Biologie-5-Ontstaan van het leven/Replicatie/Reproductie.
"The replication of molecules for example can be traced to life's origin and represents one of life's most universal properties." C.P.Hickman,L.S.Roberts,A.Larson:"Integrated principles of zoology."
"The principal problem in understanding the origin of life is explaining how primitive chemical systems could have become organized into living autonomous self-reproducing cells." C.P.Hickman,L.S.Roberts,A.Larson: op.cit.
"I talked about life as the emergence of self-reproducing molecular systems." Stuart Kaufman: "The adjacent possible."
"De basis bouwstenen van het leven zijn scheikundige stoffen die in specifieke scheikundige processen interageren." L.Apostel: "Oorsprong". ------------------------------------------------------------------------------------------------- 1-VOORWOORD.
In vorige paragrafen van EX LIBRIS-Biologie werden de mogelijkheden voor de vorming van prebiotische elementen, op aarde en in de ruimte,voldoende besproken.De exacte oorsprong van de primaire bouwstenen van de basis structuren van de levende organismen is echter nog niet gekend maar aan hypothesen geen gebrek.Deze hypothesen zijn min of meer aanvaardbaar. Geen wetenschapper twijfelt dat deze primaire bouwstenen in de prille faze van de vorming van de aarde reeds aanwezig waren.Gedurende 1 mijard jaar (van 4,5 tot 3,5 miljard jaar) hebben deze bouwstenen tijd gehad om scheikundig te evolueren tot elementen die later de mogelijkheid hadden in een replicatiefaze te treden.Gezien de immense mogelijkheden voor de combinatie van deze eerste bouwstenen is het echter onwaarschijnlijk dat de geschikte basis structuren (proteïnen en nucleïne zuren) snel kant en klaar waren.Er waren zeker talrijke wegen waarvan velen voor de vorming van levende organismen niet bruikbaar waren.Een aantal hypothesen voor de verschijning van de geschikte elementen en voor hun replicatie werden geformuleerd.Dit is het onderwerp van deze paragraaf. Men moet zich echter realiseren dat deze bespreking niet vertrekt van DNA-die komt pas in een latere faze op het toneel.Verder gaat het ook niet over "reproductie" maar beter over een "replicatie" faze.Dit onderscheid is nodig voor de latere bespreking van de levende cel waarin "reproductie" zeer belangrijk wordt.
2-"UNDERSTANDING EVOLUTION." http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/origsoflife (van _01 tot _08) (Andy Ellington).
Een eenvoudige benadering van de oorsprong van het leven wordt hierin geschetst.Levende organismen zijn enorm complex.Deze complexiteit verscheen niet in volledige vorm in de oersoep (primordial soup).Het is praktisch zeker dat het leven ontstond in een reeks kleine stappen;iedere stap bouwt voort op de complexiteit die reeds aanwezig was in de voorgaande stap.
a)Eenvoudige organische moleculen werden gevormd. Hier gaat het over de vorming van proteïnen en nucleotiden.Deze waren echter reeds geëvolueerde structuren afkomstig van de reacties van de prebiotische elementen.
b)De replicatie van de elementen voor de levende organismen evolueerde en onderging een Darwiniaans proces van natuurlijke selectie op moleculair niveau. Deze beschouwing is nog van groter belang bij het kopiëren van genetisch materiaal.Veel biologen uiten de hypothese dat de replicatie stap met RNA begon (zie verder).Zelf-replicatie opende de deur voor natuurlijke selectie.
c)De replicatie van de moleculen begon pas goed op gang te komen toen ze omsloten werden door een celmembraan.Eerst verscheen wat men noemt een "protocel".Op dit niveau speelde een Darwiniaanse selectie ook een belangrijke rol (cellulair darwinisme).
d)Tenslotte begonnen de metabolische processen de overhand te nemen.DNA werd ingeschakeld voor de reproductie en voor de vorming van de diverse RNA moleculen via de transcriptie stap.DNA was stabieler dan RNA,wat uiterst belangrijk bleek te zijn.
e)Multicellulaire organismen. Twee miljard jaar geleden begon de periode waarin de cellen aggregaten vormden.Dit opende de weg voor de multicellulaire levende organismen zoals men ze kan zien in fossiele algen van het precambrium.
Bij de aanvang van de studie van de oorsprong van de levende organismen werden de wetenschappers geconfronteerd met het dilemma van "DE KIP EN HET EI" : Wie was eerst ?DNA levert de sleutel tot proteïnen via transcriptie naar RNA,gevolgd door de translatie .Maar DNA heeft proteïnen nodig om de werking aan te vatten.Wie was dus eerst ? DNA of Proteïnen ? Om uit dit dilemma te kunnen ontsnappen begonnen de wetenschappers de hypothese van "RNA eerst" serieus te overwegen.Deze moleculen zouden eerst komen en de rest zou volgen.Maar is dit wel zo ? Er zijn nog wel andere hypothesen zoals verder zal blijken.
3-"HOW DID LIFE BEGIN ?".
In het nummer van TIME van 11.10.1993 geeft J.M.Nash/La Jolla een interessant overzicht van deze problematiek.Dit kan men vinden via: http://www.time.com (Archive:J.Madeleine Nash). Hier volgen enkele citaten:
-"An ancient ancestor may have been a simple,sturdier (robuust,sterk) precursor of modern RNA,which along with nucleic acid DNA,its chemical cousin,carries the genetic code in all creatures great and small."
-"....Although Miller's famous experiment produced the components of proteins,more and more researchers believe that a genetic master molecule-probably RNA- arose before protein did."
-"Could then overheated spots (hydrothermal vents in the depth of the oceans)have been the places where life on earth got started ? This "hot world" hypothesis has won many converts....Still a question remains : did life originate in the vents,or just migrate there ?."
-"Tiny spheres,known as vesicles,would have provided an ideal setting for chemical reactions and could have been precursors of the first cells-Once you have these little vesicles,you're on the way to life (Harold Morowitz)-."
-"Which came first,though,the membrane or the metabolism ? Günter Wächtershauser believes that what we call life began as a series of chemical reactions between certain key organic molecules.Instead of being enclosed in a membrane, they might have been stuck like pins in a cushion on the surface of some accomodating material (pyrite ?)..."
A.G.Cairns-Smith thinks the answer may lie in ordinary clay.Clay or mineral crystals could have served as molecular molds that incorporated lifes's building blocks and organized them in precise arrays.
-Chicken-and- egg problem. -"One solution was that certain RNA molecules can act both as blueprints and catalysts,stimulating reactions between themselves and other molecules." (RNA world)
-"To qualify as living,a molecule would need to have the ability to reproduce (replicate) without outside help."
4-"THE ORIGIN OF LIFE ON THE EARTH." LESLIE ORGEL,Scientific American,october 1994, p.77.
-"Growing evidence supports the idea that the emergence of catalytic RNA was a crucial early step.How that RNA came into being remains unknown."
-"For much of the 20th century,origin -of-life research aimed to flesh out Darwin's private hypothesis-to elucidate how,without supernatural intervention,spontaneous interaction of the relatively simple molecules dissolved in the lakes or oceans of the prebiotic world could have yielded life's last common ancestor."
-"In the late 1960's we (C.R.Woese,F.Crick,L.Orgel) independently suggested that RNA might well have come first and established what is now called the RNA-world."
-"In 1983 T.R.Cech and S.Altman discovered the first known ribozymes,enzymes made of RNA."
-"There is good reason to think that the RNA world did exist and that RNA invented protein synthesis....The main task of origin-of-life research then becomes explaining how the RNA world came into being."
-"Chemists are increasingly considering the possibility that RNA was not the first self-replicating molecule on the primitive earth,that a simpler replicating system came first (such as pyranosyl RNA-pRNA-or peptide nucleic acid-pNA)."
-"Whether RNA arose spontaneously or replaced some earlier genetic system,its development was probably the watershed event in the development of life.It very likely led to the synthesis of proteins,the formation of DNA and the emergence of a cell that became life's last common ancestor."
5-"A SIMPLER ORIGIN OF LIFE." ROBERT SHAPIRO. Scientific American ,June 2007,46-53. http://www.robertshapiro.org/
-"The sudden appearance of a large self-copying molecule such as RNA was exceedingly improbable.Energy-driven networks of small molecules afford better odds as the initiators of life."
-"NASA definition of life." Life is a self-sustained chemical system capable of undergoing Darwinian evolution."
-R.Dawkins: "The selfish gene". -"At some point a particularly remarkable molecule was formed by accident .We will call it "The Replicator".It may not have been the biggest or the most complex molecule around,but it had the extraordinary property of being able to create copies of itself."
-"No physical law needs to be broken for spontaneous RNA formation to happen,but the chances against it are so immense,that the suggestion implies that the non-living world had an innate desire to generate RNA."
-"A simpler replicator arose first and governed life in a pre-RNA world.Variations have been proposed in which the bases ,the sugar or the entire backbone of RNA have been replaced by simpler substances,more accessible to prebiotic synthesis."
LIFE WITH SMALL MOLECULES.
-"C.de Duve has called for <a rejection of improbabilities so incommensurably high that they can only be called miracles,phenomena that fall outside the scope of scientific inquiry>.Inanimate nature provides us with a variety of mixtures of small molecules whose behavior is governed by scientific laws,rather than by human intervention."
-"A localized region which increases in order (decrease in entropy) through cycles driven by an energy flow would be considered alive=thermodynamic definition of life : zie verder)." C.Sagan.
-Five requirements for life: a)A boundary is needed to separate life from non-life (Living Cell). b)An energy source is needed to drive the organization process (redox reactions). c)A coupling mechanism must link the release of energy to the organization process that produces and sustains life.(linkage is achieved when the reactions share a common intermediate) d)A chemical network must be formed to permit adaptation and evolution (metabolic network). e)The network must grow and reproduce (existence of Darwinian evolution).
-"These systems have usually been classified under the heading "metabolism first",which implies that they do not contain a mechanism for heredity."
6-"THE BEGINNING OF LIFE ON EARTH." Christian de Duve:American Scientist,Sept-Oct.1995
C.de Duve,Nobelprijs winnaar Geneeskunde en Fysiologie,in 1974,is wereldwijd erkend en gewaardeerd als autoriteit op het gebied van de moleculaire biologie.In het hier vermeld artikel,verschenen in American Scientist,geeft hij een merkwaardige en overzichtelijke synthese van de diverse gedachten omtrent de oorsprong van het leven op aarde.Dit overzicht kan dienen als een waardevolle samenvatting van de onderwerpen die behandeld werden in EX LIBRIS/Biologie,1 tot 5. Het is interessant hier bijzondere aandacht te schenken aan zijn hypothese van de "Thioester world" die hij als volgt formuleert:
-"It may well be that clues to the nature of early metabolism exist within modern metabolism (congruence principle !).Several proposals of this kind have been made.This view centers around the bond between sulfur and a carbon containing entity called an acyl group,which yields a compound called a thioester.I view the thioester bond as primeval (oorspronkelijk) in the development of life."
-"The thioester bond is what biochemists call a high-energy bond,equivalent to the phosphate bonds in adenosine triphosphate (ATP) which is the main supplier of energy in all living organisms."
-"The thioester world represents a hypothetical early stage in the development of life that could have provided the energetic and catalytic framework of the protometabolic set of primitive chemical reactions that led from the first building blocks of life to the RNA world and subsequently sustained the RNA world until metabolism took over.....So far ,these ideas are highly speculative but some experimental evidence has been obtained that support the thioester-world model."
Een volledige beschrijving van de hypothese van de "Thioester-world" kan men vinden in: "BLUEPRINT FOR A CELL:THE NATURE AND ORIGIN OF LIFE" C.de Duve Ch 7-Harnessing energy.bl 147-170.
Tenslotte is er een citaat dat aantoont dat C.de Duve' niet akkoord is met de opvatting van Jacques Monod.
-"The process that generated life must have been highly deterministic.In other words,these processes were inevitable under the conditions that existed on the prebiotic earth.....All of which leads to conclude that life is an obligatory manifestation of matter,bounds to arise where conditions are appropriate."
-"Life is a cosmic imperative.The universe is awash (overspoeld) with life."
Opmerkingen: a)Jacques Monod : "Le hasard et la néccessité." (1970) -"The universe was not pregnant with life ,nor the biosphere with man.(cit.C.de Duve.) b)-"Man knows at last that he is alone in the universe's unfeeling immensity,out of which he emerged only by chance." (cit.C.de Duve) Zie ook:Chimie Nouvelle :18,n° 71,09/2000 p.3141. en "VITAL DUST." (1995) C.de Duve.
c)Determinisme. Dit aspect van de evolutie moet met voorzichtigheid gehanteerd worden. De niet-lineaire thermodynamica heeft nieuwe inzichten geopend (bifurcations) (I.Prigogine: zie verder).
d)Determinisme betekent niet -ook niet voor C.de Duve-teleonomie waarbij aangenomen wordt dat de evolutie naar een doel streeft.Doelgerichtheid is niet de essentie van de evolutie.
7-"MOLECULEN ZIJN NIET DOM." (NAWOORD/ADDENDUM) KNACK 02/01/08.
BEGIN DECEMBER 2007 VOND IN BRUSSEL DE 21e CONFERENTIE VAN DE INTERNATIONALE SOLVAY INSTITUTEN.BIJ DEZE GELEGENHEID WAS JEAN-MARIE LEHN (NOBELPRIJS WINNAAR CHEMIE IN 1987) EEN VAN DE VOORAANSTAANDE GASTEN. TIJDENS EEN INTERVIEW MET DIRK DRAULANS VAN KNACK DEED HIJ ENKELE MERKWAARDIGE UITSPRAKEN DIE GOED AANSLUITEN BIJ DE INHOUD VAN DEZE BLOG OVER BIOLOGIE.HIER VOLGEN ENKEE CITATEN WAARIN JEAN-MARIE LEHN REFLECTEERT OVER HET ONTSTAAN VAN HET LEVEN:
-"DE SCHEIKUNDE HEEFT VAN STOF LEVEN GEMAAKT.EERST WAS ER FYSICA,DE ENERGIE.VERVOLGENS ONTSTOND DE MATERIE :DE ATOMEN,DE SCHEIKUNDIGE ELEMENTEN,DIE MET ELKAAR BEGONNEN TE INTERAGEREN,TOT ZE UITEINDELIJK LEVEN CREËRDEN."
LEHN KREEG DE NOBELPRIJS VOOR ZIJN WERK IN DE SUPRAMOLECULAIRE CHEMIE DIE DE ORGANISATIE VAN DE MOLECULEN BESTUDEERT.HIJ INTERESSEERT ZICH VOORAL VOOR HET CONCEPT VAN ZELFORGANISATIE,DAT HIJ "HET BELANGRIJKSTE ASPECT VAN DE EVOLUTIE " NOEMT.
-"....HOEWEL WE NOG ALTIJD NIET ALLE ASPECTEN KENNEN WAARMEE DE EERSTE MOLECULEN UIT HET STOF VAN DE RUIMTE ZIJN GEMAAKT,WETEN WE DAT EEN VAN DE VIER BOUWSTENEN VAN DE GENETISCHE CODE ,VRIJ EENVOUDIG GEMAAKT KAN WORDEN MET VIJF MOLECULEN WATERSTOF CYANIDE,DAT ALGEMEEN IS IN DE INTERSTELLAIRE RUIMTE.DOE DAAR WAT WATER BIJ EN JE KRIJGT EEN TWEEDE VAN DIE BOUWSTENEN / GUANINE."
-"IK BEHOOR TOT DE SCHOOL VAN DEZE DIE DENKEN DAT DE MATERIE OVER EIGENSCHAPPEN BESCHIKT DIE MAKEN DAT ER BIJNA PER DEFINITIE LEVEN MOEST VOORTVLOEIEN."
Dit is een greep uit de talrijke uitspraken van Jean-Marie Lehn over zeer diverse onderwerpen uit dit interview. ----------------------------------------------------------------------------------------------------- Hiermee wordt het onderwerp Biologie-5 afgesloten.
