NaWi 10: Auf dem Weg zum Leben – der Hyperzyklus

Sie können heute als Fortsetzung des Beitrags zur Belousov-Zhabotinsky-Reaktion (BZR) mit einem weiteren Beispiel eines dissipativen autokatalytischen Prozesses die Grenze von nicht lebendig zu lebendig überschreiten, und dabei wichtige Eigenschaften dieser Prozesse weiter vertiefen. Die dissipativen autokatalytischen Prozesse haben, wie bei der BZR dargestellt, folgende essenzielle Eigenschaften:

  • Sie verbrauchen Energie oder/und Materie (sog. Edukte) aus ihrer Umwelt und erzeugen damit Ordnung, Struktur sowie emergente Fähigkeiten. Sie erhalten sich auf diese Weise selbst, solange die Edukte zur Verfügung stehen. Was beim Prozess übrig bleibt (sog. Produkte), wird an die Umwelt abgegeben.
  • Sie funktionieren nur weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht.
  • Sie enthalten mindestens einen autokatalytischen (Teil-)Prozess.

Die Strukturen und Eigenschaften der emergent entstandenen Systeme werden häufig unter dem Begriff Komplexität [2] zusammengefasst.

Die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion ist autonom und enthält implizit die Information für ihre individuelle Entwicklung. Die BZR kann sich aber nicht vermehren; auf den Grund dafür komme ich gleich zurück. Der einzelne BZR-Prozess befindet sich in einer Art von Ko-Evolution mit seiner Umwelt.

Ein Hyperzyklus ist eine zyklische Folge von sich selbst reproduzierenden Einzelzyklen. Die Einzelzyklen sind dissipative autokatalytische Prozesse. Hyperzyklen sind vor allem in der unbelebten Welt der Biochemie und bei den Lebewesen wichtig. Woher kommt der Name, und was ist das? Ein Zyklus katalytischer Reaktionen wirkt insgesamt als Autokatalysator, und ein katalytischer Zyklus, der einen oder mehrere Autokatalysatoren enthält, wirkt insgesamt als Hyperzyklus. Ein wichtiges Beispiel für einen Hyperzyklus ist der selbstreproduzierende katalytische NukleinsäureProtein-Hyperzyklus, den Manfred Eigen konzipiert hat, um die große Geschwindigkeit der Evolution im Bereich der Biochemie auf dem Weg zum Leben zu erklären [1]: Nukleinsäuren (RNS oder DNS) wirken als Katalysator für die Entstehung solcher Proteine, die wieder als Katalysator für die Entstehung der Nukleinsäuren geeignet sind. Dieser Hyperzyklus wird im Bild 1 veranschaulicht.

Bild 1: Beispiel für einen Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklus (vereinfacht; eigene Grafik)

Erläuterungen dazu: Die kreisförmigen Schleifen stellen die autokatalytische Reproduktion der Nukleinsäuren dar, die roten Punkte die Proteine. Die Nukleinsäure N1 synthetisiert Protein P1, Protein P1 katalysiert Nukleinsäure N2 usw. Ein Hyperzyklus verstärkt und reproduziert sich als Ganzes autokatalytisch, wenn er geschlossen ist, also in sich rückgekoppelt: Im Bild 1 katalysiert das Protein P5 wieder Nukleinsäure N1. Er hat, wenn geschlossen, außerdem einen Geschwindigkeitsvorteil beim Wettbewerb zwischen unterschiedlichen Hyperzyklen und verkraftet Fehler bei der Reproduktion besser.

Selbstreproduktive Hyperzyklen derartiger Makromoleküle, obwohl noch unbelebt, haben zwei neue Fähigkeiten, die schon entscheidende Voraussetzungen für die Entwicklung des Lebens sind:

  1.   Die Nukleinsäuren enthalten einen Bauplan (die Reihenfolge der Nukleinbasen) mit der Information für ihre individuelle Reproduktion; sie können sich deshalb individuell durch Kopien vermehren.
    (Bei der BZR ist keine individuelle Vermehrung möglich; „sie lebt nur einmal“, denn sie enthält keine Information für ihre individuelle Reproduktion.)
  2.   Der Bauplan wurde während der Evolution so gestaltet, dass bei der Reproduktion durch Kopieren mit einer bestimmten, nicht zu großer Wahrscheinlichkeit Fehler auftreten und dadurch eine evolutionäre Weiterentwicklung des Bauplans möglich ist. Es wird also nicht nur Materie weitergegeben, sondern auch Information für die Organisation der Materie vererbt.

Bei der Evolution von Hyperzyklen wird zwar nicht sofort Leben erzeugt, aber im Laufe der Zeit zunehmend komplexere Nukleinsäuren und die zugehörigen Proteine, die irgendwann den Übergang zu einfachem Leben, z.B. das der Viren, möglich machen.

Anmerkung: Wenn es damals schon Copyright-Vorschriften gegeben hätte, wäre die Evolution verhindert worden. 😉

Der Hyperzyklus als dissipativer autokatalytischer Prozess der zyklischen Selbstreproduktion findet unter Verbrauch von Energie und komplexeren Molekülen wie Phosphorsäure, Zucker und Aminosäuren statt; einfachere Moleküle werden dabei als „Abfall“ freigesetzt. Man kann den Prozess auch als Ko-Evolution von Nukleinsäuren und Proteinen betrachten, oder als eine erste Form einer Symbiose: Die beiden Molekül-„Arten“ fördern sich gegenseitig und ermöglichen dadurch nach dem „Zweiten Hauptsatz der Emergenz“[2] die Entwicklung höherer Komplexität. Das ist in der Entwicklung einzelner materieller dissipativer Systeme wie der BZR nicht möglich.

Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklen unterliegen einer Evolution: Hyperzyklen mit einer hohen Geschwindigkeit der Reproduktion haben einen evolutionären Vorteil im Vergleich zu den Hyperzyklen mit einer niedrigeren Geschwindigkeit, weil sie sich schneller „vermehren“. Da sie infolge der wechselseitigen Autokatalyse prinzipiell zu einer sehr schnellen Vermehrung in der Lage sind, ist ein zügiger Nachschub der Edukte wichtig. Dafür gibt es im Prinzip drei Möglichkeiten: Mit den Edukten auskommen, die in der Umgebung verfügbar sind, den Nachschub der Edukte selbst organisieren oder anderswo die Edukte schmarotzen:

  • Mit den verfügbaren Edukten (komplexe Makromoleküle, s.o.) auskommen bedeutet eine Beschränkung für die Vermehrung der selbstreproduktiven Hyperzyklen.
  • „Selbst organisieren“, d.h. aus einfacheren Molekülen die Edukte aufbauen, ergibt die Chance besserer Versorgung mit Edukten und damit höherer Reproduktionsgeschwindigkeit. Dieser Weg hat evolutionär zu den Zellen mit einer Hülle und vielen Hilfsprozessen für den Stoffwechsel geführt. Beispiele sind Bakterien, moderne Zellen und vielzellige Lebewesen.
  • Mit der Entwicklung der Zellen war auch die Möglichkeit für die Existenz reiner Nukleinsäure (Viren) gegeben, vom Stoffwechsel der Zellen als Schmarotzer oder Symbionten zu profitieren, indem sie in eine Zelle eindringen und deren Stoffwechsel zu ihren Gunsten umgestalten.

Viren kennen deshalb die Biochemie ihrer Wirtszelle sehr genau. Sie stehen an der Grenze von nicht lebendig zu lebendig: Außerhalb ihrer Wirtszellen sind „nur“ unbelebte Makromoleküle, innerhalb aber lebendige Viren.

Die Zellen sind infolge ihrer Autarkie und ihrer enormen Leistungsfähigkeit zum Mainstream der Evolution geworden. Es sind unerhört komplexe dissipative Systeme. Erst die Zellen sind belebt, weil sie alle Eigenschaften von Lebewesen haben: Sie sind von ihrer Umwelt abgegrenzt, haben einen Zellkern und einen Stoffwechsel, organisieren und regulieren sich selbst, können sich fortpflanzen und reagieren auf äußere Reize. Die modernen Zellen (sog. eukaryotische Zellen) mit Zellkern und Organellen haben die Entwicklung der Mehrzeller bis hin zum Menschen möglich gemacht.

Weitere Hyperzyklen

Auch Bakterien, andere Lebewesen und viele Prozesse der Ökonomie und der Gesellschaft allgemein sind als komplexe Hyperzyklen anzusehen, weil sie aus vielfach hierarchisch aufeinander aufbauenden, rückgekoppelten Prozessen bestehen.

Es gibt sogar ein Modell eines globalen dissipativen Gesamtsystems der irdischen Biosphäre von Lynn Margulis und James Lovelock, das nach der griechischen Erdgöttin Gaia benannt wurde und wie ein komplexer Hyperzyklus funktioniert: das Modell der Gaia-Hypothese. Die Biosphäre wird dabei als rückgekoppeltes, nichtlineares System gesehen, das sich dynamisch selbst organisiert und regelt und auch externe Störungen bisher immer wieder gut verkraftet hat, im Gegensatz zu den Prognosen der hysterischen Weltuntergangs-Szenarien der Umwelt-Fanatiker.

Seine Edukte sind die Strahlungsenergie von der Sonne und das Material der Erde, vor allem das an der Erdoberfläche und im Meer. (Die Sonne strahlt dabei etwa 10 000 Mal so viel Energie auf die Erde ein, wie der gesamte industrielle Energieumsatz der Menschheit beträgt!) Das globale Produkt von Gaia ist Entropie, die es mit der nächtlichen Abstrahlung in den Weltraum exportiert. Die Grundlage des Systems Gaia ist das unerhört robuste und beständige Ökosystem der Bakterien, nicht nur als Basis der Evolution und bei der Umwandlung und Stabilisierung der Sauerstoff-Biosphäre, sondern auch beispielsweise in Symbiosen mit höheren Lebewesen als Darmbakterien und bei der globalen Entsorgung und dem Recycling der Überreste von Pflanzen und Tieren.

 Literatur:

[1] Manfred Eigen: Stufen zum Leben, Piper 1982

[2] Günter Dedie: Gesellschaft ohne Ideologie – eine Utopie? Was die Naturwissenschaft von heute zur Gesellschaft von morgen beitragen kann; tredition 2019

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2 Responses to NaWi 10: Auf dem Weg zum Leben – der Hyperzyklus

  1. Wilfried Müller sagt:

    Also unser Produkt ist Entropie? Im Prinzip produziert doch alles Entropie, was Energie umsetzt, also die gesamte Materie. Die Sonne schon mal das Vielfache wie Gaia. Irgendwie kann doch Entropie nicht das kennzeichnende Produkt von Gaia sein?

  2. Günter Dedie sagt:

    Lieber Wilfried, ich stimme Dir zu, dass zusaätzlich zur Entropie auch (Strahlungs-) Energie exportiert wird. Da habe ich wohl eine Aussage nicht kritsch genug wiedergegeben.

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