Lebende Zellen sind biochemische Systeme, die ständig chemische Reaktionen durchführen. Eine der wichtigen Konsequenzen dieser chemischen Reaktionen ist die Fähigkeit einer lebenden Zelle, sich selbst zu replizieren. Auch die Tochterzellen führen ständig chemische Reaktionen durch.
Aus evolutionärer Sicht entstehen durch Zellteilung immer neue Zellen aus alten. Die erste Zelle auf der vorirdischen Erde muss bereitwillig chemische Reaktionen ausführen, um sich zu replizieren. Eine Reihe von Biochemikalien muss sich aus irgendeinem Grund angesammelt haben, um die erste Zelle zu bilden und chemische Reaktionen auszulösen.
Ein wichtiger Effekt hoch orchestrierter chemischer Reaktionen innerhalb einer lebenden Zelle besteht darin, dass die biologische Ordnung auf Kosten einer erhöhten Entropie in ihrer Umgebung aufrechterhalten wird. Diese Beobachtung ist jedoch eine Auswirkung der zellulären Organisation und Aktivitäten, nicht die Ursache.
Ich denke, Thermodynamik ist wichtig, um zu erklären, wie eine Reihe von Biochemikalien überhaupt zusammenkamen, um die früheste Zelle zu organisieren, und wie diese Biochemikalien begannen, sich an hoch orchestrierten chemischen Reaktionen zu beteiligen. Was ist dann die genaue Theorie?
Wie Leben aus keinem Leben entstand, demonstriert das Miller-Urey-Experiment , wie unter den Bedingungen der Urerde ein Funke in der Atmosphäre (analog zu einem Blitz) die Synthese der vielen der gleichen Aminosäuren (und Amine) initiiert haben könnte, die das Leben heute verwendet.
Mein Verständnis war, dass der Funke einige Bindungen zwischen den Gasen (und dem Wasserdampf) in der Luft aufbrach, was es den Atomen ermöglichte, sich in neuen Kombinationen erneut zu binden, um Aminosäuren zu bilden.
Hier ist ein 25-seitiges biographisches Memoir der NAS über Stanley Miller , auf Seite 3 beginnen sie mit der Diskussion dieses Experiments. Miller veröffentlichte dieses Experiment in den frühen 1950er Jahren, in dem er 5 Aminosäuren identifizierte. Die NASA und andere untersuchten jedoch dasselbe Experiment erneut und entdeckten, dass Miller zu wenige Aminosäuren enthielt, was auf die damals begrenzte verfügbare Ausrüstung zurückzuführen war. Sie haben 14 Aminosäuren und 5 Amine gefunden. Miller-Fläschchen aus einem unveröffentlichten Experiment ähnlicher Natur produzierten 22 Aminosäuren.
Darüber hinaus wurden Aminosäuren auf Meteoriten gefunden, was darauf hindeutet, dass sie zur spontanen Synthese fähig sind.
Darüber ist viel weniger bekannt, da wir es jetzt noch erforschen. Darüber hinaus gibt es derzeit mehrere verschiedene Theorien.
Denken Sie daran, dass das zentrale Dogma der Molekularbiologie den genetischen Fluss als DNA -> RNA -> PROTEIN beschreibt.
Der Grund, warum es verschiedene Theorien (und so viele Modelle darin) zum Übergang von der Chemie zur Biologie (CTB) gibt, liegt nicht darin, dass das Monomer eher spontan synthetisiert wird, sondern es ist fast buchstäblich ein Huhn und das -Ei-Situation. Alles ist ein Vorläufer für alles.
Eiweiß zuerst
Da Aminosäuren die Monomere von Proteinen sind, ist es eine wahrscheinliche (und einfache) Möglichkeit, dass eine spontane Reaktion Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge und Konfiguration bindet, um das erste Protein zu schaffen, das Leben ermöglicht. Die Funktion dieses Proteins könnte wahrscheinlich darin bestehen, Aminosäureketten zu Proteinen zu polymerisieren/zu verlängern.
Diese Theorie wird durch diese Studie unterstützt und demonstriert , die darauf hindeutet, dass das erste „Protein“ die Verlängerung und richtige Faltung anderer Aminosäureketten katalysierte, einschließlich der Schaffung weiterer Kopien von sich selbst. 0,3 % der möglichen Permutationen von Monomersequenzen verleihen einem „Protein“ die beschriebene Dehnungsfähigkeit, die zwar klein ist, aber angesichts des Alters der Erde und der Zeitlinie des Lebens eine aufregende Möglichkeit darstellt. Darüber hinaus erfordert die Polypeptidbildung nicht so viel Präzision wie die RNA-Synthese, da die spekulierten Eigenschaften von Proteinen und Aminosäuren mit den in der Studie gezeigten Computermodellen übereinstimmen.
Obwohl diese Theorie dem zentralen Dogma zu widersprechen scheint, müssen wir bedenken, dass die am Ursprung des Lebens auftretenden Reaktionen thermodynamisch spontan waren, sodass das „Muster“ des genetischen Flusses, das in den meisten Lebewesen vorhanden ist, möglicherweise kein direkter Indikator dafür ist, „was kam Erste." Dies wird durch die Existenz von Prionen (pathogene Proteine) und die Tatsache gestützt, dass einfache Organismen nicht immer mRNA verwenden, um Proteine zu synthetisieren (alternativ verwenden sie „nichtribosomale Peptidsynthetasen“).
Die Einschränkung von Protein-First-Modellen besteht darin, dass Proteine nicht wirklich in RNA „rückwärts arbeiten“. Obwohl Nukleinsäuren Bestandteile von Aminosäuren aus ihrer Biosynthese enthalten, handelt es sich um ziemlich unterschiedliche Moleküle.
Einige Modelle legen diese Protein-First-Theorie AUCH eine RNA-First-Theorie nahe (siehe unten). Die Idee ist, dass die Selbstreplikation biologischer Moleküle mit Proteinen begann, aber auch das auf Nukleinsäuren basierende „Leben“ entwickelte sich separat. Die RNA-Selbstreplikation brauchte wahrscheinlich länger, um das „Leben“ des Proteins zu übertreffen, was das heutige Leben erklärt und eine Erklärung für die obige Einschränkung liefert.
Organismen können andere Organismen „aufnehmen“ und in ihre eigenen Zellen einbauen. 2 häufig zitierte weit verbreitete Beispiele sind Organellen, Mitochondrien und Chloroplasten, von denen beide ursprünglich selbst für unabhängige Prokaryoten gehalten wurden.
RNA zuerst (auch bekannt als The RNA World Hypothesis)
Einige Theorien deuten darauf hin, dass RNA vor funktionellen Proteinen kam. Tatsächlich war dies die De-facto-Theorie, weil wir keinen Mechanismus hatten, um zu erklären, wie sich Proteine selbst replizieren könnten – etwas, das kürzlich demonstriert wurde. Darüber hinaus folgt dies dem zentralen Dogma und würde nicht nur die Entwicklung der Proteinsynthese erklären, sondern auch die genetische Informationsspeicherung (letztere kann nicht direkt durch die Protein-First-Theorie allein erklärt werden).
Eine Idee dahinter ist, dass einige RNA in der Lage war, die ersten RNA-replizierenden Enzyme selbst zu synthetisieren. Das klingt wie ein Catch-22, aber diese Studie hat herausgefunden, dass einige RNA-Stränge, wenn sie verbunden werden, selbst ein Enzym erzeugen können, das sich selbst repliziert – die buchstäbliche chemische Zusammensetzung dieses Enzyms sind RNA-Oligonukleotide. Diese RNA-Fragmente im Labor wurden jedoch aus bestehenden Ribozymen entnommen, sodass sie möglicherweise kein genauer Indikator für die ersten, spontan erzeugten Enzyme sind.
Beschränkungen von und nur RNA-zuerst-Modell ergeben sich aus der Tatsache, dass derzeit RNA-Synthese-/Replikationsprozesse detailliert, kompliziert und zerbrechlich sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass spontane Reaktionen allein diesen Prozess hervorrufen, scheint winzig (obwohl, wie bereits erwähnt, das Leben eine LANGE Zeit brauchte, um sich zu entwickeln).
Bis vor kurzem betraf eine weitere zitierte Einschränkung die Tatsache, dass kein bekannter Organismus RNA repliziert. Einige Viren schaffen es jedoch, RNA-replizierte Proteine zu codieren, und (wie bereits erwähnt) wurde kürzlich die Fähigkeit der RNA zur Selbstreplikation entdeckt, sei es in einer Laborumgebung.
Andere Theorien
Die letzte umstrittene Haupttheorie betrifft den Stoffwechsel. Diese Idee legt nahe, dass Stoffwechselprozesse vor der ersten Lebensform stattfanden, da viele heute bekannte Stoffwechselprozesse Aminosäuren und Nukleinsäuren aus Chemikalien in unserer Ernährung synthetisieren (wie unser Körper die Bausteine herstellt). Ein so großer Teil dessen, was den Stoffwechsel heute ermöglicht, wird jedoch von Enzymen angetrieben, die Proteine sind. Aus diesem Grund müssten all diese Prozesse dramatisch verlangsamt werden, um spontane Reaktionen unter Urbedingungen nachzuahmen, und darüber hinaus müsste es eine Erklärung dafür geben, wie energetisch ungünstige Reaktionen im Stoffwechsel auftreten würden. Die meisten dieser energetisch ungünstigen Reaktionen im aktuellen Stoffwechsel ernten die potenzielle Energie in ATP, das kurz gesagt Adenosintriphosphat ist. Das Molekül Adenosin wird auch als eine der Basen in Nukleinsäuren verwendet,
Ursprüngliche Aminosäuren (die im heutigen Leben nicht erhalten geblieben sind), die als die verborgenen ersten Bausteine des Lebens dienen, ist keine ungewöhnliche Theorie. Dieses Konzept steht jedoch selten allein – es trägt typischerweise entweder zu den Protein-First- oder RNA-First-Theorien bei.
Proto-RNA- Theorien schlagen ein unbekanntes „Sprungbrett“-Molekül wie RNA vor. Beweise dafür werden von Natur aus begrenzt sein.
Einige Ideen zitieren einen Meteor oder einen Weltraumfelsen, auf dem Leben vorhanden war, der mit der Erde kollidierte und Leben auf die Erde übertrug.
Sobald Selbstreplikation UND Translation (RNA-Protein) etabliert sind, kann die darwinistische Evolution den Rest erklären.
Zusätzliche Ressourcen
Wie Struktur in der Ursuppe entstand (Quantamagazine)
Das erste Molekül des Lebens war Protein, nicht RNA, schlägt neues Modell vor (Quantamagazine)
jakebeal
David
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