Was hat das Leben dazu veranlasst, diese unergründlich winzige Untergruppe aller möglichen Proteine ​​auszuwählen?

Ich frage mich, warum das Leben die speziellen Proteine ​​verwendet, die es verwendet, etwa 10 ^ 6 verschiedene Proteine, denke ich? Die Evolution kann es nicht erklären, weil die Anzahl möglicher Proteine ​​viel zu groß ist, um jemals irgendwo im sichtbaren Universum, geschweige denn auf der Erde, zu existieren. Und evolutionäre Selektion funktioniert nur bei Dingen, die existieren.

Gibt es eine chemische oder andere Erklärung, oder ist dies ein ungelöstes Paradoxon in der Biologie?

Die mittlere Anzahl von Aminosäuren in einem menschlichen Protein beträgt 375. Die meisten sind länger als 200 und vielleicht alle sind länger als 100. Die 20 verschiedenen Arten von Aminosäuren können zu 20 ^ 375 = 10 ^ 487 verschiedenen Proteinen kombiniert werden, die die Länge haben 375.

Wenn die gesamte Erdkruste aus Proteinen bestünde, die alle 375 lang wären und jedes Protein während 5 Milliarden Jahren einmal pro Nanosekunde mutiert und jede Mutation zu einem Protein führen würde, das in Zeit und Raum einzigartig ist, und es 100 solcher "Protein-Erden" gäbe um jeden Stern und 1000 Milliarden Sterne in jeder der 1000 Milliarden Galaxien im sichtbaren Universum summiert es sich immer noch nur auf etwa 10^100 Proteine. Addiert man 10^37 Jahre, bis der letzte Sternrest auf weniger als 1 Kelvin abgekühlt ist, ändert sich an diesem Bild nichts, fast alle möglichen Proteine ​​werden buchstäblich nirgendwo existieren. Selbst wenn ich bei jeder dieser Zahlen um den Faktor eine Million danebenliege, könnte nur eines von 10^300 aller möglichen Proteine ​​mit mittlerer Länge jemals existieren.

Da unsere verblüffend kleine Untergruppe möglicher Proteine ​​das Leben unterstützt, sollten wir nicht erwarten, dass viele, viele (wie in 10^300) andere potenzielle Untergruppen verschiedener Proteine ​​dies auch tun würden? Und können wir schlussfolgern, dass, wenn DNA/Protein-basiertes Leben woanders entstanden ist, es nicht einmal ein einziges Protein mit uns oder mit irgendeinem anderen unabhängigen Ursprung des Lebens gemeinsam hat? Oder ist dieser Fokus auf Proteine ​​irgendwie hinfällig?

Sätze "...evolutionäre Selektion funktioniert nur bei Dingen, die existieren." und "Was hat das Leben dazu veranlasst, dies zu wählen ..." Sieht aus wie "Das Leben fing plötzlich an, eine beliebige Menge von Proteinen zu verwenden, wie ein Typ, der einige Werkzeuge in einem nahezu unendlichen Laden kauft" und es ist nicht wahr - es hat alles mit Evolution zu tun .
@Mithoron Wenn Mutationen zufällig sind, kann das mittlere Protein zu 10 ^ 487 verschiedenen neuen Proteinen mutieren. Weniger als einer von 10^300 wird jemals irgendwo passieren, und trotzdem funktioniert das ein Leben lang gut! Vielleicht hätten 10^200 andere Mutationen auch gut funktioniert? Oder haben wir so viel Glück? Evolution hat nichts mit der Selektion von Proteinen zu tun, die es nie gibt. Die Evolution setzt erst bei dieser lächerlich kleinen Teilmenge ein. Ich frage mich, ob irgendein bekannter Mechanismus diese Auswahl an Proteinsorten erklären kann.
Diese Frage ist ein bisschen wie das Mischen eines Kartenspiels und die Frage, warum sie in dieser bestimmten Reihenfolge gelandet sind. Sie sind nur zufällig.
@CactusWoman Und zu dem Schluss kommen zu müssen, dass Sie entweder einen Straight Flush von eins zu 10^100 haben oder dass fast jede gegebene Hand genauso gut gewesen wäre. Es spielt keine große Rolle, wie Proteine ​​mutieren, sie werden sowieso Leben verursachen.
@LocalFluff Proteine ​​mutieren nicht. Gene mutieren. Einzelpersonen werden ausgewählt. Arten entwickeln sich. Selbst wenn Gene mutieren, könnten sie das nicht jede Nanosekunde tun. Die phänomenal große Menge an Strahlung, die dazu führen könnte, dass jedes Gen auf der Erde jede Nanosekunde mutiert – habe ich das richtig verstanden? Das ist vergleichbar mit Ihrem gedanken-Experiment? – würde das Leben auf der Erde in weniger als einer Sekunde auslöschen. Kein Leben, kein endloser Pool von 375 Aminosäuren langen Proteinen. Wenn wir sagen, dass es 10^6 verschiedene Proteinsequenzen auf dem Planeten gibt – ist das Ihre Behauptung (?) – dann ist das irreführend, sie haben nicht 10^6 Funktionen.
"Vielleicht hätten 10^200 andere Mutationen auch gut funktioniert?" Ja hätten sie. Luisi (ich empfehle Ihnen dringend, seine Arbeit zu lesen, wenn Sie wirklich an diesem Thema interessiert sind) hat dazu einen guten Punkt gemacht. Es gibt viele Studien, die zeigen, dass rein zufällige Proteine ​​eine hohe Wahrscheinlichkeit haben, eine Funktion zu haben. Es stellte sich beispielsweise heraus, dass für eine bestimmte Umgebung (Pufferbedingung) ein konsistenter Prozentsatz zufälliger Proteine ​​​​in eine gefaltete Struktur zusammenbricht und etwas biochemisches hat Reaktivität.

Antworten (3)

Die Antwort ist Zufall oder, noch besser, Kontingenz .

Was Ihre Berechnungen betrifft, so ist es richtig, dass die theoretischen Sequenzen nahezu unbegrenzt sind, die grundlegenden Gerüste jedoch nicht. Sehr unterschiedliche Sequenzen können sich in dasselbe Grundgerüst falten und eine ähnliche Reaktivität/Funktion haben. Auch wenn also noch nicht alle Sequenzen auf diesem Planeten erforscht wurden, so doch die meisten Gerüste und Funktionalitäten. Es ist wahr, dass proteinbasiertes Leben woanders entwickelt werden könnte, und es ist wahr, dass der gesamte Sequenzraum, der sich irgendwo anders entwickelt hat, anders wäre als der, der sich auf diesem Planeten entwickelt hat. Ich würde jedoch erwarten, fast die gleiche Palette biochemischer Reaktionen zu finden, die wir an unseren Proteinen entdeckt haben.

Ich würde vorschlagen, hier die Arbeit von PL Luisi zu lesen . Er macht wirklich gute Punkte zu diesem Thema.

Ein neues Papier ist gerade erschienen, ich denke, es ist eine schöne Ergänzung zu dieser Antwort.

+1 für den Sequenz-Gerüst-Vergleich. Guter Einblick,
Würde das Chunk-Kopieren von DNA auch die Proteindiversität in Bezug auf die einfache Generierung (First-Mover-Vorteil) und möglicherweise in Bezug auf die Fehlereindämmung beeinträchtigen?
Das ist keine logische Antwort. Die Evolution hat keinen Bezug darauf, welches "Gerüst" optimal wäre, da die Evolution niemals ein Protein testen und auswählen kann, das besser als 10 ^ 100 oder so mal schlechter als das tatsächliche theoretische Optimum ist, für ein Protein, das genau aus einer mittleren Anzahl von besteht Aminosäuren. "Zufall" ist nicht die Antwort. "Chance" ist genau das, was von diesen grotesken Monsterzahlen völlig besiegt wird!
Die Evolution weiß in der Tat nicht, welches Gerüst optimal ist, und sie wird niemals alle Möglichkeiten ausprobieren, aber darum geht es nicht. Mein Punkt ist, dass Sie bei einer unendlichen Anzahl von Folgen nicht mit einer unendlichen Anzahl von Funktionen oder Domänen enden. Die meisten der unendlichen Sequenzen falten sich in wenige Hauptgerüste mit mehr oder weniger der gleichen Form und haben am Ende sehr ähnliche biologische Funktionen.
Betrachten wir ein sehr einfaches Protein, um ein Beispiel zu machen, das GFP. Die einzige Funktion, die es hat, ist zu fluoreszieren. Viele Varianten dieses fluoreszierenden Proteins sind bekannt, alle mit unterschiedlicher Sequenz. Die Sequenz kann sehr unterschiedlich sein, aber alle Proteine ​​haben am Ende die gleiche Hauptstruktur und Funktion. Nun unterscheiden sich alle Varianten im Absorptions-/Emissionsspektrum und in der Stabilität unter verschiedenen Bedingungen. Diese Faktoren werden durch die Evolution ausgewählt, aber es wird von Fall zu Fall abhängen, ob beispielsweise ein rot fluoreszierendes Protein vorteilhafter als ein grünes ist.
Werden alle fluoreszierenden Proteinvarianten auf unserem Planeten durch die Evolution getestet? Nö! Gibt es ein besseres, stabileres und effizienteres GFP im Universum? Wahrscheinlich. Das "Optimal", auf das Sie sich beziehen, ist also immer ein lokales Optimum, lokal in Zeit und Raum, dh dieses bestimmte Protein hat jetzt einen Vorteil in dieser Umgebung und für diesen Organismus, und es wird sowieso nicht die beste Lösung sein. Das ist die Eventualität! und es wird größtenteils vom Zufall bestimmt ... Darum geht es bei der Evolution.

Ich bin mir nicht sicher, ob ich die Frage verstehe. Sie haben elegant demonstriert, dass möglicherweise nur ein winziger Bruchteil aller Proteinsequenzen existieren könnte, aber dann gefragt, warum nur ein winziger Bruchteil aller Proteinsequenzen existiert. Ihre Schlussfolgerungen über unabhängige Ursprünge des Lebens ohne gemeinsame Proteine ​​​​sind richtig, aber bedenken Sie auch, dass Sie als Mensch nicht einmal ein einziges Protein mit den Bakterien in Ihrem Joghurt gemeinsam haben (ich meine, Sie tun es, aber sie haben etwas andere Sequenzen ).

Soweit es darum geht, welche Proteinuntergruppen Leben ausmachen, gibt es nachweislich Tausende von Proteingruppen, die das Leben unterstützen. Jedes genetisch unterschiedliche Individuum hat einen etwas anderen Satz von Proteinen, von denen die meisten das Leben unterstützen.

Wie viele dieser Teilmengen existieren, ist unbekannt. Vielleicht verwenden Außerirdische nur Ribozyme, die auf RNA-Molekülen basieren. Vielleicht haben sie einen anderen Satz von Aminosäuren oder ein Siliziumrückgrat zu ihren Proteinen oder was auch immer. Bis wir außerirdisches Leben (oder perfekte Abiogenese im Labor) finden, ist die gesamte Vielfalt lebensähnlicher Dinge unerkennbar.

Ich dachte, alles Leben auf der Erde teilt einige Gene, sogar ich und der bakterielle Joghurt, den ich zum Frühstück esse. Aber vielleicht wird nichts davon als Proteine ​​exprimiert? Und ist es wirklich "nachweisbar", dass Tausende von Proteinen das Leben unterstützen? Und was hat „Tausende“ mit den Größenordnungen zu tun, um die es hier geht? Hier geht es nicht um Tausende, es geht um eins zu einer Billion einer Billion einer Billion einer Billion einer Billion einer Billion einer Billion einer Billion. Zumindest. Für das Protein mittlerer Länge, das Sie und mich am Leben und glücklich hält.
Auch hier kommt es nicht auf die Sequenz an, sondern auf die "Proteindomäne". Um eine einfache Analogie zu finden, denken Sie an ein Auto, das 4 Räder und einen Motor hat und eine Hauptfunktion hat. Jetzt können Sie sich Billionen Billionen Billionen verschiedener Autos vorstellen, jedes mit einer anderen Farbe, einer anderen Form, einer anderen Größe, verschiedenen Einstellungen ... Rechnen Sie nach und Sie werden feststellen, dass die Zahlen riesig sind. Die Funktion wird jedoch immer mehr oder weniger gleich sein. Auf anderen Planeten, mit anderen Kombinationen von Teilen, werden also immer die gleichen Maschinen entstehen. Proteine ​​sind molekulare Maschinen.
Sie und ein Joghurt teilen viele Gene, aber die Sequenzen sind nicht identisch. Metaphorisch gesehen haben Sie beide ein Lenkrad, aber es ist ein anderes Lenkrad. Vielleicht etwas kleiner oder mit Ledereinsatz oder was auch immer. Macht das gleiche, ist aber nicht identisch.
@alec_djinn Bist du sicher, dass alles „Leben“ genau die gleichen molekularen Funktionen hat? Das Leben in der „RNA-Welt“ wäre dem Leben ähnlich, das wir kennen, aber die überwiegende Mehrheit der Proteine ​​​​hätte völlig andere Funktionen oder wären überhaupt keine Proteine. Das Leben in der „RNA-Welt“ ist dem vertrauten Leben, das wir uns vorstellen können, am ähnlichsten, und es gibt eine statistische Gewissheit, dass außerirdisches Leben fremder wäre, als wir uns vorstellen können. „Gleichartige Maschinen“ müssen nicht zwangsläufig entstehen.
@ Resonating Nun ja, wenn wir über "Chemie-basiertes Leben" sprechen, dann ja. Welche Gruppe von Molekülen Sie auch wählen, es werden allgemeine Probleme zu lösen sein, um Leben zu haben, wie zum Beispiel, wie man Informationen speichert, den Energiefluss zum Laufen bringt usw. In einem molekularen Szenario werden diese Probleme durch die Kopplung chemischer Reaktionen (Oxidationen, Reduktionen, Bindungen) gelöst Bildung usw.) in größeren Bahnen. Ob diese Wege durch Proteine, Nukleinsäuren oder andere Moleküle katalysiert werden, spielt keine Rolle und kann von Lebensform zu Lebensform variieren. Denkst du nicht?

Sie fragen, warum Lebewesen die Proteine ​​verwenden, die sie verwenden, und nicht etwas anderes.

Es liegt hauptsächlich daran, dass sie etwas tun müssen, das funktioniert, und sie haben etwas gefunden, das gut funktioniert.

Jedes Protein erfüllt eine oder mehrere Funktionen für seine Zelle. Wenn es sich zufällig ändert, wird es sich wahrscheinlich in etwas ändern, das diese Funktionen weniger gut erfüllt. Weil es seit Tausenden von Generationen ausgewählt wurde, um etwas zu bekommen, das gut funktioniert, und daher sind die meisten Alternativen schlechter.

Viele Mutationen haben keine Wirkung. Aber wenn Sie 300 Proteine ​​haben und Sie eine Veränderung in jedem von ihnen haben, stehen die Chancen gut, dass Sie nicht so gut leben werden. Und wenn Ihr Sohn eine andere Veränderung in jedem Protein hat, wird er wahrscheinlich schlechter abschneiden als Sie. Es wird nicht viele Generationen dauern, bis Ihre Nachkommen nicht mehr mithalten können und aussterben.

Jede Änderung ist also ein Glücksspiel. Wenn Sie keine Änderungen vornehmen, dann wird irgendwann etwas, das sich ändert, besser funktionieren und Sie zum Aussterben bringen. Aber wenn Sie zu viele Änderungen vornehmen, wird es Ihren Nachkommen dadurch schlechter gehen. Idealerweise würden Sie genau die richtige Zahl wählen, um die gewichteten Wahrscheinlichkeiten des Schadens durch schlechte Änderungen im Vergleich zum Nutzen durch gute Änderungen auszugleichen.

Bei vielen Organismen ist die Änderungsrate um etwa 1 % gesunken – 99 % der Zeit erfahren sie keine Änderung, wenn sie sich reproduzieren.

Da unsere verblüffend kleine Untergruppe möglicher Proteine ​​das Leben unterstützt, sollten wir nicht erwarten, dass viele, viele (wie in 10^300) andere potenzielle Untergruppen verschiedener Proteine ​​dies auch tun würden?

Sicher. Und wir haben tendenziell einige gefunden, die wir von dort aus erreichen konnten, wo wir vorher waren. Punktmutationen treten in der Regel in kleinen Schritten auf. Sie tauschen eine Aminosäure gegen eine ähnliche aus. Der genetische Code ist ein Gray Code, oft bleiben Mutationen wirkungslos, oder hydrophobe Aminosäuren werden durch andere hydrophobe ersetzt, Aminosäuren werden durch andere ähnlicher Größe ersetzt usw.

Einige der besten Enzyme könnten Dinge sein, denen nichts anderes Gutes ähnlich ist, so dass es sehr schwer ist, sich zu ihnen zu entwickeln.

Science-Fiction-Autoren haben manchmal über das Leben geschrieben, das sich zu verschiedenen Zeiten entwickelt hat, und sie nehmen normalerweise an, dass das weiter entwickelte einfach und leicht diejenigen übertreffen wird, die nicht so lange Zeit hatten, bessere Wege zu finden. Das ist nicht unbedingt so. Menschen, die in die Silur-Zeit zurückversetzt wurden, essen vielleicht gut (sobald sie herausgefunden haben, welche Meeresfrüchte giftig sind) und werden möglicherweise von nichts gefressen (aber sie könnten von Tausendfüßlern belagert werden, wenn sie schlafen, und nicht in der Lage sein, Hängematten aus Cooksonia herzustellen, und haben auch keine Bäume, um die Hängematten aufzuhängen). Sie können immer noch nicht gedeihen. Eine halbe Milliarde Jahre Entwicklung, um in ein anderes Ökosystem zu passen, ist vielleicht doch nicht so nützlich.

Was hat das Leben dazu veranlasst, diese unergründlich winzige Untergruppe aller möglichen Proteine ​​auszuwählen?
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