Wie ist das mit den Gesetzen?
Warum wissen Atome oder Gene, wie sie aufgebaut werden müssen? Ist das irgendwie einprogrammiert, welche Baupläne entstehen müssen? Warum wissen sie das?
7 Antworten
Die Anordnung der einzelnen DNA-Bausteine zueinander ergibt sich aus den Anziehungskräften der Atome und aus ihren Wechselwirkungen miteinander. Es ist ein bisschen wie bei den Magneten. Zwei Magnete "wissen" nicht, dass sie einen Plus- und einen Minuspol haben. Trifft ein Magnet mit seinem Pluspol auf den Minuspol eines anderen, ziehen sie sich aber trotzdem automatisch an. "Schuld" daran sind die "simplen" Naturgesetze.
Noch heute bildet sich DNA spontan aus anorganischen Molekülen. Forscher haben an ozeanischen Hydrothermalquellen nachgewiesen, dass dort immer wieder DNA und RNA in recht großen Mengen spontan entstehen. Nicht zuletzt deshalb gelten Hydrothermalquellen heute als die heißesten Kandidaten, wenn es darum geht den Ort der Entstehung des Lebens zu identifizieren.
Diese Nukleinsäuren enthalten aber nicht zwangsläufig einen Bauplan. Ihre Sequenz ergibt keinen Sinn, weil es eine zufällige Sequenz ist. Damit die Sequenz einen Sinn bekommt, muss noch eine Zutat hinzu kommen: die natürliche Selektion.
Das erste Leben basierte sehr wahrscheinlich nicht auf DNA als Speicher für die Erbinformation, sondern auf der einzelsträngigen RNA. Man spricht heute in diesem Zusammenhang von der RNA-Welt. RNA hat gegenüber der DNA einen großen Vorteil. Sie kann sich nämlich selbst replizieren. DNA kann sich nicht selbst vervielfältigen. Sie benötigt dazu die Hilfe von Biokatalysatoren, nämlich die Hilfe der Enzyme. RNA aber kann selbst katalytisch wirken. Sie kann den gespeicherten Bauplan also nicht nur aufbewahren, sondern sogar selbst vervielfältigen. Noch heute wirkt RNA in allen lebenden Organismen auf diese Weise. Bestimmt weißt du, dass die DNA vor der Übersetzung (Translation) in die einzelnen Bausteine der Proteine zunächst in mRNA umgeschrieben (Transkription) werden muss. Damit ist es aber noch nicht genug. Das Ribosom, an dem die Proteine aufgebaut werden, ist zwar auch aus Proteinen aufgebaut, sein eigentliches aktives Zentrum besteht aber aus einer RNA - es ist ein Ribozym.
An dieser Stelle beginnt nun die Selektion einzusetzen. Bestimmte RNA-Sequenzen konnten sich erfolgreicher vervielfältigen als andere. Sie wurden häufiger und bekamen dadurch einen Sinn. Später passierte es, dass manche dieser RNAs sich zu so genannten Hyperzyklen vereinten: die eine RNA wurde zur Vorlage für die andere und umgekehrt. So wurde beispielsweise eine RNA 1 zum Bauplan für RNA 2. RNA 2 wiederum wurde zum Ribozym, das die RNA 1 synthetisieren konnte, weil es den Bauplan von RNA 1 enthielt. Diese wiederum wurde zum Ribozym für RNA 2. Solche Hyperzyklen konnten sich beliebig durch weitere RNAs erweitern, wodurch immer komplesere Hyperzyklen entstanden. Vor allem wurden aber die Möglichkeiten enorm erweitert.
Es ist wie mit der Entstehung der Sprachen. Am Anfang standen primitive Laute. Mehrere Laute setzten sich schließlich zu Worten zusammen. Mehrere Worte aneinandergereiht wurden zu einem Satz und schließlich entstanden eine komplexe Synthax und Grammatik. Mit jeder neuen Ebene wurden die Möglichkeiten der Sprache vielfältiger und komplexer. Mit den ursprünglichen Lauten hat die "fertige" Sprache schließlich gar nicht mehr viel gemein. Ein "a" ist heute ziemlich bedeutungslos. Ein "Auto" hingegen hat schon einen größeren Informationsgehalt. Und noch größer (und vielfältiger) wird es, wenn man Sätze bildet wie "Ein Auto steht auf dem Parkplatz." oder "Mein Auto wurde gestohlen."
Die Baupläne der Lebewesen entstanden also, weil sie im Wirken der natürlichen Selektion einen größeren Erfolg hatten. Was "sinnvoll" ist, kann sich erfolgreicher vervielfältigen.
Dass die RNA-Welt existiert hat, ist hinreichend bewiesen. Überreste dieser Welt finden wir wie gesagt heute noch in jeder einzelnen Zelle in Form der Ribozyme.
Wie das Leben genau auf der Erde entstanden ist, wissen wir tatsächlich noch nicht genau. Es gibt verschiedene Hypothesen. Die gegenwärtig am breitesten in der Wissenschaft unterstützte Hypothese ist die von der Entstehung des Lebens an hydrothermalen Quellen in den Urozeanen. Etwas ausführlicher habe ich diese Hypothese hier behandelt. Es gibt viele Indizien, die für diese Hypothese sprechen, ein endgültiger Beweis steht aber auch für diese bislang aus.
Alternative Hypothesen sind z. B. die Hypothese vom Oberflächenmetabolismus (manchmal auch Ur-Pizza-Hypothese genannt) und die Ursuppen-Hypothese. Letztere gilt heute aber als veraltet und auch über diese habe ich in der oben verlinkten Antwort etwas geschrieben.
Naturgesetze sind nicht wie menschliche Gesetze. Sie sind nicht aufgeschrieben, sie werden nicht unter Strafandrohung durchgesetzt. Sie sind das was möglich ist, alles andere ist nicht möglich. Darum müssen Teile der Natur nichts "wissen".
Das ist bei Atomen ganz anders als bei Genen.
Atome sind so aufgebaut, wie sie sind, weil die Naturgesetze es ihnen vorschreiben. Darum gibt es nur eine überschaubare Anzahl von Elementen und Isotopen. Es sind, soweit bekannt, 339. Andere sind nicht möglich. Und ein Atom eines bestimmten Typs, sagen wir zum Beispiel Kohlenstoff 12, ist von einem anderen Atom des gleichen Typs nicht zu unterscheiden.
Gene sind so aufgebaut, wie sie sind, weil sie Kopien von Genen sind, die ebenso aufgebaut waren. Die Naturgesetze, die das chemische Verhalten von DNA- und RNA-Molekülen bestimmen, sagen nur aus, wie einzelne Informationsbausteine, die Basen, sich zur Doppelhelix verketten können. Sie sagen nicht, welche Basen sich in welcher Abfolge verketten. Die Zeichen sind vorgegeben, aber nicht der Text. Nur weil das so ist, können mit diesem Verfahren überhaupt Informationen gespeichert werden. Darum können so viele verschiedene Gene und andere genetische Informationen existieren, und das in einer unüberschaubaren Vielfalt. Und weil das so ist, können beim Kopieren des Textes auch Fehler passieren, so daß die Information der Kopie von der des Originals abweicht. Würden Naturgesetze die Basensequenz festlegen, gäbe es keine Unterschiede und damit auch keine genetische Information.
Die 339 verschiedenen Elemente und Isotope, man sagt: Nuklide, sind die, die in der Natur vorkommen. Davon sind 252 stabil und 87 instabil, d.h.: sie zerfallen. Es können künstlich noch andere Typen von Atomen hergestellt werden, aber die sind alle instabil und zerfallen auch. Man kann daher sagen, daß die Naturgesetze die dauerhafte Existenz von nur 252 Atomtypen zulassen.
Die Anzahl der bekannten Gene allein des Menschen liegt heute bei 46831. Kein Organismus ist mit dem anderen, auch derselben Art, völlig identisch. Der Informationsgehalt der DNA aller Organimen der Erde wurde auf 5,3·10^31 Megabasen geschätzt. (Eine Base entspricht 2 Bit Information.)
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclide
Warum Atome so sind wie sie sind weiss keiner.
"Programmiert" ist da auch nichts und es gibt auch keine "Baupläne" oder "Gesetze" im Sinne von aufgestellten Regeln, sondern nur "Naturgesetze", die die Dinge BESCHREIBEN, aber nicht EINFORDERN.
Deine Fragestellung zeigt ganz klar, dass du noch nicht sehr viel mit Naturwissenschaft zu tun hattest. Du verwendest Begriffe in deiner Frage, die in dem Bereich, den die Frage betrifft, keinerlei Verwendung finden, weil sie das nicht korrekt beschreiben, was tatsächlich ist.
Was wir wissen:
Atomkonfigurationen (Moleküle) sind nicht beliebig. Bestimmte Atome verbinden sich mit anderen Atomen besser oder schlechter, je nach Umgebungsparametern (Hitze/Druck) und Verhältnismäßigkeiten.
Moleküle behalten bestimmte Eigenschaften ihrer kleineren "Teile", den Atomen, bekommen aber auch welche dazu. Wenn man es einfach herunterbricht bilden sich atomare und molekulare Strukturen (z.B. Gene) auf Grund von ...
1. geometrischen Eigenschaften
2. Ladungseigenschaften
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Ein Satz noch zu "Bauplänen", "Regeln" und "Gesetzen":
Diese Begriffe werden häufig in der Popularwissenschaft verwendet. Sie sollen den naturwissenschaftlichen Laieninteressierten Analogien zu seinen alltäglichen Vorstellungen liefern. Aber es sind einfach nur sprachliche Unterstützungen, um Naturwissenschaft einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.
Die Betrachtungsweise ist entgegen der Frage einfacher:
- Wir sehen Abläufe in der Natur.
- Wir können Voraussetzungen, Randbedingungen klären und erkennen ein regelmäßiges Auftreten.
- Wir formulieren ein Naturgesetz.
Also ist ein Naturgesetz die Zusammenfassung einer Beobachtung zu einer allgemeinen Regel. Durch neue Beobachtungen können diese Gesetze sogar ganz verworfen und neu formuliert werden – nur die Natur hat sich kein Bißchen dadurch verändert.
Und ansonsten gibt es für die Physiker die Grundkräfte der Physik als zurzeit richtig erkannte und grundlegende Basis für alles. Hieraus ergibt sich Schritt für Schritt alles weitere.
Atome: Die Elementarteilchen "versuchen" ihren Energiezustand zu minimieren. So lagern sich Protonen und Neutronen an, so können sie aufgrund der starken Kernkraft ihren Zustand optimieren. Dann hat der Kern aber ein offenes Potentialfeld um sich herum, so binden sich Elektronen an ihn. Elektronenorbitale und Kern ergeben einen energetisch günstigen Zustand. Das passiert blind, ohne "Wissen", es ist ein Mechanismus, der abläuft.
Gene: Es gibt selbstorganisierte Prozesse in der Natur. So entstehen bspw. die Wellen im Sand auf den Grund eines Bachlaufs. Weder das Wasser noch der Sand haben gewußt, wie das geht, aufgrund der (Strömungs-)Mechanik entstehen diese Riffel einfach. Und so haben sich in der "Ursuppe" Aminosäuren reproduziert, als selbstorganisierte Struktur. Aminosäuren mit so etwas wie Zellwände waren noch stabiler; Zellhaufen, besser als Einzelzellen; Organismen, besser als Zellhaufen usw. usf. Zellen, die aus Vorläuferzellen zunächst durch Zellteilung ohne DNA Strukturen übernehmen konnten, hatten einen besseren Bestand als andere. Wenn bestimmte Moleküle die Organisation der Zellstruktur unterstützen, kann die Struktur besser weiter gegeben werden. Wenn diese Moleküle besser strukturiert sind, überstehen sie Zellteilungen besser (RNA). Und dann kam irgendwann der Sex noch dazu und wir sind bei DNA.
Und nach einem Halbenjahrhundertlebenszeit staune ich darüber immer noch, dass wir am Ende dabei raus kamen! 😎
Wenn sich DNA bildet woher hat sie dann die ganzen Baupläne um sich weiterentwickeln zu können?
Selbst entstanden, wie oben motiviert. Bedenke, dass es Leben ohne RNA gibt, dass es Zellen ohne DNA sind, dass schon einfache Lebensformen eine DNA haben können. Das baut aufeinander auf.
Was meinst du mit "selbst entstanden"? Wie können sich diese einfach selbst organisieren? Ich verstehe das nicht so ganz.
Woher weiß eine Düne, das sie eine Düne ist? Auf einer flachen Sandfläche wird ein Korn weiter geweht und bleibt liegen. Ein weiteres Korn wird verweht und bleibt am ersten hängen usw. es entsteht ein minimaler Hügel. Vor dem Hügel stauen sich Sandkörner, hinter dem Hügel werden Sandkörner besser weg gehoben. Schließlich entsteht so eine ganze Reihe von wellenförmigen Dünen hintereinander. Keiner hat das dem Sand gesagt und es prägt, Sandstrände und Wüsten. Das ist selbstfokussiert.
Reihe ich mehrere solcher Prozess hintereinander, komme ich von der Ursuppe bis zur DNA. Keiner hat da was vorgeschrieben, einfach die Randbedingungen haben immer wieder ein Vorgehen begünstigt, so konnte es halt weitergehen.
Das ist alles.
Wo ist hier der Haken? Also man sagt ja dass die Entstehung des Lebens noch nicht bewiesen ist. Oder ist das jetzt eine Möglichkeit, wie es passiert sein hätte können?