Die Entstehung des Lebens

[Thomas W. Riker]

Danke für die angemessen relativ einfachen Informationen.
Genetik im Bio-LK ist bei mir schon fast 30 Jahre her.
Bei Billionen (?) Zellen des menschlichen Körpers sind pro Sekunden ~ 10.000 mutierte Zellen ja fast ein Klacks, zumal diese Zellen zum großen Teil wohl vor einer weiteren Zellteilung zugrunde gehen und relativ unproblematisch abgebaut werden.

Bei den von mir aus Wiki zitierten ~2300 Erbleiden ist ja auch nur ein Teil letal, viele davon auch erst nach Jahrzehnten.
Körperlich Fehlbildungen fallen da oft eher auf, oder sind evtl auch irrelevant. Vor ~5 Jahren wurde beim Röntgen nach einem fast folgenlosen Autounfall bei mir z.B. festgestellt, dass ich zwei verwachsene Halswirbel habe.
Es ist faszinierend, wie viele Variationen oder Anomalien Lebensformen. haben

[Dannyboy]

Der wesentlichste Faktor ist die Qualität der Reperaturmechanismen.

Der DNA-Polymerase unterlaufen beim Einbau von Nukleotiden aufgrund der Basenkomplementarität mit dem komplementären Strang relativ häufig Fehler, nämlich bei einem von 10.000 Nukleotiden. Obwohl der DNA-Polymerasekomplex solche Fehler unmittelbar im Zusammenhang mit
der Replikation korrigieren kann (Korrekturleseaktivität oder proof reading), kommt es trotzdem zum Fehleinbau von Nukleotiden. Die trotz der Reparaturvorgänge verbleibende Fehlerrate liegt noch immer in einer Größenordnung von 10^-6 bis 10^-11 Nukleotiden. Das erscheint zwar niedrig, doch in einem Genom, das wie das menschliche 3 × 10^9 Nukleotidpaare enthält, hat diese Fehleinbaurate noch immer eine Mutationshäufigkeit von 1 Nukleotid in mindestens 1 von 100 replizierenden Zellen oder sogar in jedem Replikationszyklus zur Folge. Da in einem menschlichen Individuum bis zu 1 Million Zellen in jeder Sekunde
replizieren, ist die gesamte Mutationshäufigkeit in jedem einzelnen Individuum außerordentlich hoch.

Auch wenn man davon ausgehen kann, dass ein Teil dieser Fehler noch durch andere, nicht an die Replikation gekoppelte Reparaturmechanismen korrigiert
wird, so verbleibt noch immer eine hohe basale Mutationsrate durch Replikationsfehler.

Auch außerhalb der Replikation kann sich die DNA verändern. Ein DNA-Strang bricht täglich einmal alle ca. 300 bp an der Glycosylbindung. Insbesondere Cytosin kann spontan desaminieren und wird dadurch in Uracil umgewandelt.
Auch hier gibt es Reparatursysteme.

Vergleicht man verschiedene Arten erkennt man, dass die Qualität der Reperatursysteme sehr unterschiedlich ist. Bei langlebigen Organismen sind sie in der Regel etwas besser, da sie ja über viele Jahre auch mehr Mutationen ansammeln können.
Das führt aber dazu, dass die Mutationsrate pro Generation doch wieder in ähnliche Größenordnungen liegt.

Ionisierende Strahlung bewirkt bei DNA vor allem Strangbrüche, speziell Doppelstrangbrüche können dann nicht mehr einfach repariert werden.
EIn anderes Problem sind die durch Strahlung entstehenden freien Radikale des Sauerstoffs.

Die meisten Mutationen sind natürlich neutral, da sie keine codierenden Seuqenzen betreffen. Wenn man nur die wirksamen Mutationen betrachtet, die Erbkrankheiten erzeugen, so führt die natürliche Radioaktivität wohl zu 3000 bis 4000 zusätzlichen Erknankungen pro 1 Million Geburten je 1 Gray

Das ist natürlich nur ein kleiner Einblick.

Über Retroviren und transposible Elemente wurde noch gar nichts gesagt.
Es gibt genetische Elemente, die so beschaffen sind, dass sie über verschiedene Mechanismen im Genom kopiert werden können.
Das menschliche Genom enthält zum Beispiel eine Menge sogenannter ALU-Sequenzen. Die machen 10 % unseres Genoms aus.
Viele Gene scheinen tatsächlich durch solche mobilen Elemente entstanden zu sein.

[Thomas W. Riker]

Hier mal ein paar Daten zur natürlichen Mutationsrate:
Bei Eukaryonten liegt sie 1 : 10^10 bis 1 : 10^11 pro Basenpaar und Replikation.
Es gibt ~2300 monogene Erbleiden die je zur Hälfte dominant und rezessiv auftreten. Sie treten mit durchschnittlich einer Wahrscheinlichkeit von 1:20000 auf.
Nach anderen Angaben mutieren die 30.000 Gene mit einer Wahrscheinlichkeit von 1: 10^6, was bedeutet, dass 3% der Keimzellen (Eizellen/Spermien) eine Mutation haben, was wiederum bedeutet, dass jeder 16. Mensch ein mutiertes Allel von einem Elternteil erbt.

[Bynaus]

Soviel ich weiss, ist die kosmische Strahlung viel wichtiger für die Mutation des Erbguts als die natürliche Radioaktivität. Insofern wäre es eher die Dichte der Atmosphäre, die Unterschiede in den Mutationsraten hervorrufen könnte (z.B. sollte die Mutationsrate auf der Venusoberfläche besonders tief sein - anderseits hat man da andere Probleme ).

Ich bin kein Biologe, aber ich würde denken, dass "Feinabstimmung" von der Evolution selbst übernommen wird. Je höher das Strahlungsniveau, desto wichtiger werden gute Reparaturmechanismen für das Erbgut (da die meisten Mutationen ja eher schädigend sind). Individuen mit guten Reparaturmechanismen sollten sich dann gegenüber solchen mit weniger guten durchsetzen, bis ein Gleichgewicht mit "idealer" Mutationsrate (nicht zu hoch, dass zu wenig lebensfähige Nachfahren enstehen - nicht zu niedrig, dass zu wenig Mutation die Adaption an veränderte Umweltbedingungen unmöglich macht) erreicht ist.

[Noir]

Das klingt auf den ersten Blick ja einleuchtend, aber im Lichte von möglicher Krebsbildung etc. bräuchte man da sehr fein abgestimmte Dosen von Strahlung...

Ich bin zwar kein Biologe, sondern nur ein interessierter Laie, aber ich würde sagen: Nicht zwangsläufig, da sich die Lebewesen mit der Zeit an die natürlich vorkommende Radioaktivität anpassen und die Evolution Mittel und Wege findet, wie der Organismus die entstandenen Schäden wieder ausgleicht. Die, die besser angepasst sind und besser mit der Radioaktivität umzugehen "lernen", überleben und geben diese Anpassung an ihre Nachkommen weiter, die anderen sterben aus.

[Mondkalb]

Es gibt jede Menge Chemikalien, die das Erbgut verändern können. Die meisten davon haben wir aber wohl selbst gemacht. ^^

Wieviele davon natürlich vorkommen, weiß ich nicht.

[Amelissan]

Ich möchte mal mit einer Frage eine andere Richtung der Diskussion anregen:

Kann mir hier jemand aus der Biologiefraktion vllcht etwas dazu sagen, inwiefern man etwas darüber weiss, ob die natürliche Radioaktivität der Erde tatsächlich zu erhöhten Mutations- und "Evolutionsraten" geführt haben könnte? ( wie z.B. in Asimovs "Robots and Empire" und Heinleins "Starship Troopers" beschrieben )

In letzterem Buch wird es ja als Faktum dargestellt, dass von Planeten mit geringer natürlicher Radioativität stammende Lebewesen in offenem Wettkampf mit solchen z.B. von der Erde keine Chance hätten, da die "wenig bestrahlten" Lebewesen zu langsam Spezialisierungen ausgebildet hätten und prinzipiell primitiv bleiben.

Das klingt auf den ersten Blick ja einleuchtend, aber im Lichte von möglicher Krebsbildung etc. bräuchte man da sehr fein abgestimmte Dosen von Strahlung...

Desweiteren: Gibt es weitere Umwelteinflüsse, die Mutationsraten in Zellen verändern können?

[Spocky]

Als es dann plötzlich hieß, Fressen und Gefressen werden, änderte sich die Dynamik fundamental.

Außerdem war die Bedingung für die Entstehung von Fossilien im Kambrium viel besser.

Jo und das Aufkommen von Hartteilen ermöglichte ja auch die Entstehung von Zähnen, schon deshalb war es mit dem Fressen leichter.

Ob die Entstehung von Fossilien generell leichter war, das mag mal dahingestellt bleiben. Die Hartteile an sich machten ja schon vieles einfacher. Die Ablagrungsbedingungen des Burgess Shale (fossiler Abhang) waren ja an sich schon ein sehr großer Zufall. Die Entstehung der Chengjiang-Formation, die ja noch bedeutender ist, ist von ihrer Entstehungsform nicht ganz so zufällig, aber von Vorteil für die Ablagerung war sicher, dass es sich um ein sehr flaches Meer handelte und eine rasche Überdeckung durch Turbidite möglich war.

Wenn man ähnlich spezielle Bedingungen auch im späten Proterozoikum auffinden würde, dann würde möglicherweise so einiges in der Evolution der Stämme umgeschrieben werden müssen.

[Dannyboy]

Die sogenannte "kambrische Explosion" hat es gar nicht gegeben.
Früher ging man nur davon aus, dass es zu einer "Explosion" komplexen Lebens kam, da sich Schalentiere besser konservierten als Weichtiere.
Seit der Entdeckung der Ediacara-Fauna ? Wikipedia ist das Bild dahingehend relativiert worden, dass es eine große Anzahl an Arten gab, die nur kaum erhalten geblieben sind.

Klar. Das naive Bild der kambrischen Explosion stimmt sicher nicht. Aber wir könnten schon eine Phase beschelunigter Evolution vermuten, die mit der Bildung von Biomineralien und der Etablierung von Räuber-Beute-Beziehungen zutun hatte.

Die Ediacara-Fauna hatte dahin gehend ein ziemlich langweiliges Leben und der evolutionäre Druck war sicher geringer, solange man sein Leben damit verbringen konnte, das Wasser zu filtrieren.

Als es dann plötzlich hieß, Fressen und Gefressen werden, änderte sich die Dynamik fundamental.

Außerdem war die Bedingung für die Entstehung von Fossilien im Kambrium viel besser.

Einige Biochemiker gehen heute mittlerweile nicht mehr davon aus, dass Aminosäuren den Kern der Entstehung des Lebens gebildet haben, sondern dass die Liposomen (z.Bsp. hier: http://www.scilogs.de/wblogs/blog/fi...tic-aminoacids ) dem Bilden und Ansammeln der Moleküle vorgeschaltet waren.

Jack Szostak zum Beispiel.

Jack Szostak Part 1

[Spocky]

Vielleicht meinst du da die Entstehung von Kollagen, als wichtigen Bestandteil tierischen Bindegewebe. Das benötigt relativ viel Sauerstoff.

Richtig, das wars

Die sogenannte "kambrische Explosion" hat es gar nicht gegeben.
Früher ging man nur davon aus, dass es zu einer "Explosion" komplexen Lebens kam, da sich Schalentiere besser konservierten als Weichtiere.
Seit der Entdeckung der Ediacara-Fauna ? Wikipedia ist das Bild dahingehend relativiert worden, dass es eine große Anzahl an Arten gab, die nur kaum erhalten geblieben sind.

Das ist richtig, ich hab mal einen Bericht gelesen, in dem man genetische Uhren verglichen hat und zu dem Schluss kam, dass sich die meisten Stämme, die im Kambrium vorhanden waren, bereits früher voneinander getrennt haben.

[Zoi-Abblawoi]

Die Erosion setzte aber nicht spontan ein, auf jeden Fall nicht schnell genug, um die kambrische Explosion zu erklären.

In meinem Studium hab ich mal gehört, dass erst ab einem bestimmten Sauerstoffpartialdruck möglich gewesen sein soll, dass diese Stoffe aushärten, aber näher damit beschäftigt hab ich mich noch nicht.

Die sogenannte "kambrische Explosion" hat es gar nicht gegeben.
Früher ging man nur davon aus, dass es zu einer "Explosion" komplexen Lebens kam, da sich Schalentiere besser konservierten als Weichtiere.
Seit der Entdeckung der Ediacara-Fauna ? Wikipedia ist das Bild dahingehend relativiert worden, dass es eine große Anzahl an Arten gab, die nur kaum erhalten geblieben sind.

@Thema

Einige Biochemiker gehen heute mittlerweile nicht mehr davon aus, dass Aminosäuren den Kern der Entstehung des Lebens gebildet haben, sondern dass die Liposomen (z.Bsp. hier: http://www.scilogs.de/wblogs/blog/fi...tic-aminoacids ) dem Bilden und Ansammeln der Moleküle vorgeschaltet waren.

[Dannyboy]

Die Erosion setzte aber nicht spontan ein, auf jeden Fall nicht schnell genug, um die kambrische Explosion zu erklären.

Warum sollte die Erosion spontan einsetzen? Es reicht doch, wenn die Erosion zu bestimmten Zeiten besonders mineralstoffreiche Gesteinsschichten frei setzt.
Und zu schnell darf es ja auch nicht geschehen.

In meinem Studium hab ich mal gehört, dass erst ab einem bestimmten Sauerstoffpartialdruck möglich gewesen sein soll, dass diese Stoffe aushärten, aber näher damit beschäftigt hab ich mich noch nicht.

Vielleicht meinst du da die Entstehung von Kollagen, als wichtigen Bestandteil tierischen Bindegewebe. Das benötigt relativ viel Sauerstoff.

[Spocky]

Die Erosion setzte aber nicht spontan ein, auf jeden Fall nicht schnell genug, um die kambrische Explosion zu erklären.

In meinem Studium hab ich mal gehört, dass erst ab einem bestimmten Sauerstoffpartialdruck möglich gewesen sein soll, dass diese Stoffe aushärten, aber näher damit beschäftigt hab ich mich noch nicht.

[Dannyboy]

In einer Nature-Veröffentlichung haben Shanan Peters und Robert Gaines eine interessante Erklärung für die kambrische Explosion geliefert. Sie weisen massive Verwitterung und Erosion nach, die die Ozeane mit Ionen wie Ca^2+ fluteten. Die Mengen konnten für die präkambrischen Lebensformen toxisch sein, aber als Antwort entwickelten Lebensformen Wege, diese Mineralstoffe durch Biomineralisation zu entfernen. Aber nachdem die Lebensformen erst einmal gelernt hatten, Biominerale zu bilden, konnte die Evolution mit diesen Strukturen experimentieren und daraus Zähne, Schalen und SKelettstrukturen entwickeln.
Damit entstanden ganz neue Räuber-Beute-Beziehungen, ganz neuer Selektionsdruck und wohl auch beschleunigte Evolution.
Außerdem waren die Bedingungen für die Fossilbildung viel besser, als in den Zeiten davor.

[Dannyboy]

Die synthetische Biologie hat das Potenzial einer echten Zukunftstechnologie. Die Produktion chemischer Grundprodukte kann durch maßgeschneiderte Organismen enorm verbessert werden.