Erklären Sie Mithilfe Von Mathematik, Wie Das Leben Auf Der Erde Begann
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Anonim

Wie kamen selbstreplizierende Moleküle dazu, die frühe Erde zu dominieren? Mit Hilfe der Mathematik der Evolutionsdynamik kann Martin A. Nowak den Wandel von keinem Leben zum Leben erklären.

Erklären Sie mithilfe von Mathematik, wie das Leben auf der Erde begann
Erklären Sie mithilfe von Mathematik, wie das Leben auf der Erde begann

Bereits im März war die Presse verrückt nach Martin A. Nowaks Studie über den Wert der Bestrafung. Der Mathematiker und Biologe der Harvard University, Nowak, hatte rund 100 Studenten für ein Computerspiel verpflichtet, bei dem sie sich gegenseitig mit Groschen bestraften und belohnten. Die weit verbreitete Überzeugung war, dass kostspielige Bestrafung die Zusammenarbeit zwischen zwei Gleichen fördern würde, aber Nowak und seine Kollegen bewiesen, dass die Theorie falsch war. Stattdessen stellten sie fest, dass Bestrafung oft eine Spirale der Vergeltung auslöst, die eher schädlich und destruktiv als nützlich ist. Menschen, die bestrafen, eskalieren weit davon entfernt, Konflikte zu eskalieren, ihr Vermögen zu verschlechtern und schließlich zu verlieren. "Nette Jungs beenden zuerst", jubelten die Schlagzeilen.

Es war nicht das erste Mal, dass Nowaks Computersimulationen und Mathematik ein Umdenken in einem komplexen Phänomen erzwangen. Im Jahr 2002 erarbeitete er Gleichungen, die vorhersagen können, wie sich Krebs entwickelt und ausbreitet, beispielsweise wenn Mutationen in einer Metastase auftreten und Chromosomen instabil werden. Und in den frühen neunziger Jahren zeigte sein Modell des Fortschreitens der Krankheit, dass sich HIV nur dann zu AIDS entwickelt, wenn sich das Virus schnell genug repliziert, so dass die Vielfalt der Stämme ein kritisches Niveau erreicht, das das Immunsystem überfordert. Immunologen fanden später heraus, dass er den richtigen Mechanismus hatte [siehe „Wie HIV das Immunsystem besiegt“von Martin A. Nowak und Andrew J. McMichael; Scientific American, August 1995]. Jetzt will Nowak es wieder tun, diesmal indem er den Ursprung des Lebens modelliert. Insbesondere versucht er, „den Übergang von keinem Leben zum Leben“festzuhalten, sagt er.

Der 43-jährige Nowak ist ausgebildeter Biochemiker und glaubt, dass Mathematik die „wahre Sprache der Wissenschaft“und der Schlüssel ist, um die Geheimnisse der Vergangenheit zu entschlüsseln. Er begann als Doktorand an der Universität Wien mit der Erforschung der Mathematik der Evolution und arbeitete mit seinem österreichischen Landsmann Karl Sigmund zusammen, einem führenden Anbieter der evolutionären Spieltheorie. Evolutionsdynamik, wie Nowak das Feld nannte, beinhaltet die Erstellung von Formeln, die die Bausteine ​​des Evolutionsprozesses beschreiben, wie Selektion, Mutation, zufällige genetische Drift und Populationsstruktur. Diese Formeln verfolgen beispielsweise, was passiert, wenn sich Individuen mit unterschiedlichen Merkmalen mit unterschiedlichen Raten reproduzieren und wie eine Mutante eine Linie produzieren kann, die eine Population übernimmt.

In der Heimat des Programms für evolutionäre Dynamik in Harvard ist die Tafel mit Gleichungen versehen. Nowak war damit beschäftigt, die Entstehung des Lebens in ein möglichst einfaches chemisches System zu reduzieren, das er mathematisch beschreiben kann. Er verwendet Nullen und Einsen, um die ersten chemischen Bausteine ​​des Lebens darzustellen (höchstwahrscheinlich Verbindungen auf der Basis von Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin oder Uracil). Nowak bezeichnet sie als Monomere, die sich in seinem System zufällig und spontan zu binären Informationsketten zusammensetzen.

Nowak untersucht nun die chemische Kinetik dieses Systems, was bedeutet, zu beschreiben, wie Strings mit unterschiedlichen Sequenzen wachsen. Die Grundprinzipien dieses idealisierten Schemas, sagt er, werden für jedes laborbasierte chemische System gelten, in dem sich Monomere selbst zusammensetzen, „genauso wie Newtons Gleichungen beschreiben, wie sich ein Planet um die Sonne bewegt, und das tut es nicht egal woraus dieser Planet besteht “, erklärt Nowak. „Mathematik hilft uns zu erkennen, was das wichtigste und interessanteste Experiment ist. Es beschreibt ein chemisches System, das gebaut werden kann, und sobald es gebaut ist, können Sie den Ursprung der Evolution beobachten. “

Könnte es wirklich so einfach sein? Derzeit existiert das System nur auf Papier und im Computer. Obwohl es einfach ist, mathematisch zu modellieren, ist es schwierig, das System im Labor zu erstellen, da es ohne Enzyme oder Templates beginnt, die die Monomere beim Zusammenbau unterstützen. "Es ist schwer vorstellbar, wie man auf einfache Weise Nukleinsäuren herstellen kann", sagt David W. Deamer, Biomolekularingenieur an der University of California in Santa Cruz. „Es musste ein Ausgangsmaterial geben, aber wir befinden uns sehr in einem trüben Gebiet, und wir haben keine guten Ideen, wie wir es im Labor neu erstellen oder wie wir es nur mit Chemie und Physik zum Laufen bringen können ohne die Hilfe von Enzymen. “

In den 1980er Jahren zeigten der Biochemiker Leslie E. Orgel und seine Gruppe am Salk Institute for Biological Studies in San Diego, dass ein RNA-Strang als Matrize für die Herstellung eines weiteren Strangs komplementärer RNA dienen kann - ein Phänomen, das als nichtenzymatische templatgesteuerte Polymerisation bezeichnet wird. Es hat sich jedoch als schwieriger erwiesen, herauszufinden, wie sich Nukleotide ohne Templates selbst zusammensetzen könnten. "Ich möchte ein Verfahren, das Polymere umfassen kann", sagt Nowak.

Irene Chen, eine Forscherin für zelluläre Ursprünge in Harvard, sagt, dass Monomere von RNA oder DNA in Abwesenheit von Enzymen Polymere bilden könnten, indem eine Verbindung namens Imidazol an ein Ende der Monomere gegeben wird, wodurch sie reaktiver werden und ihre Polymerisation schneller und schneller erfolgt Einfacher. Lipide oder Ton könnten ebenfalls essentiell sein - andere Forscher haben gezeigt, dass sie die Reaktion beschleunigen können. Am Rensselaer Polytechnic Institute beispielsweise veranlasste der Chemiker James P. Ferris Adeninnukleotide, sich zu kurzen Polymeren von RNA-Strängen mit einer Länge von 40 bis 50 Nukleotiden auf einer Art mineralischem Ton zusammenzusetzen, die in der präbiotischen Welt möglicherweise üblich war.

Mit seinem mathematischen Modell untersucht Nowak chemische Reaktionen, die zu solchen Strängen führen, und weist den Reaktionen Geschwindigkeitskonstanten zu. Das heißt, er stellt sich vor, dass Strings mit unterschiedlichen binären Informationen unterschiedlich schnell wachsen, wobei einige Monomere schneller aufnehmen als andere. Dann berechnet er ihre Verteilungen. Er hat festgestellt, dass kleine Unterschiede in den Wachstumsraten zu kleinen Unterschieden in der Häufigkeit führen. Sequenzen, die langsamer wachsen, sind in der Bevölkerung weniger verbreitet und werden von schnelleren Sequenzen übertroffen. "Das finde ich großartig", ruft Nowak aus, "denn jetzt haben Sie die Auswahl vor der Replikation auf ganz natürliche Weise."

Einige Stränge mutieren, und manchmal beschleunigt eine Sequenz die Reaktionsgeschwindigkeiten anderer Sequenzen, was zeigt, dass die Art der Zusammenarbeit, die Nowak seit langem argumentiert, ein grundlegendes Prinzip der Evolution ist. Zusammengenommen, sagt er, ist das Ergebnis ein lebensechtes chemisches System, das mit evolutionärer Dynamik reif ist. Er nennt dieses System "Prelife", weil "es die Eigenschaften der lebensgenetischen Vielfalt, Selektion und Mutation hat - aber nicht der Replikation".

Typischerweise werden Mutation und Selektion als Konsequenzen der Replikation angesehen. Wenn zum Beispiel plötzlich nur noch große, harte Samen für die Finken der Galapagos-Inseln verfügbar wären, würden diejenigen mit größeren, stärkeren Schnäbeln eher überleben und von Generation zu Generation in der Bevölkerung häufiger auftreten. Die Auswahl eines Merkmals, sei es die Schnabelgröße oder etwas anderes, hängt davon ab, ob die Gene für dieses Merkmal an die Nachkommen weitergegeben werden. Aber Nowak sagt, sein Modell zeigt, dass es vor der Replikation eine Auswahl geben kann - was bedeutet, dass es möglicherweise eine Auswahl für die Replikation gibt. Wenn diese Art der Auswahl möglich ist, kann sie vielleicht helfen, den Ursprung des Lebens zu erklären.

Alles, was notwendig ist, ist, dass einige Strings plötzlich die Fähigkeit entwickeln, Kopien von sich selbst zu erstellen - so wie einige Forscher glauben, dass bestimmte RNA-Stränge zuerst auf der primitiven Erde dominant wurden. Nowak weist darauf hin, dass genügend freie Monomere vorhanden sein müssten, um die Replikation vorteilhaft zu gestalten, und dass die Replikationszeichenfolgen in der Lage sein müssen, die Monomere schneller zu verbrauchen als die nichtreplizierenden Zeichenfolgen. Nach seinen Berechnungen würde sich das Gleichgewicht des Systems nur ändern, wenn die Replikationsrate einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, so dass Leben entstehen kann. "Das Leben zerstört das Leben", sagt er. "All dies geschah irgendwann."

Nowak hofft, dass sein Modell Experimente leiten wird. Wenn es darum geht, den Beginn der Evolution zu verstehen und das chemische System aufzubauen, beschreibt er mathematisch - ein System, in dem sich nur zwei Arten von Monomeren selbst zusammensetzen und dann selbst replizieren - „ist das Einfachste, was Sie tun können“, sagt er. „Mathematik ist die richtige Sprache der Evolution. Ich weiß nicht, wie das "ultimative Verständnis" der Biologie aussehen wird, aber eines ist klar: Es geht darum, die Gleichungen richtig zu machen."

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