Die Entstehung des Lebens

[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.

[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.

[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]

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]

Dazu noch aus dem "Evolutionstheorie der Menschheit"-Thread

Bei einer groß angelegten Studie, die in Science veröffentlicht wurde, wurden 202 Gene (von ca. 20000 Genen) von 14000 Menschen sequenziert.
10621 Personen trugen Mutationen in ihrem Genom. Im Durchschnitt fand man eine Mutation pro 17 Baseneinheiten des Genoms. Viele Mutationen wurden nur einmal gefunden, entstanden also erst vor kurzen.
Die Mutationsraten für einzelne Gene unterschieden sich klar.

[Marschall Q]

Interessante Links zum Thema syntetische Biologie:
future now – Künstliches Leben
Gefährliche Viren – selbst gemacht - Wie riskant ist die synthetische Biologie? | Forschung Aktuell | Deutschlandfunk

Wirklich interessant wie weit man inzwischen ist und was alles möglich ist, aber auch etwas erschreckend.

[Eratosthenes]

Muss man denn die Grenze wo unter welchen Bedingungen Leben entstehen könnte schon weit verschieben. Bis jetzt gab es ja die Annahme das Leben nur auf Planeten möglich ist deren Bedingungen ähnlich der Erde sind. Vor allem sollte sich der Planet in einer Habitablen Zone befinden.

Aber wenn man die jüngsten Erkenntnisse über den Jupitermond Europa sowie den Saturnmond Titan hernimmt könnte sogar dort Leben entstanden sein.
Flüssiges Wasser auf Europa, eine Energiequelle sowie die nötigen Chemischen Bausteine.

Ich denke die Chance ist relativ groß das es in unserem eigenen Sonnensystem weiteres Leben gibt das sich komplett unabhängig zu unserem entwickelt hat.
Und sollte das wirklich einmal nachgewiesen werden dann dürfte es vermutlich im Universum nur so wimmeln von Leben. Wobei das natürlich keinen Schluß zulässt wieviel sich davon zu intelligentem Leben entwickelt.

[Rarehero]

Ich bin mir sicher, dass es im Universum nur so vor Leben wimmelt. Und es muss auch gar nicht immer eine zweite Erde sein. Auf der Venus, auf dem Mars, auf Titan, auf Europa und Enceladus kann es Lebensnester geben. Allerdings dürfte die Vielfalt des Lebens und die Bedingungen, unter denen es entstehen kann, mit steigender Komplexität deutlich abnehmen. Für eine hominide Spezies, die eine Zivilisation hervor bringt und die Raumfahrt entwickelt, braucht es ein wenig mehr, als ein Lösungsmittel und etwas Kohlenstoff. Und es braucht Zeit. Viel, viel Zeit.

Intelligentes Leben braucht viel Energie (bis zu 50% unserer Ruhenergie gehen nur für unser Gehirn drauf) und eine komplexe Umwelt, in der Intelligenz tatsächlich auch einen Vorteil darstellt - was wiederum viel Energie benötigt. Das wird man auf dem Titan oder in der Atmosphäre der Venus nicht finden. Auf einem Eisplaneten wie Hoth oder eine Wüstenwelt wie Tatooine wird es auch keine ausreichend komplexe Lebenswelt geben. Auf Hoth wird sich gar nicht erst viel Leben bzw. sehr komplexes Leben entwickeln. Das meiste Leben, das auf der Erde in den arktischen Regionen existiert, ist aus wärmeren Regionen, die es auf Hoth nicht gibt, eingewandert. Tatooine wäre weitestegehend unbewohnbar, da es nicht genug Wasser gäbe, und die bewohnbaren Regionen wären so warm, dass wechselwarme Lebewesen einen großen Vorteil hätten und den Lebensraum dominieren würden. Wechselwarme Tiere können es sich aber nicht leisten, einen großen Teil ihrer Ruheenergie für ein riesiges Gehirn zu vergeuden.

Ein Planet, auf dem eine Zivilisation nach den Sternen greift, muss der Erde relativ ähnlich sein. Das ist keine bloße "weil wir es nicht anders kennen, kann es nicht anders sein!"-Denke, sondern reine Physik und Biologie und die Prämisse, dass die Evolution keinen klarem Ziel - etwa der Entwicklung einer Zivilisation - folgt, sondern um effiziente Lösungen bemüht ist. Der Planet der Vulkanier oder Klingonen kann nicht deutlich kleiner als die Erde sein, denn sonst verliert er seine Atmosphäre und der innere Dynamo kühlt in Nullkommanix aus (siehe Mars). Deutlich größer und massereicher, und der Planet bindet leichtere Gase als Sauerstoff und Stickstoff, mit denen aber für das Leben nicht viel anzufangen ist. Der Planet muss viel Wasser haben, sonst veröden die Landmassen. Er darf nicht zu warm sein, denn sonst dominieren wechselwarme Tiere, die aber keine Intelligenz entwickeln. Zu kalt, und weite Teile des Planeten sind unbewohnbar.

Kurzum: Mikroben? Überrall! Intelligentes, zivilisationbildendes Leben? Nur unter sehr speziellen Bedingungen. Aber die machen es auch einfach, dieses Leben zu finden. Die Prozesse, die auf der Venus, dem Mars oder dem Titan mit dem Vorhandensein von Leben erklärt werden könnten, können auch mit anderen Prozessen erklärt werden. Und selbst in unserem Sonnensystem ist es für uns kaum möglich, diese Prozesse voneinander zu unterscheiden. Ein Lebensraum wie die Erde ist aber weithin und eindeutig als Lebensraum erkennbar.

[Spocky]

Die Erkenntnisse sind nicht neu, dass es mehr Orte geben kann, an denen Leben entstehen könnte. Man hat inzwischen sehr viele Möglichkeiten nachgewiesen, wie organische Verbindungen entstehen können. Inzwischen gehen einige Forscher davon aus, dass Leben überall entsteht, wo es entstehen kann.

[Bynaus]

Inzwischen gehen einige Forscher davon aus, dass Leben überall entsteht, wo es entstehen kann.

Was natürlich nicht heisst, dass es so sein muss...

Es ist sicher so, dass einfaches Leben häufiger sein wird als komplexes - das ist auch auf der Erde so, heute wie in der Vergangenheit. Aber wie häufig Leben überhaupt ist - das ist eine ganz andere Frage. Wir können heute nicht ausschliessen, dass auch Mikroben nur äussrst selten entstehen.

Finden wir Leben auf dem Mars, auf Europa, Enceladus (evtl Titan) etc., wobei sich belegen lässt, dass es nicht direkt vom heute existierenden Leben auf der Erde abstammt - dann können wir relativ sicher sein, dass einfaches Leben im Universum häufig ist. Finden wir es in keinem von diesen potentiellen Habitaten, können wir ebenfalls recht sicher sein, dass selbst einfaches Leben selten ist. Was vielleicht weniger interessant wäre, aber die Aussichten der Menschheit, in eine kosmologisch tiefe Zukunft fortzubestehen, deutlich erhöhen würde.

[Dannyboy]

Eine Begründung für die vermutliche Häufigkeit von Leben im Universum ist die Tatsache, dass das Leben auf der Erde anscheinend schon sehr schnell entstanden ist, nachdem die Verhältnisse es zuließen.

[Liopleurodon]

Finden wir Leben auf dem Mars, auf Europa, Enceladus (evtl Titan) etc., wobei sich belegen lässt, dass es nicht direkt vom heute existierenden Leben auf der Erde abstammt - dann können wir relativ sicher sein, dass einfaches Leben im Universum häufig ist. Finden wir es in keinem von diesen potentiellen Habitaten, können wir ebenfalls recht sicher sein, dass selbst einfaches Leben selten ist. Was vielleicht weniger interessant wäre, aber die Aussichten der Menschheit, in eine kosmologisch tiefe Zukunft fortzubestehen, deutlich erhöhen würde.

Leider führte die russische Phobos-Sonde eine Fracht aus lebenden Bacillus subtilis-Kulturen mit sich. Ziel war es, deren Überlebensfähigkeit unter Raumbedingungen zu testen.

Jetzt mal angenommen, die Sonde hätte tatsächlich den Mars-Orbit erreicht, wäre aufgrund eines Steuerungsfehlers jedoch auf den Planeten gestürzt. Nachfolgende Missionen, die nach Leben auf dem Mars suchen, würden dann möglicherweise überall den altbekannten Bacillus subtilis isolieren.

Dass die Sonde schon den Erdorbit nicht verlassen hat und abgestürzt ist, gibt natürlich weiterhin viel Vertrauen in solche Experimente.

Einerseits werden Marssonden auf das peinlichste sterilisiert, um jede Einschleppung irdischer Mikroben zu unterbinden, andererseits schicken andere Forscher ganze Kulturbomben in diese Richtung.

[Bynaus]

Eine Begründung für die vermutliche Häufigkeit von Leben im Universum ist die Tatsache, dass das Leben auf der Erde anscheinend schon sehr schnell entstanden ist, nachdem die Verhältnisse es zuließen.

Gesicherte Hinweise auf Leben gibt es erst ab ca. 3.5 Mrd Jahren. Das ist fast eine Milliarde Jahre, nachdem die Bedingungen an der Oberfläche flüssiges Wasser zuliessen.

Zudem ist es keineswegs gegeben, dass ein frühes Auftreten des Lebens auf eine hohe Wahrscheinlichkeit seiner Entstehung hindeuten muss. Dafür gibt es noch viele andere mögliche Erklärungen, zum Beispiel:

1) Nur in der Frühzeit der Erde waren die Bedingungen für die Entstehung des Lebens gegeben.
2) Das Leben spielt vielleicht eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Bewohnbarkeit der Erde: hätte sich nicht schon relativ früh Leben entwickelt, wäre die Erde inzwischen lebensfeindlich, und Leben könnte nicht mehr entstehen.
3) Wenn viele evolutionär schwierige Schritte von der Entstehung des Lebens zur Zivilisation führen, die lebensfreundliche Zeit von Planeten jedoch begrenzt ist, haben Planeten, auf denen das Leben früh entsteht, eine höhere Chance, später mal eine Zivilisation hervorzubringen, die dann "erstaunlicherweise" feststellt, dass das Leben früh entstanden ist...

Leider führte die russische Phobos-Sonde eine Fracht aus lebenden Bacillus subtilis-Kulturen mit sich.

Nun, wenn Phobos den Mars damit "angesteckt" hätte, würde man ja trotzdem wissen, woher allfällig entdeckte Bacillus subtilis-Bakterien kommen könnten. Die Chance, dass der Mars unabhängig von der Erde Bakterien hervorgebracht hat, die identisch mit Bacillus subtilis sind, ist wohl etwa gleich Null. Es geht ja um Leben, das nachweisbar verschieden von jenem der Erde ist.

[Liopleurodon]

Nun, wenn Phobos den Mars damit "angesteckt" hätte, würde man ja trotzdem wissen, woher allfällig entdeckte Bacillus subtilis-Bakterien kommen könnten. Die Chance, dass der Mars unabhängig von der Erde Bakterien hervorgebracht hat, die identisch mit Bacillus subtilis sind, ist wohl etwa gleich Null. Es geht ja um Leben, das nachweisbar verschieden von jenem der Erde ist.

Wäre aber doch blöd, wenn eingeschleppte irdische Organismen in den Tests immer wieder auftauchen und diese komplett überlagern. Zum Beispiel bei Rovern, die darauf ausgelegt sind, Stoffwechselvorgänge aufzuspüren. Das gäbe ja ständig falsch positive Meldungen, die dann im Nachhinein wieder auseinander genommen werden würden - erst recht von den Kritikern solcher Missionen.

Erst recht ein Schuss in den Ofen wäre es, sollte man in 200 Jahren zu der Erkenntnis gelangen, es habe auf dem Mars tatsächlich noch einheimische Lebensformen in irgendwelchen unterirdischen Refugien gegeben. Diese seien jedoch im Zuge der Erkundung von eingeschleppten irdischen Bakterien verdrängt worden und ausgestorben.


.
EDIT (autom. Beitragszusammenführung) :
Liopleurodon schrieb nach 4 Minuten und 26 Sekunden:

Es geht ja um Leben, das nachweisbar verschieden von jenem der Erde ist.

Übrigens gibt es mehrere Gruppen, die ernsthaft nach Anzeichen einer "Schatten-Biosphäre" auf der Erde suchen. Also nach Organismen, die Abkömmlinge einer zweiten Urzeugung sind:

http://en.wikipedia.org/wiki/Shadow_biosphere

http://motherboard.vice.com/2011/4/15/looking-for-earth-s-shadow-biosphere-where-the-aliens-may-be-hiding

http://online.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/ast.2008.0251

http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/369/1936/624.short

[Spocky]

Gesicherte Hinweise auf Leben gibt es erst ab ca. 3.5 Mrd Jahren. Das ist fast eine Milliarde Jahre, nachdem die Bedingungen an der Oberfläche flüssiges Wasser zuliessen.

Vor 4,5 Mrd. Jahren gabs ganz sicher noch kein flüssiges Wasser auf der Erde. Das älteste sicher datierte Gestein ist 4 Mrd Jahre alt. Ein auf über 4,2 Ga datiertes Gestein aus dem Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel wird bisher noch nicht allgemein anerkannt.

Sicher ist: Gesteine werden bei höheren Temperaturen fest als Wasser flüssig .

Sollte die Entstehung des Leben wiederum, wie die gängigste Theorie vermutet, an Black Smoker gekoppelt sein, so brauchen wir noch einige weitere Millionen Jahre, um die Plattentektonik in Gang zu setzen, vorhandene Kruste inklusive wasserhaltiger Sedimente zu subduzieren (alleine dafür darf man dreistellige Jahrmillionen rechnen - ozeanische Kruste sinkt heute so nach 180 - 190 Mio Jahren erst von alleine ab, wenn also noch keine aktive Subduktion stattfindet dürfen wir sicher ähnliche Werte ansetzen, wobei damals auch die Dichteunterschiede nicht so hoch gewesen sein dürften), dann Transport über Konvektionszellen zu Mittelozeanischen Rücken, während sich das Wasser mit Mineralen anreichert und schließlich das Fördern über Black Smoker, daraufhin müssen sich natürlich noch die Bausteine des Lebens erstmal bilden und zusammensetzen, bevor sie die erste Zelle hervorbringen, dann müssen diese Zellen erstmal die Photosynthese hervorbringen und sich soweit organisieren, dass sie schließlich Stromatolithe bilden...

Ich denke dafür hat sich das Leben doch recht schnell entwickelt.