Der erste Beweis für die physikalische Theorie des Ursprungs des Lebens

Nehmen Sie Chemie, fügen Sie Energie hinzu und erhalten Sie Leben. Die ersten Tests der von Jeremy England vorgebrachten provokativen Hypothese über den Ursprung des Lebens wurden durchgeführt und zeigen, wie Ordnung aus dem Nichts entstehen kann

Der Biophysiker Jeremy Ingland begeisterte 2013 die Öffentlichkeit mit seiner neuen Theorie und machte den Ursprung des Lebens zu einer unvermeidlichen Folge der Thermodynamik. Seine Gleichungen implizieren, dass sich Gruppen von Atomen unter bestimmten Bedingungen auf natürliche Weise neu anordnen, um immer mehr Energie zu verbrauchen, was zur kontinuierlichen Energiedissipation und zur Entstehung von "Entropie" oder Unordnung im Universum beiträgt. Ingland sagt, dass dieser Restrukturierungseffekt, den er Streuungsanpassung nennt, das Wachstum komplexer Strukturen, einschließlich lebender Organismen, stimuliert. Die Existenz des Lebens ist kein Rätsel oder Glück, schrieb er 2014 , es folgt aus den physikalischen Grundprinzipien und "sollte nicht so überraschend sein wie Steine, die von einem Berg rollen".

Seitdem hat Ingland, ein 35-jähriger außerordentlicher Professor am Massachusetts Institute of Technology, Aspekte seiner Idee in Computersimulationen getestet. Zwei der wichtigsten seiner Werke wurden im Juli 2017 veröffentlicht - das interessanteste Ergebnis erschien in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) und das zweite in Physical Review Letters (PRL). Die Ergebnisse beider Experimente scheinen die wichtigste Aussage Englands über die Anpassung unter dem Einfluss von Streuung zu bestätigen, obwohl die Möglichkeit ihrer Anwendung auf das wirkliche Leben in Frage bleibt.

"Dies ist offensichtlich eine bahnbrechende Studie", sagte Michael Lässig , Spezialist für statistische Physik und quantitative Biologie an der Universität zu Köln, zu den PNAS-Arbeiten von Ingland und dem Post-Doc des MIT, Jordan Horowitz . Lassig schreibt, dass dies "ein Beispiel für das Studium eines bestimmten Regelwerks in einem relativ kleinen System ist. Es ist also zu früh zu sagen, ob es möglich sein wird, es zu verallgemeinern." Die offensichtlich interessante Frage ist jedoch, was dies für das Leben bedeutet. “

In der Arbeit werden praktisch wichtige Details von Zellen und Biologie analysiert und ein vereinfachtes, simuliertes System chemischer Verbindungen beschrieben, in dem dennoch die spontane Entstehung einer außergewöhnlichen Struktur möglich ist - dieses Phänomen wird von England als die motivierende Kraft hinter der Entstehung des Lebens angesehen. „Dies bedeutet nicht, dass Sie diese Struktur garantiert erhalten“, erklärt Ingland. Die Systemdynamik ist zu komplex und nichtlinear, um Ergebnisse vorherzusagen.

Die Simulation beinhaltet eine Suppe von 25 chemischen Verbindungen, die auf vielfältige Weise miteinander interagieren. Energiequellen bewirken, dass einige dieser Reaktionen stattfinden, da Sonnenlicht die Produktion von Ozon in der Atmosphäre auslöst und der chemische Brennstoff Adenosintriphosphat die Prozesse in der Zelle steuert. Ausgehend von zufälligen Anfangskonzentrationen, Reaktionsgeschwindigkeiten und „Zwangslandschaften“ - Regeln, die besagen, welche Reaktionen externe Kräfte speisen und welche - entwickelt sich ein simuliertes Netzwerk chemischer Reaktionen , bis es seinen endgültigen, stabilen Zustand oder „festen Punkt“ erreicht. ".



Das System beruhigt sich häufig in einem Gleichgewichtszustand mit einer ausgeglichenen Konzentration von Chemikalien und Reaktionen, wobei die gleiche Wahrscheinlichkeit in beide Richtungen geht. Der Wunsch nach Gleichgewicht, zum Beispiel eine Tasse Kaffee, die auf Raumtemperatur abkühlt, ist das bekannteste Ergebnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik , der postuliert, dass sich die Energie ständig ausdehnt und die Entropie des Universums ständig zunimmt. Das zweite Gesetz funktioniert, weil Energie mehr Möglichkeiten hat, sich zwischen Partikeln zu verteilen, als sich an einem Ort zu konzentrieren. Wenn sich die Partikel bewegen und interagieren, ist die Verteilung der Energie zwischen ihnen wahrscheinlicher.

Unter bestimmten Anfangsbedingungen entwickelt sich das Netzwerk chemischer Reaktionen in der Simulation jedoch auf völlig andere Weise. In diesen Fällen entwickelt es sich zu festen Zuständen, die weit vom Gleichgewichtspunkt entfernt sind, wo es beginnt, Reaktionszyklen aktiv anzutreiben, wobei die maximal verfügbare Energiemenge aus der Umgebung entnommen wird. Diese Fälle können als „Beispiele für die Feinabstimmung“ zwischen System und Umgebung angesehen werden, wie Horowitz und Ingland schreiben, wenn das System „seltene Zustände extremen thermodynamischen Zwangs“ feststellt.

Lebewesen halten auch stabile Zustände extremen Zwangs aufrecht: Wir sind Superkonsumenten, die durch Reaktionen in Zellen eine große Menge chemischer Energie verbrennen und dadurch die Entropie des Universums erhöhen. Der Computer emuliert dieses Verhalten in einem einfacheren und abstrakteren chemischen System und zeigt, dass dieser Zustand „sofort ohne große Wartezeit“ auftreten kann, sagt Lassig, was die Verfügbarkeit dieser Punkte in der Praxis zeigt.

Viele Biophysiker glauben, dass in der Geschichte des Lebens etwas Ähnliches wie das von England beschriebene passieren könnte. Aber hat er das wichtigste Stadium im Ursprung des Lebens gefunden, hängt davon ab, was das Wesen des Lebens ist? Hier gehen die Meinungen auseinander.

Form und Funktion

Ingland, eine umfassend begabte Person, die in Harvard, Oxford, Stanford und Princeton gearbeitet hat, bevor sie im Alter von 29 Jahren zum MIT kam, glaubt, dass die Essenz der Lebewesen in der außergewöhnlichen Anordnung ihrer Atome besteht. "Wenn Sie sich vorstellen, dass ich die Atome eines Bakteriums zufällig mische - ich nehme, markiere und mische im Raum -, werde ich wahrscheinlich etwas Müll bekommen", schrieb er früher. "Die meisten Kombinationen von Atomen werden nicht zu einer solchen metabolischen Energiestation wie einem Bakterium."

Für eine Gruppe von Atomen ist es nicht einfach, Zugang zu chemischer Energie zu erhalten und diese zu verbrennen. Um diese Aufgabe zu erfüllen, müssen Atome in einer sehr ungewöhnlichen Struktur angeordnet sein. Laut England impliziert die Existenz der Beziehung zwischen Form und Funktion ", dass die Umwelt ein Problem darstellt, das durch die resultierende Struktur gelöst wird".

Aber wie und warum nehmen Atome eine bestimmte Form und Funktion eines Bakteriums mit seiner optimalen Konfiguration für den Verbrauch chemischer Energie an? England glaubt, dass dies eine natürliche Folge der Thermodynamik für Systeme ist, die weit vom Gleichgewichtspunkt entfernt sind.

Der physikalische Chemiker, Nobelpreisträger Ilya Prigogine , beschäftigte sich in den 1960er Jahren mit ähnlichen Ideen, aber seine Methoden waren begrenzt. Herkömmliche thermodynamische Gleichungen eignen sich nur zur Untersuchung von Systemen in einem Zustand nahe dem Gleichgewicht - wie langsam abgekühltes oder erhitztes Gas. Systeme, die mit leistungsstarken externen Energiequellen betrieben werden, weisen eine viel komplexere Dynamik auf und sind viel schwieriger zu untersuchen.

Die Situation änderte sich Ende der neunziger Jahre, als die Physiker Gavin Crooks und Chris Jarzynski „ Fluktuationssätze “ entwickelten, mit denen berechnet werden kann, wie direkte physikalische Prozesse häufiger ablaufen als umgekehrte. Theoreme ermöglichen es Forschern, die Entwicklung eines Systems auch weit vom Gleichgewicht entfernt zu untersuchen. Laut Sarah Walker , einer theoretischen Physikerin und Spezialistin für den Ursprung des Lebens an der Arizona University, besteht der neue Ansatz von Ingland darin, Fluktuationssätze auf „Probleme im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens“ anzuwenden. Ich denke, er ist der einzige von allen, der dies gründlich genug tut. “

Kaffee kühlt aufgrund der Tatsache ab, dass nichts ihn erwärmt, aber die Berechnungen von Ingland legen nahe, dass sich die Gruppen von Atomen, die von externen Energiequellen gespeist werden, unterschiedlich verhalten können. Sie bemühen sich, sich mit diesen Energiequellen zu verbinden, Orte auszurichten und zu wechseln, um Energie besser zu absorbieren und in Form von Wärme abzuleiten. Er zeigte ferner, dass dieser statistische Trend zur Energiedissipation die Selbstreproduktion unterstützen kann (wie er 2014 erklärte: „Das Erstellen von Kopien von sich selbst ist eine großartige Möglichkeit, mehr Energie zu verbrauchen). Ingland glaubt, dass das Leben und seine außergewöhnliche Kombination von Form und Funktion das Ergebnis einer Anpassung ist, die durch den Wunsch nach Zerstreuung und Selbstreproduktion angetrieben wird.

Selbst mit der Verwendung von Fluktuationssätzen werden die Bedingungen auf der frühen Erde oder in der Zelle zu kompliziert sein, um Vorhersagen auf der Grundlage dieser Prinzipien zu treffen. Daher müssen Ideen unter vereinfachten Bedingungen getestet werden, die auf einem Computer simuliert werden, um dem Realismus näher zu kommen.

In PRL simulierten Ingland et al., Tal Kachman und Jeremy Owen vom MIT ein System wechselwirkender Partikel. Sie fanden heraus, dass das System die Energieabsorption im Laufe der Zeit erhöht und Bindungen bildet und aufbricht, um besser mit seiner Antriebsfrequenz in Resonanz zu stehen. "Dies ist in gewisser Hinsicht ein einfacheres Ergebnis" als die PNAS-Arbeit, an der ein Netzwerk chemischer Reaktionen beteiligt ist, sagt Ingland.

In der zweiten Arbeit schufen er und Horowitz komplexe Bedingungen, unter denen spezielle Konfigurationen von Atomen mit verfügbaren Energiequellen verbunden werden müssten, so wie eine spezielle Konfiguration von Atomen eines Bakteriums es ermöglicht, den Stoffwechsel durchzuführen. In der Simulation stimulierten externe Energiequellen bestimmte chemische Reaktionen im Reaktionsnetzwerk. Die Aktivität einer solchen Stimulation hing von den Konzentrationen verschiedener chemischer Verbindungen ab. Mit dem Verlauf der Reaktionen und steigenden Konzentrationen könnte sich die Stärke der Stimulation dramatisch ändern. Diese Härte machte es dem System schwer, „Kombinationen von Reaktionen zu finden, die die verfügbare Energie optimal erzeugen könnten“, erklärt Jeremy Gunawarden , Mathematiker und Systembiologe an der Harvard Medical School.

Als die Forscher jedoch zuließen, dass sich das Reaktionsnetzwerk in einer solchen Umgebung entwickelt, wurde es genau auf diese Umgebung abgestimmt. Eine zufällige Reihe von Anfangsbedingungen entwickelte sich und nahm viermal häufiger als erwartet seltene Zustände starker chemischer Aktivität und extremer Unterstützung an. Und als solche Ergebnisse kamen, passierte es sehr scharf. Gleichzeitig durchliefen die Systeme Reaktionszyklen und verbrauchten dabei Energie, was aus Sicht von Ingland die einfachste Beziehung zwischen Form und Funktionalität darstellt, die für die Entstehung des Lebens erforderlich ist.

Informationshandler

Experten sagen, dass der nächste wichtige Schritt für Ingland und seine Kollegen darin bestehen wird, die Netzwerke chemischer Reaktionen zu skalieren, um festzustellen, ob sie sich dynamisch zu seltenen festen Zuständen extremer Unterstützung entwickeln. Sie können auch versuchen, die Stimulation weniger abstrakt zu machen, indem sie chemische Konzentrationen, Reaktionsraten und Unterstützungsbedingungen auf diejenigen bringen, die in Gezeitenfabriken oder neben Vulkanröhren in der Urbrühe der frühen Erde existieren könnten (aber die Bedingungen reproduzieren, aus denen das Leben tatsächlich entstanden ist - Dies ist hauptsächlich Spekulation und Spekulation. Rahul Sarpeshkar, Professor für Maschinenbau, Physiker und Mikrobiologe am Dartmoor College, sagte: „Es wäre schön, spezifische physikalische Informationen über diese abstrakten Konstruktionen zu erhalten.“ Er hofft zu sehen, wie sich diese Situationen in realen Experimenten reproduzieren lassen, möglicherweise unter Verwendung biologischer Chemikalien und Energiequellen wie Glukose.

Aber selbst wenn Sie sehen können, dass die fein abgestimmten Zustände den Bedingungen, die die Geburt des Lebens ausgelöst haben sollen, sehr ähnlich sind, glauben einige Forscher, dass Inglands Dissertation die „notwendigen, aber unzureichenden“ Bedingungen zur Erklärung der Entstehung des Lebens beschreibt, wie Walker sagt. Sie können nicht beschreiben, was manche als das wahre Attribut biologischer Systeme betrachten: die Fähigkeit, Informationen zu verarbeiten. Von der einfachsten Chemotaxis (der Fähigkeit von Bakterien, sich in Richtung Nährstoffkonzentration oder in Richtung toxischer Verbindungen zu bewegen) bis hin zur menschlichen Kommunikation nehmen Lebensformen Informationen über ihre Umgebung auf und reagieren darauf.



Walker glaubt, dass dies uns von anderen Systemen unterscheidet, die in den Geltungsbereich der englischen Theorie der Streuanpassung fallen, wie beispielsweise Jupiters Great Red Spot . "Dies ist eine Nichtgleichgewichtsstreuungsstruktur, die seit mindestens 300 Jahren existiert, und sie unterscheidet sich sehr von Nichtgleichgewichtsstreuungsstrukturen, die heute auf der Erde existieren und sich Milliarden von Jahren entwickelt haben", sagt sie. Um zu verstehen, was das Leben von solchen Strukturen unterscheidet, „ist eine explizite Definition von Informationen erforderlich, die über den Dispersionsprozess hinausgeht.“ Aus ihrer Sicht ist die Fähigkeit, auf Informationen zu reagieren, der Schlüssel dazu: „Wir brauchen ein Netzwerk chemischer Reaktionen, die auf die Beine kommen und sich von der Umgebung entfernen können, aus der sie stammen.“

Gunawardena stellt fest, dass sie neben den thermodynamischen Eigenschaften und Verarbeitungsfähigkeiten von Informationen, die in Lebensformen vorhanden sind, auch genetische Informationen über sich selbst speichern und an ihre Nachkommen weitergeben. Der Ursprung des Lebens, sagt er, ist „nicht nur das Erscheinen von Struktur, sondern das Erscheinen eines bestimmten dynamischen darwinistischen Sinnes. Dies ist das Erscheinungsbild reproduzierender Strukturen. Und die Möglichkeit des Einflusses der Eigenschaften dieser Objekte auf die Wiedergabegeschwindigkeit. Wenn Sie beide Bedingungen erfüllen, befinden Sie sich in einer Situation, in der der Beginn der darwinistischen Evolution beginnt, und Biologen glauben, dass dies der springende Punkt ist. "

Evgeny Shakhnovich , Professor für Chemie und chemische Biologie in Harvard, der das Studium in England leitete, teilt klar die Arbeit und die biologischen Fragen seines ehemaligen Studenten. "Er begann seine wissenschaftliche Karriere in meinem Labor und ich weiß, wie fähig er ist", sagt Shahnovich, "aber Jeremys Arbeit bietet potenziell interessante Übungen zur statistischen Nichtgleichgewichtsmechanik einfacher abstrakter Systeme." Alle Behauptungen, dass sie mit dem Ursprung des Lebens zusammenhängen, seien "reine und schamlose Spekulationen".

Auch wenn Ingland aus physikalischer Sicht auf dem richtigen Weg ist, brauchen Biologen spezifischere Dinge - zum Beispiel die Theorie, welche primitiven Protozellen aus den ersten lebenden Zellen stammen und wie der genetische Code aussah. Ingland stimmt zu, dass seine Ergebnisse keine Antwort auf diese Fragen haben. "Kurzfristig erzählen sie mir nicht viel über die Arbeit biologischer Systeme, ich sage nicht einmal, dass sie mir genau sagen werden, woher das Leben kommt, das wir kennen", sagt er. Beide Fragen sind ein "deprimierendes Durcheinander", das auf "fragmentarischen Beweisen" beruht, von denen er "vorerst fernbleiben will". Er schlägt lediglich vor, dass im Toolkit des ersten Lebens "vielleicht etwas ohne Grund erhalten und dann mithilfe des Darwinschen Mechanismus optimiert werden kann".

Sarpeshkar betrachtete offenbar die Anpassung unter dem Einfluss der Streuung als den ersten Akt der Entstehungsgeschichte des Lebens. "Jeremy zeigt, dass, wenn Sie in der Lage sind, Energie aus der Umwelt zu gewinnen, Ordnung spontan entsteht und sich selbst anpasst", sagt er. Er stellt fest, dass lebende Organismen viel mehr Aktionen ausführen als das Netzwerk chemischer Reaktionen von Ingland und Horowitz. "Aber wir sprechen darüber, wie das Leben zum ersten Mal erschien - wie Ordnung aus dem Nichts entstehen kann."