Rezension: Die DNA: Bibliothek des Lebens - Teil 4: Mögliche Entwicklung und Vorläufer der DNA (2013)
In den letzten drei Artikeln konnte klar aufgezeichnet werden, dass die Evolutionstheorie eine wissenschaftliche Theorie ist, wie sie im zitierten Brockhaus definiert wurde. Ihre Wirkmechanismen lassen sich in kurzen Zeiträumen beobachten. Sie lassen sich reproduzieren. Und die Evolutionstheorie trifft auch wissenschaftliche Vorhersagen.
Anschließend soll eine kurze Abhandlung darüber erfolgen, wie sich DNA gebildet und entwickelt haben könnte.
Die RNA-Welt-Hypothese
Ein Erklärungsmodell ist die RNA-Welt-Hypothese, die besagt, dass RNA-Moleküle die Vorläufer der Organismen und der DNA sind. Die Hypothese lässt sich ableiten aus der Fähigkeit der RNA zur Speicherung, Übertragung und Vervielfältigung genetischer Informationen, sowie aus ihrer Fähigkeit, als Ribozyme Reaktionen zu katalysieren.
Da die RNA ein bereits sehr komplexes Molekül ist, wurden alternative und ergänzende Hypothesen zur Entwicklung des Lebens auf der Erde entwickelt. Diese schließen insbesondere eine mögliche Rolle von Proteinoiden, Peptid-Nukleinsäuren (kurz PNA), Threose-Nukleinsäuren und Glycerol-Nukleinsäuren ein. Sie werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen, da sie chemisch einfacher gebaut sind. Für Peptid-Nukleinsäuren konnte nachgewiesen werden, dass sie sich selbst replizieren und als Vorlage der RNA dienen können. Eine Entstehung von Peptid-Nukleinsäuren in der Ursuppe gilt als möglich. Auch die in der Ursuppe vermuteten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen.
Proteinoide
Proteinoide sind proteinähnliche Polymere aus Aminosäuren, die im Gegensatz zu heutigen Proteinverbindungen auch außerhalb von Lebewesen entstanden sein können. Im Miller-Urey-Experiment wurden Aminosäuren in einer hypothetischen Ursuppe erzeugt. Darauf aufbauend entstehen Proteinoide bei Temperaturen um 140 °C, in Anwesenheit von Katalysatoren (mögliche Katalysatoren Phosphat oder Amidincarbodiimid) bereits ab 70 °C. Daraus können sich aufgrund hydrophober Effekte sphärische Proteinkomplexe (Mikrosphären) bilden, die zwei Eigenschaften von Lebewesen aufweisen, wie eine proteinbasierte Biomembran und eine Aufspaltung in Tochtersphären als Entsprechung einer Zellteilung.
Peptid-Nukleinsäure
Dies sind Nukleinsäure, in dem das Zucker-Phosphat-Rückgrat durch ein Pseudopeptid ersetzt ist. Das Rückgrat besteht dabei oft aus Aminoethylglycin-Einheiten, die über neutrale Amid-Bindungen (anstelle der geladenen Phosphodiester-Bindungen der DNA) miteinander verbunden sind.
Threose-Nukleinsäuren
Threose ist ein Monosaccharid aus der Gruppe der Tetrosen. Es gibt zwei Stereoisomere, die D-Threose und die L-Threose.
Threose ist namensgebend für den Deskriptor (ein Präfix vor dem systematischen Substanznamen, der die Konfiguration oder die Stereochemie des Moleküls beschreibt) threo-, der als halbsystematischer Namenszusatz genutzt wird, um ähnlich konfigurierte Moleküle zu kennzeichnen.
Bei der Oxidation von Threose, beispielsweise mit Salpetersäure, entsteht Weinsäure (Die Alkalisalze der Weinsäure vermögen in alkalischer Lösung Kupfer(II)-Ionen zu binden und dadurch in Lösung zu halten (Fehlingsche Lösung, zum Nachweis von Reduktionsstoffen)). Bei der Reduktion, zum Beispiel mit Natriumborhydrid, entsteht Threit (einem einfach gebauten Zuckeralkohol).
Glycerol-Nukleinsäuren
Glycerol (von griechisch glykeros für süß, auch Glyzerin genannt ist ein Zuckeralkohol und der einfachste dreiwertige Alkohol, ein Triol. Glycerol ist in allen natürlichen Fetten und fetten Ölen (z.B. Pflanzenölen) chemisch gebunden als Fettsäureester vorhanden und spielt eine zentrale Rolle als Zwischenprodukt in verschiedenen Stoffwechselprozessen.

Schematisches Beispiel für die säurekatalysierte Umesterung eines natürlichen Triglycerids (drei Glycerole) (oben) in Fetten und Ölen. Der blau markierte Fettsäurerest ist gesättigt, der grün markierte ist einfach, der rot markierte dreifach ungesättigt. Bei der Gleichgewichtsreaktion wird Clycerol abgespalten und es entsteht FAME (unten), ein Gemisch von Fettsäuremethylestern, im Beispiel drei verschiedene
Wegen seiner wasserbindenden Eigenschaften ist Glycerol in Kosmetikartikeln als Feuchtigkeitsspender enthalten und dient als Lebensmittelzusatzstoff E 422 zur Feuchthaltung, etwa für Datteln, Kaugummi oder Zahnpasta, aber auch als Süßungsmittel. Es hält Blumen und Weihnachtsbäume länger frisch und Leder in Schuhcremes und Lederpflegemitteln glatt und geschmeidig.
Clycerol verwendet die Industrie als Frostschutzmittel, Schmierstoff und Weichmacher, als Reakant bei der Herstellung von Kunststoffen, Microchips und Farbstoffen, sowie nach der Reaktion mit konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure zu Glyceroltrinitrat (besser bekannt als "Nitroglycerin") als Explosivstoff. Weitere Anwendungsgebiete: als Nährmedium für Biogasanlagen und Fermentationssubstrat in der industriellen Biotechnologie, als Kraftstoffzusatz, als Futtermittel für Wiederkäuer, Schweine und Hühner, zur Behandlung von Hirnödemen, als Abführmittel, zur Aufrechterhaltung der menschlichen Hirn- und Organfunktionen während einer künstlichen Absenkung der Körpertemperatur für langwierige, schwierige Eingriffe (biologisches Vorbild der graue Laubfrosch Hyla versicolor) und zur Diagnose eines Morbus Meniere.
Die meisten tierischen und pflanzlichen Fette und Öle sind Triacylclyceride aus dreiwertigen Alkoholglycerin der mit -OH dreifach mit Fettsäuren verestert. Diese Verbindung dient als Energiespeicher. Ähnlich aufgebaut sind Phosphoglyceride, die statt der dritten Fettsäure eine Phosphatgruppe verestern und an diese ein Rest gekoppelt ist, wie Cholin im Lecithin. Dieses Molekül hat einen polaren und einen apolaren Bereich, was die Bildung einer Membran (z.B. Zellmembran) ermöglicht.
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (kurz PAK) bilden eine Stoffgruppe von organischen Verbindungen, die aus mindestens zwei verbundenen aromatischen Ringsystemen bestehen, die stets in einer Ebene liegen. Der einfachste PAK ist Naphthalin. Fluoren ist ebenfalls ein PAK, da beide Ringe durch die zusätzliche Methyleneinheit starr miteinander verbunden sind. Kein PAK ist Biphenyl, hier sind die beiden Benzolringe nicht anelliert (Anfügung eines weiteren Ringes an einen oder mehrere schon vorhandene Ringe).
Diese ringförmigen Kohlenwasserstoffe können zusätzlich Substituenten (häufig Methylgruppen) tragen. In einer erweiterten Bezeichnung werden auch Derivate mit Heteroatomen (vorrangig Sauerstoff und Stickstoff) in Form von Aldehyd-, Keto-, Carboxy- und Nitrogruppen, aber auch Heteroaromaten zu den PAK gezählt. Dadurch ergibt sich ein großer Variantenreichtum innerhalb der PAK; mehrere hundert Verbindungen sind bekannt.
Die alternative Hypothese der Panspermie stellt eine weitere mögliche Erklärung der Entstehung der komplexen Formen unseres Lebens dar. Diese weitgehend als reine Spekulation betrachtete Theorie besagt, dass sich einfache Lebensformen über große Distanzen durch das Universum bewegten oder gebracht wurden und so die Anfänge des Lebens auf die Erde markierten. Da allerdings die Frage nach der Entstehung des Lebens hierdurch einfach nur von der Erde an irgendeinen anderen Ort im Universum verschoben wird, bietet diese Hypothese letztlich keinerlei grundlegende Erklärung an.
Solche Hypothesen sind auch mit einer gehörigen Portion Spekulation verbunden, aber im Gegensatz zu Gott zumindest einer wissenschaftlichen Prüfung zugänglich.
Feststellen lässt sich übrigens auch, dass Technik, die immer wieder als gelenkter Prozess die Analogie zur Natur von Kreationisten verstanden und dargestellt wird, ebenfalls einem Wandel unterworfen ist. Wobei der Mensch hier die Rolle der Mutation, Selektion, Adaption, Variation und des genetischen Drifts übernimmt, indem er entscheidet, wie sich etwas verändert, ob es sich durchsetzt oder zufällig verloren geht (z.B. Krieg). Er verwendet bei der Entwicklung neuer Techniken nicht neu erschaffene Materie, sondern bereits vorhandenes Material und Wissen und baut darauf auf (#1).
Fazit: Für die Entstehung und Entwicklung der DNA als Informationsspeicher des Lebens gibt es überprüfbare Erklärungen. Auf einige Modelle werde ich zu einem späteren Zeitpunkt eingehen.
#1 - Die Speichergrößen im Wandel der Zeit Hier im Forum unter "Kind der 80er Jahre"
In den letzten drei Artikeln konnte klar aufgezeichnet werden, dass die Evolutionstheorie eine wissenschaftliche Theorie ist, wie sie im zitierten Brockhaus definiert wurde. Ihre Wirkmechanismen lassen sich in kurzen Zeiträumen beobachten. Sie lassen sich reproduzieren. Und die Evolutionstheorie trifft auch wissenschaftliche Vorhersagen.
Anschließend soll eine kurze Abhandlung darüber erfolgen, wie sich DNA gebildet und entwickelt haben könnte.
Die RNA-Welt-Hypothese
Ein Erklärungsmodell ist die RNA-Welt-Hypothese, die besagt, dass RNA-Moleküle die Vorläufer der Organismen und der DNA sind. Die Hypothese lässt sich ableiten aus der Fähigkeit der RNA zur Speicherung, Übertragung und Vervielfältigung genetischer Informationen, sowie aus ihrer Fähigkeit, als Ribozyme Reaktionen zu katalysieren.
Da die RNA ein bereits sehr komplexes Molekül ist, wurden alternative und ergänzende Hypothesen zur Entwicklung des Lebens auf der Erde entwickelt. Diese schließen insbesondere eine mögliche Rolle von Proteinoiden, Peptid-Nukleinsäuren (kurz PNA), Threose-Nukleinsäuren und Glycerol-Nukleinsäuren ein. Sie werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen, da sie chemisch einfacher gebaut sind. Für Peptid-Nukleinsäuren konnte nachgewiesen werden, dass sie sich selbst replizieren und als Vorlage der RNA dienen können. Eine Entstehung von Peptid-Nukleinsäuren in der Ursuppe gilt als möglich. Auch die in der Ursuppe vermuteten polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe werden als mögliche Vorgänger der RNA angesehen.
Proteinoide
Proteinoide sind proteinähnliche Polymere aus Aminosäuren, die im Gegensatz zu heutigen Proteinverbindungen auch außerhalb von Lebewesen entstanden sein können. Im Miller-Urey-Experiment wurden Aminosäuren in einer hypothetischen Ursuppe erzeugt. Darauf aufbauend entstehen Proteinoide bei Temperaturen um 140 °C, in Anwesenheit von Katalysatoren (mögliche Katalysatoren Phosphat oder Amidincarbodiimid) bereits ab 70 °C. Daraus können sich aufgrund hydrophober Effekte sphärische Proteinkomplexe (Mikrosphären) bilden, die zwei Eigenschaften von Lebewesen aufweisen, wie eine proteinbasierte Biomembran und eine Aufspaltung in Tochtersphären als Entsprechung einer Zellteilung.
Peptid-Nukleinsäure
Dies sind Nukleinsäure, in dem das Zucker-Phosphat-Rückgrat durch ein Pseudopeptid ersetzt ist. Das Rückgrat besteht dabei oft aus Aminoethylglycin-Einheiten, die über neutrale Amid-Bindungen (anstelle der geladenen Phosphodiester-Bindungen der DNA) miteinander verbunden sind.
Threose-Nukleinsäuren
Threose ist ein Monosaccharid aus der Gruppe der Tetrosen. Es gibt zwei Stereoisomere, die D-Threose und die L-Threose.
Threose ist namensgebend für den Deskriptor (ein Präfix vor dem systematischen Substanznamen, der die Konfiguration oder die Stereochemie des Moleküls beschreibt) threo-, der als halbsystematischer Namenszusatz genutzt wird, um ähnlich konfigurierte Moleküle zu kennzeichnen.
Bei der Oxidation von Threose, beispielsweise mit Salpetersäure, entsteht Weinsäure (Die Alkalisalze der Weinsäure vermögen in alkalischer Lösung Kupfer(II)-Ionen zu binden und dadurch in Lösung zu halten (Fehlingsche Lösung, zum Nachweis von Reduktionsstoffen)). Bei der Reduktion, zum Beispiel mit Natriumborhydrid, entsteht Threit (einem einfach gebauten Zuckeralkohol).
Glycerol-Nukleinsäuren
Glycerol (von griechisch glykeros für süß, auch Glyzerin genannt ist ein Zuckeralkohol und der einfachste dreiwertige Alkohol, ein Triol. Glycerol ist in allen natürlichen Fetten und fetten Ölen (z.B. Pflanzenölen) chemisch gebunden als Fettsäureester vorhanden und spielt eine zentrale Rolle als Zwischenprodukt in verschiedenen Stoffwechselprozessen.

Schematisches Beispiel für die säurekatalysierte Umesterung eines natürlichen Triglycerids (drei Glycerole) (oben) in Fetten und Ölen. Der blau markierte Fettsäurerest ist gesättigt, der grün markierte ist einfach, der rot markierte dreifach ungesättigt. Bei der Gleichgewichtsreaktion wird Clycerol abgespalten und es entsteht FAME (unten), ein Gemisch von Fettsäuremethylestern, im Beispiel drei verschiedene
Wegen seiner wasserbindenden Eigenschaften ist Glycerol in Kosmetikartikeln als Feuchtigkeitsspender enthalten und dient als Lebensmittelzusatzstoff E 422 zur Feuchthaltung, etwa für Datteln, Kaugummi oder Zahnpasta, aber auch als Süßungsmittel. Es hält Blumen und Weihnachtsbäume länger frisch und Leder in Schuhcremes und Lederpflegemitteln glatt und geschmeidig.
Clycerol verwendet die Industrie als Frostschutzmittel, Schmierstoff und Weichmacher, als Reakant bei der Herstellung von Kunststoffen, Microchips und Farbstoffen, sowie nach der Reaktion mit konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure zu Glyceroltrinitrat (besser bekannt als "Nitroglycerin") als Explosivstoff. Weitere Anwendungsgebiete: als Nährmedium für Biogasanlagen und Fermentationssubstrat in der industriellen Biotechnologie, als Kraftstoffzusatz, als Futtermittel für Wiederkäuer, Schweine und Hühner, zur Behandlung von Hirnödemen, als Abführmittel, zur Aufrechterhaltung der menschlichen Hirn- und Organfunktionen während einer künstlichen Absenkung der Körpertemperatur für langwierige, schwierige Eingriffe (biologisches Vorbild der graue Laubfrosch Hyla versicolor) und zur Diagnose eines Morbus Meniere.
Die meisten tierischen und pflanzlichen Fette und Öle sind Triacylclyceride aus dreiwertigen Alkoholglycerin der mit -OH dreifach mit Fettsäuren verestert. Diese Verbindung dient als Energiespeicher. Ähnlich aufgebaut sind Phosphoglyceride, die statt der dritten Fettsäure eine Phosphatgruppe verestern und an diese ein Rest gekoppelt ist, wie Cholin im Lecithin. Dieses Molekül hat einen polaren und einen apolaren Bereich, was die Bildung einer Membran (z.B. Zellmembran) ermöglicht.
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (kurz PAK) bilden eine Stoffgruppe von organischen Verbindungen, die aus mindestens zwei verbundenen aromatischen Ringsystemen bestehen, die stets in einer Ebene liegen. Der einfachste PAK ist Naphthalin. Fluoren ist ebenfalls ein PAK, da beide Ringe durch die zusätzliche Methyleneinheit starr miteinander verbunden sind. Kein PAK ist Biphenyl, hier sind die beiden Benzolringe nicht anelliert (Anfügung eines weiteren Ringes an einen oder mehrere schon vorhandene Ringe).
Diese ringförmigen Kohlenwasserstoffe können zusätzlich Substituenten (häufig Methylgruppen) tragen. In einer erweiterten Bezeichnung werden auch Derivate mit Heteroatomen (vorrangig Sauerstoff und Stickstoff) in Form von Aldehyd-, Keto-, Carboxy- und Nitrogruppen, aber auch Heteroaromaten zu den PAK gezählt. Dadurch ergibt sich ein großer Variantenreichtum innerhalb der PAK; mehrere hundert Verbindungen sind bekannt.
Die alternative Hypothese der Panspermie stellt eine weitere mögliche Erklärung der Entstehung der komplexen Formen unseres Lebens dar. Diese weitgehend als reine Spekulation betrachtete Theorie besagt, dass sich einfache Lebensformen über große Distanzen durch das Universum bewegten oder gebracht wurden und so die Anfänge des Lebens auf die Erde markierten. Da allerdings die Frage nach der Entstehung des Lebens hierdurch einfach nur von der Erde an irgendeinen anderen Ort im Universum verschoben wird, bietet diese Hypothese letztlich keinerlei grundlegende Erklärung an.
Solche Hypothesen sind auch mit einer gehörigen Portion Spekulation verbunden, aber im Gegensatz zu Gott zumindest einer wissenschaftlichen Prüfung zugänglich.
Feststellen lässt sich übrigens auch, dass Technik, die immer wieder als gelenkter Prozess die Analogie zur Natur von Kreationisten verstanden und dargestellt wird, ebenfalls einem Wandel unterworfen ist. Wobei der Mensch hier die Rolle der Mutation, Selektion, Adaption, Variation und des genetischen Drifts übernimmt, indem er entscheidet, wie sich etwas verändert, ob es sich durchsetzt oder zufällig verloren geht (z.B. Krieg). Er verwendet bei der Entwicklung neuer Techniken nicht neu erschaffene Materie, sondern bereits vorhandenes Material und Wissen und baut darauf auf (#1).
Fazit: Für die Entstehung und Entwicklung der DNA als Informationsspeicher des Lebens gibt es überprüfbare Erklärungen. Auf einige Modelle werde ich zu einem späteren Zeitpunkt eingehen.
#1 - Die Speichergrößen im Wandel der Zeit Hier im Forum unter "Kind der 80er Jahre"