Von der Trägheit zum Lebendigen

Beschreibung des Bildes: Materie verbindet sich zu einem Agglomerat, organisiert sich chemisch selbst und wird durch elektromagnetische Verbindungen immer komplexer. Es scheint, dass Leben eine besondere Form von Materie ist, die sowohl undefinierbar als auch unvorhersehbar ist. Ist seine Hartnäckigkeit nicht ein Beweis dafür, dass es überall im Universum präsent ist und geduldig auf eine günstige Umgebung wartet, um seinen Weg zur Komplexität fortzusetzen? Es gibt keine wirklich klare Grenze zwischen dem Inaktiven und dem Lebendigen, die Materie nutzt das Prinzip der geringsten Wirkung, um das Lebendige zu konstruieren. Das Bild wird zwischen den beiden Fragezeichen gelesen und verläuft von links unten nach rechts oben. Das Fragezeichen unten links stellt den Urknall dar, dann kommen Quarks, Nukleonen, Atome, Moleküle mit Aminosäuren, dann Proteine, Albumin, die Zelle, Archaebakterien und Bakterien, Mikroorganismen, Säugetiere, Bewusstsein und die Zukunft. Bildquelle:astronoo.com

Die gleichen Grundbausteine

Mit allen Objekten im Universum teilen wir dasgleiche Grundbausteine, die gleichen Teilchen, der gleiche Sternenstaub. Die Partikel, aus denen wir bestehen, sind zu Aminosäuren, Konglomeraten aus Atomen, Monomeren, Polymeren, Makromolekülen und Proteinen zusammengesetzt, die die Grundlage für die Zellfunktion lebender Organismen bilden.

Die Strukturen und Konformationen dieser Proteine ​​bestimmen ihre Funktionen. Gibt es nach unserem derzeitigen Wissensstand eine konzeptionelle Definition von Leben? Es scheint nicht, aber diese Frage ist grundlegend. Jeder hat den Eindruck, zu wissen, was Leben ist, aber niemand weiß wirklich, wie man darauf antwortet, weder Biologen noch Ärzte, noch Biochemiker, noch Physiker, noch Exobiologen und noch weniger Philosophen. Noch überraschender ist, dass ihnen diese Frage überhaupt nicht gefällt, denn hinter dem Begriff Leben steckt eine metaphysische Resonanz.

Es ist sehr schwierig, ein grundlegendes Konzept wie Leben, Zeit oder Materie zu definieren. Sprechen wir also über die Lebewesen, die wir auf der Erde beobachten. Was ist die aktuelle Definition von Lebewesen oder lebender Materie? Auch hier geben die Experten keine unanfechtbare begriffliche Definition ab, sondern führen eine Reihe von Eigenschaften auf, die Lebewesen definieren. Häufig enthalten diese Definitionen den Begriff „Leben“ und setzen daher die Idee oder Existenz von Leben voraus. Mit anderen Worten: Dies sind keine Definitionen des Lebens, sondern Metaphern des Lebens.

Beispiele für die Definition von Leben oder Wohnen:

• Leben ist die Existenzweise lebender Körper.
• Zu den Lebewesen zählen alle Organismen, die unseren Planeten bevölkern und mit Leben ausgestattet sind.
• Leben ist ein chemischer Prozess, aus dem lebende Organismen entstehen.
• Ein Organismus gilt als lebendig, wenn er Materie und Energie mit seiner Umwelt austauscht und dabei seine Autonomie behält, wenn er sich durch natürliche Selektion reproduziert und weiterentwickelt.
• Laut NASA ist ein lebendes System jedes System, das räumlich durch eine selbst hergestellte semipermeable Membran begrenzt ist und in der Lage ist, sich selbst zu erhalten und sich durch die Herstellung seiner eigenen Bestandteile aus Energie und/oder aus externen Elementen zu reproduzieren.

In diesen Definitionen verstehen wir, dass das Leben ein selbstorganisiertes System ist, ein mysteriöser Mechanismus, der mit der Materie verbunden ist. Dies zeigt jedoch, dass wir die genaue Natur des Lebens noch nicht kennen und wissen, wo die Trennung zwischen Lebendigem und Nicht-Lebendem liegt.

Welcher Mechanismus schafft die Voraussetzungen für den Beginn von Leben?

Im Vergleich zu unbelebten Objekten ist ein Lebewesen ein chemisches System, das aus dem, was es der Umwelt entzieht, selbst seine eigene Substanz bildet. Lebende Materie wird sich selbst mit der Energie versorgen, die sie zur Selbstreplikation benötigt, darin liegt das Geheimnis.

Das Lebendige und das Nichtlebende bestehen aus derselben Materie, die Sterne, Galaxien, Nebel und Planeten erschaffen hat. Auf der Erde fand der Übergang von unbelebter Materie zu Leben wahrscheinlich vor etwa 4 Milliarden Jahren im Wasser statt, als sich die ersten organischen Moleküle vermehrten. Weniger als eine Milliarde Jahre nach der Entstehung der Erde entstand schnell protobakterielles Leben. Ein Protobakterium befindet sich bereits in einem fortgeschrittenen Lebensstadium, da in diesem sehr einfachen Organismus alle Funktionen eine enorme Komplexität aufweisen, insbesondere die Replikation.

Die Beobachtung des Lebens auf der Erde zeigt uns die Fähigkeit der Materie, die Leiter der Komplexität schrittweise zu erklimmen. Aber wo ist der Bruchpunkt zwischen dem Lebendigen und dem Nichtlebenden? Mit anderen Worten: Welcher Aufbau von Molekülen ermöglicht die Entstehung von Leben?

Kohlenstoff wird durch Nukleosynthese (Fusion von drei Heliumkernen) im Herzen massereicher Sterne erzeugt und dann bei der Explosion in den Weltraum freigesetzt. Unsere Chemie begann mit einem kleinen molekularen Gebäude, das auf einem Gerüst aus Kohlenstoffatomen, Aminosäuren, aufgebaut war.

Wissenschaftler versuchen vergeblich, Leben auf der Grundlage von Kohlenstoffmolekülen zu erschaffen, insbesondere 12C, das eine biologische Signatur darstellt. Die andere erforschte Stimme ist die molekulare Archäologie, deren Ziel darin besteht, versteinerte Urmoleküle zu finden, aber die ältesten Lebensspuren (versteinerte Bakterien) verschwinden vor etwa 3,5 Milliarden Jahren. In den ältesten Sedimenten haben Archäobiologen mit 12C angereicherte organische Moleküle gefunden, die etwa 3,8 Milliarden Jahre alt sind.

Das Leben verbirgt seine Geheimnisse vor uns, daher wenden sich Wissenschaftler dem Weltraum und dem Planeten Mars zu, in der Hoffnung, anderswo Leben zu finden. Ein möglichst einfaches versteinertes lebendes System zu finden, ist bereits eine gigantische Herausforderung.

Lebewesen tragen reproduzierbare Informationen!

Wenn wir das Problem anhand der Urbausteine ​​der gewöhnlichen Materie betrachten, sehen wir, dass sich die ursprüngliche Materie, Quarks, Nukleonen und Atome mit der Temperatur bewegen (die Wärme übersetzt direkt die Bewegung der Teilchen).

Beim absoluten Nullpunkt (−273,15 °C) befindet sich Materie in einem Zustand minimaler Energie, ihre Entropie ist Null und dies führt zu einer „völligen Unbeweglichkeit der Teilchen“, obwohl Teilchen in der Quantenphysik gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation immer einen Impuls ungleich Null haben.

Sobald der absolute Nullpunkt überschritten wird, bewegen sich die Teilchen, organisieren sich und fügen sich zu reinen Atomen (d. h. einer einzigen chemischen Spezies, H, N, Fe...) und dann zu einfachen molekularen Körpern (H2, N2, Fe...) zusammen, bevor sie sich zufällig mit anderen Spezies vermischen, um einfache elektrisch neutrale Moleküle zu bilden, Atomaggregate mit bestimmten Formen, bei denen es sich um gemeinsame Elektronen (kovalente Bindungen) handelt.

Bis dahin ist die Aktivität der Materie relativ gut verstanden und in diesem Stadium können wir Materie nicht als lebendig betrachten, sie setzt sich einfach dank der elektromagnetischen Kraft entsprechend den Wanderungen in der Umwelt zusammen.

Materie hat kein Design, keine Intelligenz, keine Absicht oder kein bestimmtes Projekt. Es kann leicht von der Umwelt und auch vom Menschen manipuliert werden, wenn er Nanopartikel herstellt. Molekulare Aggregate bilden unter dem Einfluss thermischer Bewegung und zufälliger Atomsprünge von einer Position zur benachbarten Position vielfältige und stabile chemische Verbindungen.

Je mehr Atome durch das Medium transportiert werden, desto geordneter wird die zufällige Bewegung von Atomen und Molekülen. Es ist „Ordnung aus Unordnung“, wie Erwin Schrödinger (1887 – 1961) in seinem Aufsatz von 1944 sagte.

Unter all diesen natürlich stabilen Molekülen gibt es feste Moleküle mit kristallinen Strukturen (die sich nicht wiederholen) und ungeordnete Moleküle. Aus einer sehr kleinen Anzahl von Atomen ergeben sich nahezu unendlich viele Möglichkeiten zum Zusammenbau. Jede Begegnung zweier Atome hängt von ihrer Elektronegativität ab, also von ihrer gegenseitigen Fähigkeit, eine elektromagnetische Bindung einzugehen.

Chemische Verbindungen sind Moleküle aus mehreren verschiedenen chemischen Elementen, die durch chemische Bindungen miteinander verbunden sind. Von Zeit zu Zeit organisieren sich chemische Verbindungen zufällig zu kovalenten chemischen Bindungen.

Es gibt drei Arten von Anordnungen zwischen Atomen:

• Ionenbindungen: Hierbei handelt es sich um Bindungen, die aus dem Verlust eines oder mehrerer Valenzelektronen (Elektronen der an chemischen Bindungen beteiligten peripheren Schicht) durch ein Atom und dem Einfangen dieser Elektronen durch ein anderes Atom resultieren. Diese Art von Bindung wird im Allgemeinen zwischen Elementen mit einem sehr hohen Elektronegativitätsunterschied ≥ 1,7 auf der Pauling-Skala (zwischen Fluor = 4 und Francium = 0,7) hergestellt.
• Kovalente Bindungen: Verbundene Atome teilen sich jeweils ein Valenzelektron, um ein Elektronenpaar zu erzeugen, das von zwei Einheiten gemeinsam genutzt wird. In dieser Art von Bindung verknüpfte Elemente haben einen Elektronegativitätsunterschied von Null oder < 1,7 auf der Pauling-Skala.
• Kovalente Koordinationsbindungen: Hierbei handelt es sich um kovalente Bindungen zwischen zwei Atomen, bei denen die beiden in der Bindung gemeinsamen Elektronen vom selben Atom stammen.

Zusammenfassend

Es scheint, dass die Aktivität der Materie ihre Natur verändert, wenn bestimmte chemische Verbindungen auf einem Skelett aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind, die zu gigantischen Molekülgebäuden gewunden sind.

Der Aufbau und die Form dieser Strukturen bestimmen die chemischen Funktionen, die Teil eines Herstellungsplans sein werden (die sparsamste und einfachste Art der Selbstreplikation). Dieser Fertigungsplan enthält alle Informationen, die eine Rekonstruktion des Systems ermöglichen.

Von diesem Moment an beginnt das Leben und das System gilt als lebendig.

Hermann von Helmholtz (1821 − 1894) „Wenn alle unsere Bemühungen, die Geburt von Organismen aus lebloser Materie herbeizuführen, scheitern, dann halte ich es für völlig richtig, wenn wir uns fragen, ob das Leben jemals einen Ursprung hatte, ob es nicht genauso alt ist wie die Materie, und ob seine Keime, von einem Himmelskörper zum anderen transportiert, sich nicht dort entwickelt hätten, wo sie günstigen Boden fanden?“

Hinweis: Die Elektronegativität eines Elements ist eine Größe, die seine Fähigkeit charakterisiert, bei der Bildung einer chemischen Bindung mit einem anderen Element Elektronen anzuziehen.