Warum teilen sich Zellen (oder kopieren sich selbst)?

Die „Warum“-Frage

Warum replizieren sich Organismen?

Da es (extrinsische und eventuell auch intrinsische) Todesursachen gibt, verschwanden Organismen, die sich nicht replizierten, einfach. Diejenigen, die sich replizierten, führten schließlich zu wichtigen Linien.

Mit anderen Worten, Replikation findet statt, weil diejenigen, die sich nicht repliziert haben, verschwunden sind. Auch weil einzelne Dinge verschwinden können, sichern Sie Ihren Computer regelmäßig (falls Sie dies tun).

Die „Wie“-Frage

Durch welchen Mechanismus erfolgte die frühe Replikation?

Du hast eigentlich nicht wirklich danach gefragt, aber hier sind trotzdem ein paar Worte.

Der Mechanismus, durch den die erste Replikation erfolgte, ist größtenteils unbekannt, da es schwierig ist, spezifische Prozesse zu untersuchen, die vor so langer Zeit stattgefunden haben. Das Gebiet, das den Ursprung des Lebens untersucht, wird Abiogenese genannt . Vielleicht möchten Sie besonders den Abschnitt über Self-Enclosure, Reproduktion, Duplikation und die RNA-Welt lesen . Vielleicht möchten Sie auch etwas über Autokatalyse lesen .

Ich befürchte, dass eine Zusammenfassung bestehender Hypothesen zu frühen Fortpflanzungssystemen 1) meine Kapazitäten übersteigt und 2) kaum in den Wunsch passen würde, eine zu erhalten very (VERY VERY) easy explanation.

Es gibt zwei Probleme mit Ihrer Frage, die beide zu möglichen Antworten führen.

Erstens ist die Annahme, dass es jemals „ eine erste Zelle“ gegeben hat, falsch. Das Leben im Allgemeinen spielt sich in Populationen ab ; Wenn es einen von etwas gibt, dann gibt es normalerweise andere. Und das gleiche gilt für die Chemie; Wenn Sie ein bestimmtes Molekül an einer bestimmten Stelle haben, gibt es normalerweise auch andere (die auf die gleiche Weise dorthin gelangt sind wie das erste), und alle haben ähnliche Reaktionen (weil sich ähnliche Moleküle auf ähnliche Weise verhalten). Da die Abiogenese, der allgemeine Begriff für die Entwicklung von Leben aus Nicht-Leben, eine komplexe Chemie beinhaltet, die zu selbstreplizierenden Systemen führt, die zu Leben führen, wie wir es kennen, würden all diese Prinzipien auch dort gelten.

Zweitens ist die Annahme, dass das erste Leben eine Zelle war , wahrscheinlich falsch (außer wenn Gott das Leben erschaffen und mit einer Zelle begonnen hat, oder natürlich mit einer anderen solchen Ad-hoc-Idee). Das Leben wird teilweise durch Selbstreplikation definiert , und die Selbstreplikation ermöglicht auch die Optimierung von Systemen für bestimmte Zwecke über die Prozesse der biologischen Evolution (die eine unvollkommene Replikation erfordert und eine Folge davon ist); Das heißt, sobald Sie ein selbstreplizierendes System erhalten, sind Sie auf dem besten Weg, Leben zu haben - und die ersten Zellen, wie wir sie kennen, haben sich wahrscheinlich ziemlich weit in diesem Prozess entwickelt, weil sie bereits ziemlich optimiert sind.

Aus dieser Perspektive lautet die Antwort auf Ihre Frage, dass es nie darum ging, dass „die erste Zelle“ sich „entschieden“ hat, sich zu „replizieren“ – das erste Leben, das per Definition repliziert wird – und ob es eine Zelle war oder nicht, ist eine völlig andere Frage .

Wie sich das erste Leben für die Replikation „entschieden“ hat – Replikation ist eine chemische Reaktion, es ist nicht so, dass die moderne DNA sich für die Replikation „entscheidet“, es ist eine chemische Reaktion, die auftritt, wenn die Bedingungen es unvermeidlich machen. Biologen wissen derzeit nicht, was die ersten selbstreplizierenden Moleküle oder Systeme waren und wie sie sich ohne die komplexen Mechanismen repliziert haben, die die chemischen Reaktionen ermöglichen, die die DNA replizieren, aber die Annahme ist, dass es eine chemische Reaktion war, die aus dem Grund chemischer Reaktionen stattfand passieren - die Komponenten und Bedingungen sind so, dass das Befolgen der Gesetze der Physik dazu führt, dass die chemische Reaktion stattfindet. Für das, was es wert ist, sollte jedoch angemerkt werden, dass DNA zwar nichts außerhalb der Mechanismen der Zelle tun kann, dies jedoch nicht für RNA gilt. Tatsächlich können sich kleine RNA-Sequenzen in Lösung von selbst paaren,

Abiogenese ist eine unbeantwortete Frage der Wissenschaft, aber wenn Sie mehr Ideen darüber haben möchten, was Biologen glauben, was passiert sein könnte, können Sie hier nachsehen:

https://en.wikipedia.org/wiki/Abiogenesis

Ansonsten kann ich nicht umhin, meine Lieblingshypothese der Abiogenese zu erwähnen, die ich am spannendsten und (für meine Laienaugen) überzeugend finde und die, was noch wichtiger ist, veranschaulicht, wie „die erste Zelle“ ein ziemlich später Schritt in der Entwicklung des Lebens gewesen sein könnte . Hier ist ein Video von einem seiner Urheber, der darüber spricht:

https://www.youtube.com/watch?v=gb7pZyks_HE

Im Wesentlichen begannen diese Forscher damit, die Energie der chemischen Reaktionen zu untersuchen, aus denen die Bausteine ​​des Lebens bestehen, und herauszufinden, wie natürliche Reaktionen diese Energie erzeugen könnten. Sie fanden heraus, dass die Bedingungen, die in Hydrothermalquellen auftraten, für solche Reaktionen förderlich waren:

http://journalofcosmology.com/Abiogenesis107.html

In neueren Arbeiten verbinden sie dies mit Vergleichen bestehender Zellen, um herauszufinden, welche Merkmale der letzte universelle gemeinsame Vorfahre allen Lebens hatte, und wenn sie diese Dinge zusammenfügen, bauen sie ein ziemlich kohärentes Bild der ersten „Organismen“ auf, die sich in den Poren von entwickeln das Material hydrothermaler Quellen, das chemische Reaktionen beinhaltet, die komplexe Moleküle produzierten, die die Produktion weiterer solcher Moleküle förderten (einschließlich Proteine, Enzyme und RNA, die sich sowohl selbst replizieren als auch die Bildung von Proteinen fördern können), und weniger die Entwicklung von Membranen als Schutz vor der Außenwelt, sondern um den Energieunterschied zwischen innerhalb und außerhalb der Poren ("Protonengradienten") aufrechtzuerhalten, der die betreffenden Reaktionen weiter förderte,und Bakterien und Archaeen sind das Ergebnis zweier unabhängiger Ereignisse, bei denen Zellen aus dem porösen Gestein „abbrechen“ und frei leben.

http://nick-lane.net/wp-content/uploads/2016/12/Sousa-et-al-Phil-Trans.pdf

Hier ist eine Abbildung aus diesem Papier:

(Und das führt ein wenig zu meinem ersten Punkt, dass es keine einzige erste Zelle gegeben hat - Sie können in dieser Hypothese sehen, dass es viele Poren / Reaktionen gegeben hätte, die entlang von Protonengradienten / Gruppen komplexer Moleküle aufgetreten wären, die in positiven Rückkopplungsschleifen / sich selbst reagieren -Replizieren von Systemen/Membranen, die sich bilden/Zellen abbrechen/usw. zu einem beliebigen Zeitpunkt, was es wahrscheinlicher macht, dass ein "Schritt nach vorne" erfolgt (in Anführungszeichen, weil es im Nachhinein nur ein Schritt "nach vorne" ist; zu diesem Zeitpunkt wäre es eine Variation unter anderem) irgendwo in dieser Population auftreten).

Hier ist eine Geschichte,

Stellen wir uns vor, wir reisen vor langer, langer Zeit zurück.

Stellen wir uns ein paar Zellen vor. Manche teilen sich. Manche nicht. Und hin und wieder wird eine Zelle willkürlich durch UV-Licht oder giftige Chemikalien beschädigt oder einfach von einer anderen Zelle gefressen.

Also, was passiert .... Zellen, die sich teilen, überwiegen bald die Anzahl der Zellen, die sich nicht teilen. Und in sagen wir 1 Jahr sind alle Zellen, die Sie finden, Zellen, die sich teilen.

Und deshalb teilen sich Zellen. Eine selbstreplizierende Maschine übertrifft bald eine nicht selbstreplizierende Maschine, da sie replizieren kann.

Es ist kein Nachdenken erforderlich. Es ist auch kein intelligentes Design erforderlich. Alles, jede zufällige Mutation, die die sich selbst replizierende Maschine besser funktionieren lässt, auch nur ein bisschen, wird bald dazu führen, dass diese bessere, effizientere Revision die ursprüngliche Version übertrifft.

Es ist weniger Intelligenz als vielmehr Wasser, das den Berg hinunterfließt.

Tatsächlich werden auf diese Weise einige künstliche Ribozyme hergestellt. Ein Wissenschaftler stellt zunächst Hunderte von Millionen zufälliger RNA-Sequenzen her. Geben Sie die Mischung dann in einen Aktivitätstest. Wenn Aktivität auftritt, werden die Moleküle durch RNA-abhängige RNA-Polymerase kopiert. Und es werden mehr Kopien gemacht... und da die RNA-Polymerase viele Fehler macht... hat man eine Mutationsrate. Die Produkte durchlaufen eine weitere Auswahlrunde. Usw.

Und wenn der Wissenschaftler später in der Woche zurückkommt... haben sie ein effizientes Ribozym. Hat der Wissenschaftler dieses Molekül entworfen ... ein intelligentes Design? Nö. Es gab so gut wie keine Intelligenz im Design von RNA. Tatsächlich möchte dieser Wissenschaftler diese Mischung von Ribozymen untersuchen und herausfinden, wie sie funktionieren.

In der Natur ist dieser Test einfach Überleben. So lange wie möglich da sein, um so viel wie möglich zu replizieren.

Das Experiment, das ich beschreibe, ist ein generisches Experiment, um zu demonstrieren, wie sich die RNA-Welt entwickeln könnte. Mehrere Beispiele https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2652413/ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4390851/

Zunächst einmal gibt es Zellen, die sich nicht teilen. Zum Beispiel haben sich die Nervenzellen des zentralen Nervensystems von Säugetieren als sehr langlebig erwiesen, und die Regel ist, dass sie sich im Laufe der Zeit nicht teilen. Dasselbe gilt für die meisten ihrer Muskelzellen, aber der Punkt, den Sie schlussfolgern, ist richtig – Zellen replizieren sich, sonst wären inzwischen alle Zellen an Altersschwäche gestorben und die Erde wäre leblos. Daher entspricht die Antwort auf Ihre Frage eher der Antwort auf die Frage: Warum gibt es immer Zellen, die sich teilen wollen ? Sind Sie einverstanden?

Nun, ich habe eine Frage im Philosophie-Abschnitt, die Sie vielleicht für Ihre relevant finden. Es ist hier . Dort frage ich nach der Beziehung zwischen der Fähigkeit, „selbst zu handeln“, die dort als Handlungsfähigkeit definiert wird , und dem Begriff der Wahl – zB der Fähigkeit von irgendetwas, sich auf nicht deterministische Weise in verschiedene Zustände zu bewegen . Ich werde die philosophische Terminologie reduzieren und Ihnen die kurze Antwort geben, die ich mir selbst gegeben habe, nachdem ich diese Frage in der Philosophie SE gelesen und diskutiert habe. Grundsätzlich hat die Zelle keine andere Wahl, als sich für die Replikation zu entscheiden. Ja, ich weiß, diese Antwort mag sehr schwer verständlich erscheinen, aber Sie müssen sich die Zelle nicht als ein Geschöpf mit freiem Willen vorstellen, wie Sie es sind, sondern als eine Art "Computer", der Anweisungen in seinem "Programm" hat, zB DNA wann und wo replizieren und wann und wo stehen bleiben. Es hat also Entscheidungsfreiheit (die Fähigkeit zu wählen), aber es hat keinen eigenen freien Willen wie du oder ich. Genauso wie ein Computer sich nicht wirklich aussuchen kann, was er tun soll – es ist sein Programm , das ihm sagt, was er tun soll.

Dies ist die Antwort auf Ihre Frage - es gibt keinen "Standpunkt einer Zelle", weil sie wirklich keinen freien Willen hat . Wenn es keinen freien Willen hat, kann es keinen "Standpunkt" haben. So wie auch Computer keine "Standpunkte" haben können. Es teilt sich, weil es so programmiert ist. Es scheint uns nur, dass die erste Zelle eine Wahl hatte, was zu tun war und was nicht. Die Realität ist, dass die Zelle nichts anderes als Ihr Computer mit Windows-Betriebssystem ist. Wenn Windows „Teilen“ sagt, wird es teilen (wenn es natürlich dazu in der Lage war). Es gibt keine Wahlob sich die Zelle teilt oder nicht. Es ist genau das, was sein Programm ist. Bis es also Zellen gibt, die darauf programmiert sind, mehr Kopien von sich selbst zu machen, die ihre Nachkommen programmieren, mehr Kopien von sich selbst zu machen, wird es Zellen geben, die sich teilen, weil das Programm sich selbst repliziert. Und genau wie jeder andere Computervirus, bis ihm die Festplatte (z. B. die Umgebung) die Mittel zur Reproduktion bereitstellt, wird er dies tun. Kannst du mich verstehen?

PS Wenn Sie jedoch Ihre Frage, warum die erste Zelle dieses "Programm" zur Replikation hatte, "übersetzen", liegt die Antwort in der Chemie, nicht in der Biologie. Es gibt so etwas namens chemische Evolution . Es bedeutet wörtlich, dass der Ursprung des „Reproduktionstriebs“, der schließlich zum „Teilungstrieb“ wurde, ein direktes Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen chemischen, nicht biologischen Reaktionen war. Und chemische Reaktionen sind deterministisch , dh sie haben keinen freien Willen. Eine Reaktion kann sich unmöglich entscheiden, ob sie auftritt oder nicht. Es geschieht unter den natürlichen Bedingungen der Umwelt, und als die chemische Evolution schließlich durch die biologische Evolution ersetzt wurde, wurde die Ursache der ersten auch zur Ursache der anderen. So lässt sich der Ursprung des „Willens“ der Zelle zur Replikation erklären, und wie Sie überall um sich herum sehen können, ist diese „Ursache“ so ziemlich immer noch überall in Aktion. Ich hoffe, Sie können meinen Punkt verstehen.