzustellen.

Dies führte zu ersten Enzymen, die als Katalysatoren für chemische Reaktionen fungieren.

Dies ist der Punkt, an dem die Symmetrie gebrochen wurde. Die meisten (wenn nicht alle) Enzyme katalysieren eine einzelne Chiralität.

Dies bedeutet, dass (relativ) kurz nachdem die ersten „echten“ lebenden Protozellen begannen, den Ozean zu besiedeln (lange bevor Fitoplankton begann, die Zusammensetzung der Atmosphäre zu verändern), die überwiegende Mehrheit der verfügbaren organischen Verbindungen von „lebenden“ Zellen produziert wurde ... und somit mit einem spezifischen Chiralität.

Es ist denkbar, dass zwei nicht kommunizierende Urozeane nicht verwandte Bio(emi)sphären mit teilweise (oder vollständig) unterschiedlichen Verbindungen, möglicherweise mit unterschiedlicher Chiralität, hervorgebracht haben könnten. Als ganz besonderer Fall wäre es möglich, dass die beiden Bio(emi)sphären dieselbe Verbindung mit unterschiedlicher Chiralität enthalten.

Die Wahrscheinlichkeit, dass so etwas in der Praxis passiert, kann jeder vermuten, aber ich halte sie für eher gering. Der Grund dafür ist, dass eine sehr lange und komplexe Kette unwahrscheinlicher Ereignisse erforderlich war, um überhaupt lebende Zellen zu produzieren, und die Wahrscheinlichkeit, dass diese Kette zweimal in der Zeitspanne auftritt, die erforderlich ist, damit die erste alle "wahrscheinlichen" Umgebungen füllt, ist ziemlich gering.

Komplexe Reaktionen sind sehr schwierig einzurichten und zu replizieren; als Beispiel wurden Mitochondrien (die lernten, wie man Energie aus Zucker und Sauerstoff produziert) nie repliziert, sondern als symbiotische "Partner" in anderen Zellen akzeptiert, da sie so erfolgreich waren, dass es praktisch keine Zelle gibt, die sie nicht beherbergt (und sie sind alle eng miteinander verwandt; nein "parallele Evolution").

Fazit: Bei geeigneter Morphologie ist es denkbar, unterschiedliche und nicht verwandte Biosphären auf demselben Planeten zu haben. Es ist auch denkbar, dass diese beiden Biosphären viel später in Kontakt kommen könnten (vielleicht aufgrund einer tektonischen Bewegung, die die Barriere beseitigt). In diesem Fall ist es jedoch äußerst unwahrscheinlich, dass die Biota auch nur annähernd "ähnlich" sind. Chiralität wäre das geringste Problem.

AKTUALISIEREN:

OP fragte: Irgendwann müssen die Nachkommen dieser beiden Inkubatoren – ob zwei Weltmeere oder zwei Meter voneinander entfernte Gezeitentümpel – in Kontakt kommen. Was passiert dann ?

Es kommt (wie immer) auf die Besonderheiten an. Ich versuche mal eine Spekulation.

Im Allgemeinen wird es eine Anfangsphase geben, in der sich die beiden unterschiedlichen Populationen einfach ignorieren und auf gleicher Basis um die verfügbaren Ressourcen konkurrieren. Verbindungen, die von der "anderen Welt" produziert werden, wären nutzlos oder sogar giftig (weil der enzymatische Satz nicht in der Lage ist, mit ihnen umzugehen) und daher findet keine direkte Wechselwirkung statt.

Von diesem Moment an werden, wie gesagt, die beiden Populationen im Wettbewerb um Ressourcen stehen, das heißt, wenn eine einen signifikanten Vorteil gegenüber der anderen hat, wird dies die "weniger effiziente" "halbe Welt" langsam in Richtung Aussterben treiben (sie kann sich in einigen widersetzen geschützte Nische). Dies geschah mit anaeroben Bakterien in unserer Welt, als ein effizienterer aerober Stoffwechsel auftauchte.

OTOH, wenn die Effizienz (auch wenn sie auf verschiedenen chemischen Prozessen basiert) ungefähr gleich ist, wird eine Art "gegenseitige Anerkennung" stattfinden.

Es wird einen Push geben:

  • Vergiftung durch den „Anderen“ vermeiden
  • Wege finden, "fremde" Verbindungen zu metabolisieren.

Jeder Schritt in diese Richtung birgt die Gefahr, das oben erwähnte Gleichgewicht zu brechen, und wird dazu drängen, „Gegenmaßnahmen“ zu entwickeln. Etwas Ähnliches wie die "Erfindung" von Lignin durch Bäume, die Millionen Jahre dauerte, bis Bakterien einen Weg fanden, damit umzugehen.

Hier können Sie sich zwei divergierende Ergebnisse vorstellen:

  • Krieg: Konkurrenz zu Tode und damit die eine der beiden "Hälften", die sich früher oder später durchsetzt und die andere ins Aussterben (oder in eine biologische Enklave) treibt.

  • Zusammenarbeit: Entwicklung einer oder mehrerer symbiotischer Arrangements, bei denen komplexe biologische Wechselwirkungen Arten aus beiden "Hälften" umfassen.

In jedem Fall wäre es eine äußerst unwahrscheinliche „parallele Evolution“ jeglicher Art.

Ich stimme zu, dass es der Schlüssel ist, zwei Urozeane zu haben. Der zweite Schlüssel wäre, dass sich die beiden Ozeane verbinden, bevor sich mehrzelliges Leben entwickelt, aber die Frage geht davon aus, dass dies in Ordnung ist. Ich bin auch neugierig, wie Mitochondrien und Chloroplasten in diesem Szenario funktionieren würden. Bakterien ohne beides starben jedoch nicht aus, daher sollte eine parallele Evolution möglich sein, wenn die Chiralität eine echte Barriere darstellt. Was möglicherweise nicht der Fall ist, wenn Bakterien die Fähigkeit entwickeln, beide Chiralitäten zu konsumieren.
@VilleNiemi: Tatsache, die ich zu betonen versuche, ist: Bei zwei separaten "Inkubatoren" müssen sie zwei völlig unterschiedliche Lebensformen erzeugen, die auf völlig unterschiedlichen Molekülen basieren. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sie auf einer Art langer Polymere basieren, aber es ist bestenfalls unwahrscheinlich, dass eines von ihnen das ist, was wir "Protein" nennen; Wenn beide dieselbe Grundstruktur teilen, würde dies eine gewisse Eventualität bedeuten, derer wir uns derzeit nicht bewusst sind. Zwei unabhängige "Welten" zu haben, die sich im Grunde die gleiche Art von Biologie entwickeln (möglicherweise aber für Chiralität), ist etwas aus dem Star Trek-Universum.
Guter Punkt, aber für die Frage vom Thema abgewichen, da es um die Möglichkeit geht, nicht um die Wahrscheinlichkeit. Und es ist wirklich nicht so unvernünftig, eine solche Kontingenz anzunehmen. Die Anzahl der möglichen Chemien ist wahrscheinlich ziemlich begrenzt, und die beiden Ozeane wären wahrscheinlich in ihrer chemischen Zusammensetzung ziemlich ähnlich, da sie eigentlich keine getrennten Welten sind. Aber ja, trotzdem guter Punkt.
Irgendwann müssen die Nachkommen dieser beiden Inkubatoren – ob zwei Weltmeere oder zwei Meter voneinander entfernte Gezeitentümpel – in Kontakt kommen. Was passiert dann?
@rek: Ich habe die Antwort aktualisiert. Bitte sieh dir das mal an.

Sicher. In Wie können orientierungsdiskriminierende Menschen ihre Ansichten behalten, wenn sich herausstellt, dass sie auf einer nicht orientierbaren Oberfläche leben? , setze ich eine Welt auf einer realen Projektionsebene (siehe 5. Note). Insbesondere ist es nicht orientierbar.

In dieser Welt existiert Chiralität zwar lokal, aber nicht als globale Eigenschaft eines Objekts (Chemikalie, Organismus usw.). Dies bedeutet, dass das Leben, wenn es sich über die Welt ausbreitet und sie umhüllt, seine Chiralität im Wesentlichen automatisch umkehrt, wie ein Möbiusband (tatsächlich ist eine projektive Ebene im Grunde ein Möbiusband ohne Grenze).

Ich vermute jedoch, dass viele Organismen in einer solchen Welt teilweise achiral (sogar lokal) werden würden, um mehr Dinge essen zu können.

Beachten Sie, dass Ihre Welt nicht unbedingt eine echte Projektionsebene sein muss, damit dies funktioniert. Jede nicht orientierbare Oberfläche ist fällig (denken Sie nur daran, dass sie in einen geeigneten 3D-Raum einbettbar sein muss, es sei denn, Sie möchten, dass Ihre Welt ein weiteres Flatland ist ).

Ich bin etwas verwirrt über diese Antwort, da sie auf einen physischen Planeten von der Art, von der wir wissen, dass sie existiert, nicht anwendbar zu sein scheint.
@rek Entschuldigung, ich dachte, wir hätten die Frage nach fiktiven Welten. Sollte es erdähnlich sein?
@py Mir ist nie in den Sinn gekommen, dass ich spezifizieren müsste, dass es sich um eine physische, kugelförmige, materiebasierte Welt im dreidimensionalen Raum handelt, die in allen Facetten mit Planeten vergleichbar ist, von denen wir wissen, dass sie existieren. Aber ja, nennen Sie es erdähnlich.
@Rek Okay. Dann funktioniert diese Antwort definitiv nicht.
@rek (Außerdem könnten nicht orientierbare Wurmlöcher existieren, die dies ebenfalls ermöglichen würden.)

Allein aufgrund dieser Frage können wir in Ebenen der Chemie eintauchen, die Sie verblüffen würden.

Um es kurz und nicht technisch (relativ) zu halten, wäre es theoretisch möglich, obwohl, wie in den Kommentaren zu der Frage erwähnt, die Chancen nicht bekannt sind.

Der beste Ausgangspunkt wäre herauszufinden, wie die Chiralität bestimmt wird (ich meine nicht, wie wir die Chiralität einer Chemikalie bestimmen, sondern wie die Synthese der Chemikalie die Chiralität bestimmt). Diese veröffentlichte „theoretische“ Studie zeigt einen Versuch, Chiralität vorherzusagen:

Ergebnisse für eine Vielzahl von TADDOL-Derivaten [...] zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Befunden für das Vorzeichen, die Größe und die Temperaturabhängigkeit der helikalen Verwindungskraft (HTP). [...] Wir diskutieren die Temperatur- und Lösungsmittelabhängigkeit der helikalen Verdrillungskraft und argumentieren, dass in allen hier untersuchten Systemen die bevorzugte Auswahl bestimmter molekularer Konformationen bei verschiedenen Temperaturen und in verschiedenen Lösungsmitteln das beobachtete experimentelle Verhalten der erklären kann HTP.

Es ist also theoretisch möglich, Chiralität vorherzusagen. Genial.

Als nächstes müssen wir die Prozesse kennen, die die Biochemikalien, die das Leben begannen, durchlaufen haben, um geschaffen zu werden. Dann das gleiche für die Biochemikalien, die zum Überleben benötigt werden. Dies geht so lange weiter, bis Sie eine Bilanz aller Chemikalien und ihrer Synthesebedingungen haben.

Mit anderen Worten, wahrscheinlich unmöglich zu entdecken.

Davon abgesehen, wenn wir davon ausgehen, dass das Leben beider Chiralitäten in derselben Biosphäre entstanden ist, dann ist es wirklich eine Frage von "könnten sie zusammenleben?" Wahrscheinlich, aber nicht in direktem Zusammenhang. Fast alle Tiere sind territorial und würden die anderen wahrscheinlich aus ihren Territorien zwingen. Viele Pflanzen sind auf tierisches Leben angewiesen, um bei der Bestäubung/Verbreitung von Samen zu helfen, so dass die Chiralität der Pflanzen dort gedeihen würde, während andere dies möglicherweise nicht tun (insbesondere solche, die Verdauungsinteraktionen zur Verbreitung von Samen erfordern, wie Vogelkot).

"Wahrscheinlich, aber nicht in direktem Zusammenhang" stimme ich nicht zu. Es gibt beispielsweise mehr Beispiele für Mutualismus zwischen verschiedenen Arten, als wir zählen können. Zwei beliebige Arten könnten eine solche Beziehung haben, ohne sich um die Chiralität der anderen zu kümmern.
Die Frage setzt voraus, dass diese Biochemikalien mehr oder weniger gleichermaßen auftreten, daher halte ich nicht viel von dieser Antwort für zutreffend. Was den letzten Absatz betrifft, konkurrieren komplexe Organismen mit inkompatibler Chiralität wohl nicht um dieselben Ressourcen und sind wiederum keine "Ressourcen" (Beute), sodass ich mir vorstellen kann, dass linke Löwen mit rechten Zebras oder einer Herde von zusammenleben rechtes Zebra und linkes Zebra-Doppelgänger (jedes ein ungenießbarer Köder für das andere), aber ob es zu diesem Zustand kommen könnte, ist die Frage.
@Renan jede Form von Ungleichgewicht im empfindlichen Ökosystem würde dazu führen, dass die Waage kippt. Angenommen, es gibt 20 von beiden Chiralitäten von Plant, 21 d-Bird und 19 l-Bird. Da es 1 weiteren d-Bird gibt, fressen sie d-Pflanzen schneller, l-Pflanzen haben mehr Möglichkeiten, sich auszubreiten, l-Birds haben mehr Nahrung und Pop-Wachstum, wodurch d-Birds entweder durch Territorialismus oder reduziertes Futter vertrieben werden Verfügbarkeit. Darauf wollte ich hinaus. Vielleicht zu stark vereinfacht, aber es ist nur ein Beispiel. Unabhängig davon macht die Bearbeitung von OP 3 Monate nach der Veröffentlichung dieser Antwort sie strittig.
@rek Diese Antwort setzt das kleine Detail in der ursprünglichen Frage voraus, als ich sie vor 3 Monaten beantwortete. Nehmen Sie zum Beispiel auch Pflanzen; Pflanzen jeglicher Chiralität müssen um grundlegende Dinge wie Wasser, Stickstoff, Kohlendioxid und Sonnenlicht konkurrieren. Die Basis des Ökosystems steht also in starkem Wettbewerb um Ressourcen, und jede spezifische Chiralität, die einen Vorteil verschafft, wird Auswirkungen auf die Nahrungskette nach oben haben. Das spielt keine Rolle, basierend auf Ihrer Bearbeitung ... aber ich bin neugierig: Wofür ist das? Baust du darauf basierend eine Welt/Überlieferung? Warum nicht einfach davon ausgehen, dass dies möglich ist, mit Ihren anderen Annahmen?
@rek Wenn Sie sagen "gehen wir davon aus, dass sich Moleküle in 50:50-Chiralität bilden", warum dann nicht "nehmen wir an, dass das Leben mit 50:50-Chiralität gedeiht"?
Heterochirale Biosphäre: eine zweihändige Welt
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