Der genetische Code


Aus weltanschaulicher Sicht stellt sich die Frage, ob der genetische Code von einem höheren Wesen  programmiert wurde oder ob Leben aus einer komplexen Zusammenballung unterschiedlicher Moleküle entstanden ist; denn als Folge der Komplexität steigt auch die Anzahl der Eigenschaften eines Systems. Warum sollte ein solches System nicht auch die Eigenschaft zur Selbstreproduktion zumindest eines Teils des Systems beinhalten. In Modellsystemen, die im Computer getestet wurden ließ sich dieser Sachverhalt jedenfalls bei Systemen nachweisen, die reichhaltig genung sind (genügende Anzahl von Reaktionsmöglichkeiten). Kompexität bei gleichzeitiger Redundanz im System (Nonsens-Code siehe unten) ist also kein Argument gegen die Evolutionstheotie, sondern für die Evolutionstheorie.

Die Entzifferung des genetischen Codes im Jahre 1966 war ein Meilenstein auf dem mühsamen Weg zum Verständnis des gigantischen chemischen Netzwerks einer Zelle. Der genetische Code besteht nur aus 4 Buchstaben, die in der mRNA (Messenger-RNA) als Basen enthalten sind. A steht für Adenin, C für Cytosin, G für Guanin und U für Uracil. Jeweils drei Buchstaben (Basen) werden von riesigen Molekülen, den Ribosomen in eine Aminosäure übersetzt. Außerdem werden die übersetzen Aminosäuren zu einem Protein verkettet. Die Aminosäure ist in der folgenden Tabelle jeweils durch ihre Anfangsbuchstaben gekennzeichnet. AUG codiert zum Beispiel Methionin, wenn es innerhalb einer Start-Stop Sequenz steht. AUG gilt aber auch als Start-Condon. CAU codiert Histidin (siehe grüne Markierung). In diesem Code gibt es drei Stop-Condons: UAA, UAG und UGA.

U C A G
U PHE SER TYR CYS U
U PHE SER TYR CYS C
U LEU SER Stop Stop A
U LEU SER Stop TRP G
C LEU PRO HIS ARG U
C LEU PRO HIS ARG C
C LEU PRO GLN ARG A
C LEU PRO GLN ARG G
A ILE THR ASN SER U
A ILE THR ASN SER C
A ILE THR LYS ARG A
A MET THR LYS ARG G
G VAL ALA ASP GLY U
G VAL ALA ASP GLY C
G VAL ALA GLU GLY A
G VAL ALA GLU GLY G

Bis zu 20 verschiedene Aminosäuren findet man in einer Zelle. Hier die Zuordnung der Kurzbezeichnungen zu den Namen der Aminosäuren.

GLY Glycin LYS Lysin
ALA Alanin ARG Arginin
VAL Valin ASN Asparagin
ILE Isoleucin GLN Glutamin
LEU Leucin CYS Cystein
SER Serin MET Methionin
THR Threonin TRP Tryptophan
PRO Prolin PHE Phenylalanin
ASP Asparaginsäure TYR Tyrosin
GLU Glutaminsäure HIS Histidin

Als der genetische Code bekannt wurde, jubelte das religöse Lager, denn dieser Code sah nach Planung aus. Lebewesen schienen von Gott programmiert.

Anfangs dachte man auch noch, dass dieser Code universell ist. Inzwischen weiß man, dass in den Mitochondrien (einem Teil, jeder tierischen Zelle) und in den Chloroplasten, jenem Teil der Pflanzenzelle, in dem die Photosynthese stattfindet, ein anderer Übersetzungsmechanismus existiert. Der genetische Code der Mitochondrien ist zwar größtenteils mit dem der Kern-DNA identisch. Doch wird UGA, ein Stop-Condon der Kern-DNA in den Mitochondrien als Tryptophan gelesen. Außerdem wird AUA in mitochondrialer DNA als Methionin, in der Kern-DNA aber als Isoleucin abgelesen. Der Grund für diese Unterschiede ist die verhältnismäßig geringe Anzahl verschiedener tRNAs in den Mitochondrien (tRNA = Tranfer-RNA, Moleküle, die ebenfalls am Übersetzungsvorgang beteiligt sind). Die Mitochondrien besitzen nur einen Satz von 22 verschiedenen tRNA-Arten - im Gegensatz zu den mehr als 40 unterschiedlichen tRNAs, die für die normale Übersetzung bereit stehen.

Da Mitochondrien und Chloroplasten durch eine Membran vom übrigen Teil der Zelle getrennt sind, wird vermutet, dass es ursprünglich selbständige Lebewesen waren, die in einer frühen Phase der Evolution in die Zelle integriert wurden. Das bedeutet allerdings, dass das Leben mehr als einmal erfunden wurde.

Vor dem Start-Condon (AUG) sind noch noch zwei weitere Sequenzen, sogenannte Promotoren, einer im Abstand von etwa 10 Basen vor, der andere im Abstand von etwa 35 Basen vor dem Start-Condon.

Der Übersetzungsvorgang ist auch bei weitem nicht so eindeutig wie oben dargestellt. Suppressor-tRNA kann beispielweise bewirken, dass ein Stop-Condon anders interpretiert wird.

Nach dem Übersetzungsvorgang erfolgt auch oft noch eine Nachbearbeitung durch in der Zelle bereits vorhandene Enzyme. Das Hormon Insulin (zu wenig Insulin führt zur Zuckerkrankheit) wird zum Beipiel aus zwei unterschiedlich langen Aminosäureketten gebildet, die über zwei Disulfidbrücken (Schwefel) miteinander verbunden sind. Im Sauerstoff transportierenden Protein Hämoglobin (rote Blutkörperchen) lagern sich vier Proteinketten zusammen. Im katalytischen Zentrum des Hämoglobins befinden sich Eisen Moleküle. Andere Proteine wie das Calmodulin lagern Calcium ein. 

Viele Proteine falten sich zu langen stäbchenartigen Gebilden. Dagegen sind die meisten Enzyme kugelförmige Proteine mit taschenartigen Vertiefungen, in die genau jene Substrate passen, die das Enzym katalytisch verbindet, indem sie nahe genug zusammengebracht werden. Trotz gleicher Funktion sind die Enzyme unterschiedlicher Arten unterschiedlich und die Unterschiede lassen Rückschlüsse auf den Verwandtschaftsgrad zu. Dies spricht gegen einen Schöpfungsakt, denn vom Schöpfer wird erwartet, dass er die optimale Struktur kennt und diese wie im Fall des Hämoglobins allen Sauerstoff atmenden Lebewesen zur Verfügung stellt.

Die genetische Struktur mancher Lebewesen ist auch nicht stabil. Es gibt sogenannte springende Gene. Diese Gene werden durch chemische Mechanismen aus der DNS herausgetrennt, lagern sich dann an anderer Stelle wieder an und fügen sich dort wieder ein.

Eine andere Besonderheit sind sich überlappende Gene, die durch einen Wechsel des Leserasters zustande kommen. Aus Programmierersicht eine unsaubere Programmierung.

Die Länge einer Aminosäurekette in einem Protein schwankt zwischen 30 Aminosäuren und 3000 Aminosäuren. Dies deckt sich in etwa mit der Kettenlänge, die zwischen der Start und Stop-Sequenz einer Zufallsreihe stehen, die aus den vier Buchstaben der RNA zusammengesetzt ist. Mit einem javafähigen Browser kann dazu ein Java-Applet aufgerufen werden, mit dem dieser Sachverhalt getestet werden kann.

Auch die Menge der erzeugten Proteine und Enzyme wird reguliert.  Eine Bakterienzelle lebt ja i.a. in einer sich rasch verändernden Umgebung und einige Enzyme, die sie momentan brauchen mag, können wenig später nutzlos oder sogar hinderlich sein. Viele bakterielle Gene sind daher darauf ausgelegt unterschiedlich stark zu arbeiten. Dies kann sich von Protein zu Protein um den Faktor 1000 unterscheiden. Bakterielle Gene stellen auch nur dann mRNA-Moleküle in nennenswerter Menge her, wenn ihre Gene durch äußere Signale aktiviert werden. Die Substanzen welche diese Signale übermitteln werden Induktoren genannt. In höheren Lebewesen sind dies oft Stoffwechselprodukte anderer Zellen.

In den genetischen Code von Bakterien können auch Codesequenzen eingebaut werden, die neue Stoffwechselprodukte erzeugen. Solange die neu gebildeten Stoffwechselprodukte von der Bakterienzelle ausgeschieden werden können, entsteht der Bakterienzelle kein Schaden. Manchmal übernehmen Bakterien in der sogenannten Konjugation (einem natürlichen Vorgang) Plasmide von verwandten Bakterienarten. Resistenzfaktoren werden auf diese Weise verbreitet. Zellen sind so gesehen fehlertolerante Systeme.

Gerade bei höheren Lebewesen wird nur ein kleiner Teil des genetischen Codes, zwischen 2 und 8 % manchmal noch weniger, genutzt. Der Rest ist nicht mit bestimmten Sequenzen aufgefüllt, sondern mit Basensequenzen, die eher wie Zufallssequenzen aussehen.  Die Annahme es handelt sich hier um noch nicht genutztes genetisches Potential, würde bedeuten, dass die Schöpfung noch nicht abgeschlossen ist. Die Annahme dieser Code ist ein Überbleibsel der Degeneration, würde bedeuten, dass die Urmenschen wesentlich höher entwickelt waren. Ein derart hoher Prozentsatz würde sich auch im Aussehen niederschlagen, denn würde der vorhandene Nonsens-Code in einem Zelltyp aktiviert, würde sich die Zelle überhitzen. Der vorhandene Nonsens-Code könnte also höchstens in unterschiedlichen Zelltypen aktiviert werden.

In dem chemischen Netzwerk werden viele der erzeugten Proteine nicht von der Zelle genutzt, sondern verlassen die Zelle über die Zellmembran. Andere Substanzen diffundieren über die Zellmembran in die Zelle und lösen dort chemische Reaktionen aus. Nur ein kleiner Teil verbleibt in der Zelle entweder chemisch inaktiv zum Aufbau der Struktur oder aktiv als Enzym (Bio-Katalysator). Die Zellmembran (Außenhülle der Zelle) ist ein wesentlicher Faktor in diesem gigantischen chemischen Netzwerk.

Stuart Kauffman hat bereits Ende der siebziger Jahren (19..) das Problem untersucht, wie durch das Genom eines höheren Lebewesens die Ausbildung seines individuellen Phänotyps zu erklären ist. Wir wissen heute, daß die Gene eines Chromosoms nicht unabhängig voneinander aktiv sind. Die Gene bilden komplizierte Aktivitätsmuster aus und steuern so die Produktion von Proteinen. Die Aktivität eines einzelnen Gens wird dabei mit der Aktivität anderer Gene rückgekoppelt. Aber ein Gen kann nur zwei Zustände annehmen. Entweder es ist angeschaltet oder es ist abgeschaltet. Man kann also das Verhalten von Genen mit binären Netzwerken untersuchen. Kauffmann untersuchte dies am Computer mit binären Netzwerken, deren Anfangszustände er mit Zufallszahlen belegte. Er kam in den Simulationen zu erstaunlichen Ergebnissen. Er konnte zum Beispiel aus den Genen in etwa die Anzahl der Zelltypen berechnen, die sich bilden würden. (Näheres dazu in dem Buch genetische Algorithmen und Evolutionsstrategien Verlag Addison-Wesley 1994 ISBN 3-89319-493-2).

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 )

Gegen die christliche Schöpfungslehre nach der zwei Menschen, Adam und Eva am Anfang der menschlichen Entwicklung standen, spricht u.a. die Anzahl der Blutgruppen und der Resusfaktor.

Jeder Mensch gehört einer besonderen, ererbten Blutgruppe an. Für die Transfusionsmedizin gilt das AB0-Blutgruppensystem, das in den Jahren 1901 und 1902 vom österreichischen Arzt und Nobelpreisträger Karl Landsteiner und seinen Schülern Decastello und Sturli entdeckt wurde. Man unterscheidet dabei vier Blutgruppen: 0, A, B und AB.

Hinzu kommt ein weiterer Faktor, der Rhesus-Faktor. Der Name Rhesus-Faktor leitet sich von einer Affengattung ab, mit der ebenfalls Karl Landsteiner und der Serologe Alexander Wiener experimentierten und mit dessen Hilfe Landsteiner 1940, drei Jahre vor seinem Tod, auch noch die Rhesusgruppen entdeckte. Im Serum von Kleintieren, in die Landsteiner das Blut von Macacus-Rhesusaffen injizierte, wies der Wissenschafter jene Stoffe nach, die bei ca 85 Prozent der Menschen die roten Blutkörperchen verklumpen lassen (Rhesus positiv).

Durch diese Entdeckung wurde noch klarer, welche Menschen welches Spenderblut erhalten dürfen. Besonders wichtig ist der Resus-Faktor auch für die frühzeitige Erkennung von Gefährdungssituationen Neugeborener, deren Blut nach der Geburt ausgetauscht werden muss. (Quelle: österreichischer Blutspendedienst)

Nach der Schöpfungslegende schuf Gott Eva aus dem gleichen genetischen Material wie Adam. (1. Mose 2:21-23). Das geht allein schon wegen der genetischen Unterschiede bei dem Geschlechts-Chromosom nicht. Die Frage ist auch, wie dann die unterschiedlichen Blutgruppen entstanden sind und wieso man die gleichen Blutgruppenfaktoren auch bei Affen findet.

Ein anderes Problem der Schöpfungslehre, nach der ein liebenswürdiger Gott die Welt geschaffen hat, sind Kreationen wie z. B. der Bandwurm und andere Parasiten, Viren und andere Krankheitserreger. Mit einer nach dem Sündenfall entarteten Schöpfung ist die Entstehung dieser Arten nicht zu erklären.

Quelle: Rekombinierte DNA   Spektrum akademischer Verlag,  Evolution   Spektrum akademischer Verlag,  Die Zelle    VCH-Verlag, Evolution - ein kritisches Lehrbuch Weyel Verlag


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