Emergente Organisationen


Eine interessante Fragestellung der Biologie ist, ob Zellen als ganzes durch zufallsgesteuerte Prozesse entstehen können. Zellen bestehen ja nicht nur aus der DNS jenem Riesenmolekül, das die Erbinformation enthält. Zellen haben u.a. eine Membran, die die Nahrungsaufnahme steuert. In der Zelle gibt es ein ganzes Netzwerk von chemischen Abhängigkeiten und chemischen Kreisläufen. Das ganze ist vergleichbar einer chemischen Fabrik im Miniformat.

Die Beantwortung der Frage wird noch dadurch erschwert, dass wir nicht wissen, wie die ersten einzelligen Lebewesen aufgebaut waren, denn die heute lebenden Einzeller haben auch einen Evolutionsprozess durchgemacht. Vermutlich waren die ersten Lebensformen einfacher aufgebaut, vielleicht auch nicht so leistungsfähig, was die Teilungsrate anbetrifft. Vielleicht auch mit einer noch recht mangelhaften Kopiertreue, was einerseits die Rate der "Todgeburten" erhöht hat andererseits aber auch sehr rasch zu unterschiedlichen Lebensformen führte.

Weitgehend unbekannt ist auch, welche chemischen Randbedingungen die Entwicklung dieser Lebensformen ermöglicht haben. Die Uratmosphäre und elektrische Entladungen, wie bei jenem Versuch von Stanley L. Miller und Harold C. Urey sind nur zwei der möglichen Faktoren, die das Leben auf unserem Planeten ermöglicht haben.

Ein Ansatz der Beantwortung dieser Frage näher zu kommen, ist der Aufbau von Modellsystemen. Nun kann man chemische Modellsysteme aufbauen, aber man kann auch mit Computerprogrammen Modellsysteme simulieren. Dabei muss man nicht die ganze Komplexität chemischer Reaktionen beschreiben, sondern es genügt einige wesentliche Aspekte chemischer Reaktionen darzustellen.

Walter Fontana hat im Computer eine solche "künstliche Chemie" simuliert. In dieser "ALChemie" sind die Objekte nicht Atome oder Moleküle, sondern Wörter aus der Sprache des Lambda-Kalküls. Das Lambda-Kalkül ist eine künstliche Sprache, die von Computerwissenschaftlern verwendet wird, um die mathematischen Eigenschaften von Computerprogrammen zu untersuchen. Deren Wortmoleküle reagieren miteinander nach den Regeln des Lambda-Kalküls und erzeugen auf diese Weise weitere Wortmoleküle. Um die Zahl der Wortmoleküle in dem simulierten "Reagenzglas" beschränkt zu halten, werden genauso viele Wortmoleküle aus der "Suppe" zufällig entfernt wie neue entstehen. Drei Resultate solcher Simulationen sind besonders interessant:

  1. Wenn man derartige Wortmolekül-Suppen sich selbst überlässt, bleiben meist nur solche Wortmoleküle übrig, die mit sich selbst reagieren und dadurch Kopien von sich erzeugen, also Wörter, die die kinetischen Eigenschaften eines selbstreplizierenden Moleküls besitzen und in dieser Hinsicht den Nucleinsäuren ähnlich sind (siehe hierzu auch das Java Applet zu Conways Spiel des Lebens).

  2. Schaltet man die selbstreplizierenden Wortmoleküle aus, dann entstehen selbsterhaltende "Organisationen", die ein interessantes Modell für den Ursprung des Stoffwechsels ergeben. Es sind Netzwerke von Reaktionen, die die Eigenschaft haben, katalytisch geschlossen zu sein. Das heißt, alle Reaktionen in dem Netzwerk erzeugen, direkt oder indirekt, alle Mitglieder des Reaktionsnetzwerks. Diese Netzwerke sind stabil und selbsterhaltend, sie "regenerieren" fehlende Teile, wenn man einen Teil der Mitglieder aus dem Netzwerk entfernt. Weiterhin besitzen sie ein sogenanntes Zentrum, das ist eine Menge von Wortmolekülen, die fähig sind, die gesamte Organisation zu regenerieren. Solche Netzwerke können sich jedoch nur dann durchsetzen, wenn sie vor der Konkurrenz der selbstreplizierenden Wortmoleküle geschützt werden. Netzwerke haben zwar auch die Eigenschaft, wie selbstreplizierende Objekte autokatalytisch zu wachsen, aber ihre Wachstumsrate ist viel kleiner. Der Grund liegt darin, daß ein Netzwerk mehr Schritte ("Reaktionen") braucht, um alle seine Mitglieder zu kopieren, als ein einfaches selbstreplizierendes Molekül. Sobald sich jedoch eine Organisation etabliert hat, ist sie stabil gegenüber der Anwesenheit von selbstreplizierenden Molekülen. Ja, solche Organisationen sind sogar fähig, selbstreplizierende Moleküle zu "domestizieren", das heißt in die Organisation einzubauen.

  3. Bringt man zwei solche stabile Organisationen in einem "Reagenzglas" miteinander in Verbindung, dann können sie in vielen Fällen koexistieren. Die Koexistenz ist aber nicht passiv, sondern durch die aktive Integration der beiden Organisationen vermittelt. Genau genommen entstehen durch die Reaktionen zwischen Wortmolekülen der beiden Ursprungsorganisationen neue Wortmoleküle, die zu einem "Leim" zwischen den Ausgangsorganisationen werden. Dieser "Leim" besteht ebenfalls aus Wortmolekülen, die die Reaktionswege der Ausgangsorganisationen zu einem katalytisch geschlossenen Netzwerk höherer Ordnung zusammenfügen.

In Anbetracht der einfachen Voraussetzungen dieses Modells ist sein Selbstorganisationspotential erstaunlich. Es erlaubt, eine Reihe von Eigenschaften zu simulieren, die zumindest als gute Metapher für die Organisation lebender Systeme gelten können. Alle Lebewesen haben Stoffwechsel. Stoffwechsel ist nicht nur die Aufnahme von Nahrung und die Abgabe der Abfallstoffe, sondern vor allem ein Netzwerk von Reaktionen, in der alle molekularen Bestandteile des Organismus durch die Tätigkeit aller anderen Bestandteile aufgebaut, erhalten und bei Bedarf ersetzt werden. Stoffwechsel ist also ein Netzwerk von biochemischen Reaktionen, das die Eigenschaft hat, selbsterhaltend zu sein, vorausgesetzt es wird mit Nahrung versorgt. Das Netz ist auch in unterschiedlichem Ausmaß regenerativ, das heißt, verloren gegangene Teile können durch die Tätigkeit des Restes ersetzt werden. Alle beschriebenen Eigenschaften entstehen in diesem Modell einer künstlichen Chemie auf spontane Weise.

Da eine der Voraussetzungen für das Entstehen komplexer chemischer Netzwerke die Ausschaltung sich selbst reproduzierender Moleküle ist, muss man sich fragen welche natürlichen Hemmnisse den Siegeszug sich selbst reproduzierender Moleküle, also den Siegeszug der Viren verhindert haben. Viren können auch heute erst aktiv werden, wenn sie die Barriere der Zellmembran überwunden haben. So genannte Protobionten haben sich infolgedessen erst dann gebildet als sich chemische Verbindungen gebildet hatten, die die Biomoleküle in Tröpfchen eingehüllt haben. 

Der Biochemiker Richard E. Dickerson beschreibt denn auch den Werdegang der chemischen Evolution, die der biologischen Evolution vorausging, in folgenden Stufen:

  1. Die Bildung unseres Planeten mit einer Atmosphäre, deren Gase sich als Rohmaterial für lebende Strukturen eigneten.

  2. Die Synthese einfacher, für biologische Zwecke brauchbarer Moleküle wie Aminosäuren, Zucker und organische Basen.

  3. Die Vereinigung dieser einfachen Moleküle zu den komplizierter gebauten Proteinen und Nucleinsäuren unter Bedingungen, die eher den Abbau als den Aufbau dieser Substanzen begünstigten.

  4. Die Umwandlung von Tröpfchen der "verdünnten Suppe" in Protobionten mit selbständigen chemischen Reaktionen.

  5. Die Bildung einer Vervielfältigungsmaschinerie, die dafür sorgt, dass Tochterzellen jeweils die gleichen chemischen Fähigkeiten haben wie die Zellen, aus denen sie hervorgehen. 

 

Quelle: "Die Evolution der Evolutionstheorie" Spektrum akademischer Verlag nach einem Kapitel zur Emergenz von Organisationen von Prof. Dr. G. Wagner Dept. of  Biology Yale University;  "Evolution"  Spektrum akademischer Verlag, das Kapitel zur chemischen Evolution von Richard E. Dickerson


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