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wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Sa 20 Okt 2018, 01:53

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17.10.18  

Neue Beobachtungen zu Gletscherseeausbrüchen
Am Catalina-See in Ostgrönland, einem durch einen Eisdamm aufgestauten Gletschersee, sind für die Periode zwischen 1966 und 2016 vier Seeausbrüche festgestellt worden. Diese Flutereignisse gehören zu den größten ihrer Art seit 1811, seitdem wissenschaftlich-historische Aufzeichnungen vorliegen. Sie sind aber im Vergleich zu den Megafluten am Ende der Eiszeit um Größenordnungen kleiner.
Der Catalina-See befindet sich auf der ostgrönländischen Halbinsel Renland, die von einem eisbedeckten, teilweise über 2 km hohen und steilabfallenden Hochplateau dominiert wird. Ein Teil des Eises der Eisdecke wird hauptsächlich über den etwa 40 km langen Edward-Bailey-Gletscher bis nahe zum Scoresbysund-Fjord im Südosten transportiert. In einem Seitental bzw. Seitenarm des Gletschers liegt der etwa 10 km lange und 2 km breite Catalina-Gletschersee.
Die Beobachtungen von Grinsted et al. (2017) basieren auf Auswertungen von Sattelitenaufnahmen und -vermessungen. Demnach fanden zwischen 1966 und 2016 vier Ausbruchsereignisse statt: zwischen 1966 und 1972, im Winter 1988/89, im Winter 2003/04 und im Winter 2011/2012. Dabei sei der See bis zu einer maximalen Schwellenhöhe von 734 m ü. d. M. angestiegen und schließlich bis zu einer Minimalhöhe von 591 m ü. d. M. entwässert (drainiert). Bei jedem Flutereignis wurde eine Wassermasse zwischen 2,6 und 3,3 Gt rasch freigegeben. Dies entspricht annähernd dem Rückhaltevermögen des Oroville-Stausees in Kalifornien von 4 km3; 2017 waren dort wegen eines drohenden Dammbruchs 200.000 Einwohner evakuiert worden (s. Kotulla 2017).
Für die Gletscherseeausbrüche schlagen Grinsted et al. (2017) folgenden Mechanismus vor (siehe Video): 1. Der Schmelzwassereintrag in den Eisdamm-aufgestauten See lässt den Wasserspiegel ansteigen. 2. Bei Erreichen einer Schwellenhöhe wird der Gletscherdamm angehoben (gefloatet). 3. Das Seewasser dringt unterhalb des Gletschers ein und beginnt den Gletscher von unten her zu schmelzen. 4. Dabei muss es eine Schwelle überwinden (aufwärts strömen), bevor es nach 6 km unter dem Edward-Bailey-Gletscher weiterfließen kann. 5. An der Gletscherfront tritt das Seewasser schließlich aus und strömt über die dem Gletscher vorgelagerten Sanderfläche (Schmelzwasserebene) in den Scoresbysund-Fjord.
Für die Flutereignisse ermitteln die Autoren eine freigesetzte potentielle Energie von bis zu 1016 Joule (Basis: Seespiegel 591-734 m ü. d. M.), die es erlauben würde, eine zusätzliche Wassermasse von 0,04 Gt zu schmelzen. Dies entspräche einem subglazialen Tunnel von 20 km Länge mit einem Durchmesser von 55 m. Die Schlagartigkeit und Dauer eines Ausbruchsereignisses lässt sich allerdings aus den bisherigen Beobachtungen nicht genau bestimmen. Es wird eine maximale Abflussrate von 104 m3/s vorgeschlagen; aufgrund der 4-monatigen Beobachtungslücke wird für das Winter-2003/04-Ereignis eine minimale Abflussrate von 200 m3/s veranschlagt. In der Online-Mitteilung des Niels-Bohr-Instituts werden die Ausbruchsereignisse als „gigantisch“ bezeichnet.
Die hier angenommene maximale Abflussrate ist vergleichbar mit kleineren isländischen Gletscherläufen (isl.: jökulhlaup) mit Raten von 103 bis 104 m3/s. Sie ist aber um Größenordnungen niedriger als eine Megaflut mit Raten von ≥ 106 m3/s (vgl. Baker 2013). Bei der späteiszeitlichen Lake-Missoula-Flut wird angenommen, dass ein Eisdamm von 600-700 m Höhe plötzlich brach, die aufgestaute Wassermenge von 2260 km3 schlagartig ausbrach und der See binnen zwei Tage geleert war (Kotulla 2014).
Video (1:48) „Periodische Ausbrüche aus dem Catalina-See, Ostgrönland” (Grafiken in Englisch): https://www.youtube.com/watch?v=xDH5GWWTsV0
Literatur
Baker VR (2013) Global late Quaternary fluvial paleohydrology: With Special Emphasis on paleofloods and megafloods. In: Shroder JF (ed.) Treatise on Geomorphology, vol. 9, 511-527.
Grinsted A, Hvidberg CS, Campos N & Dahl-Jensen D (2017) Periodic outburst floods from an ice-dammed lake in East Greenland. Scientific Reports 7, DOI:10.1038/s41598-017-07960-9. https://www.nature.com/articles/s41598-017-07960-9 [open]. Siehe auch Artikel des Niels-Bohr-Instituts der Universität von Kopenhagen: http://www.nbi.ku.dk/english/news/news17/satellite-photos-reveal-gigantic-outburst-floods/.
Kotulla M (2014) Megafluten. Studium Integrale Journal 21, 4-11. www.wort-und-wissen.de/sij/sij211/sij211-1.html
Kotulla M (2017) Neuer Canyon am Oroville-Staudamm – Ausgebrochener Wasserstrom verursacht schnelle Erosion. Studium Integrale Journal 24, 45-48. www.wort-und-wissen.de/sij/sij241/sij_24-46-49.pdf
Gastbeitrag von Michael Kotulla


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Mo 05 Nov 2018, 19:53

Meine Damen und Herrn, Wohlbefinden euch!
Diesmal keine Meldung von Genesisnet, sondern eine Buchempfehlung von Bild der Wissenschaft. Wie es scheint, sind sie dort offen für kreationäre Gedanken
Schaut euch das Angebot an, ob das Buch etwas für euch ist. Selber muss ich noch warten mit einer Bestellung, denn der Oktober war teuer, so dass eisern gespart wird. Zu einem späteren Zeitpunkt kann ich auf das Angebot zurückkommen.
Aber vielleicht könnt ihr euch den Band leisten.


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Di 27 Nov 2018, 01:08

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24.11.18  
Ursuppe richtig gemischt? Große Sicherheit bei unklarer Faktenlage

Für eine glaubwürdige Hypothese zum Ursprung des Lebens bedarf es eines realistischen Modells für die geochemischen Randbedingungen. Vor kurzem wurde in einer Publikation der Zeitschrift Astrobiology von Computersimulationen zu einem Szenario berichtet, in welchem Schwefeldioxid eine wichtige Rolle spielt. Die Untersuchungen wurden durchgeführt, um die Plausibilität eines früher beschriebenen Modells des Lebensursprungs (Patel et al. 2015) zu verbessern. Die Ergebnisse wurden kurz darauf auf der Internetseite wissenschaft.de kommentiert. Es zeigt sich einmal mehr, dass zwischen den tatsächlichen Inhalten wissenschaftlicher Artikel und der populärwissenschaftlichen Berichterstattung eine erhebliche Diskrepanz vorliegt: Den Lesern werden die Schwierigkeiten und spekulativen Annahmen von Modellen zum Ursprung des Lebens regelmäßig verschwiegen.
Die Bezugnahme auf übernatürliche Kräfte in wissenschaftlichen Artikeln ist eher unüblich.  In populärwissenschaftlichen Berichten verhält es sich jedoch manchmal anders, insbesondere dann, wenn es um die Frage nach dem Ursprung des Lebens geht.  Vor einigen Monaten wurde auf der Internetseite wissenschaft.de in dem Text „Brodelnde Ursuppe“ (Burczyk  2018) kurz darüber berichtet, dass wichtige Hinweise auf die Chemie des Lebensursprungs erhalten wurden. Dabei war die Rede von „höllischen Verhältnissen“, die den Eindruck erwecken, dass „hier der Teufel kocht“.
So dramatisch wie der Einstieg in den kurzen Text war allerdings der wissenschaftliche Befund, von dem berichtet wurde, bei weitem nicht. Es handelte sich lediglich um Resultate relativ trockener Computersimulationen zu möglichen geochemischen Bedingungen, die zur Zeit der ersten Lebensformen auf der Erde geherrscht haben sollen (Ranjan et al. 2018). In dem Fachartikel wurde anhand von rein theoretischen Berechnungen die Hypothese aufgestellt, dass dem Gas Schwefeldioxid eine wichtige Rolle bei der Entstehung der chemischen Systeme des Lebens zukomme. Das Ziel der Arbeit war eine Verbesserung der Plausibilität des Lebensursprungs-Modells von Patel et al. (2015). Dass dieses Modell auf falschen Voraussetzungen gegründet ist und folglich irreführende Schlussfolgerungen gezogen wurden, hat Herkert (2015) treffend analysiert. Unter anderem  wurde von Patel ohne stichhaltige Begründung angenommen, dass das Hydrogensulfidion (HS-) eine wesentliche Rolle in den ersten chemischen Netzwerken, aus denen drei der wichtigsten Bausteine des Lebens (Nukleotide, Lipide und Aminosäuren) hervorgegangen sein sollen, gespielt habe. Nun ging auch aus den Berechnungen von Ranjan et al. hervor, dass die Anreicherung urzeitlicher Gewässer mit Hydrogensulfid-Salzen nicht ausreichend gewesen sein dürfte, weswegen SO2 als alternative Schwefel-Quelle angenommen wurde.
Die Berechnungen von Ranjan et al. sind dabei alles andere als trivial und betreffen chemische Gleichgewichte und Zusammensetzungen der Atmosphäre und der Gewässer. Dabei ist eine Vielzahl an Parametern wie UV-Strahlung, pH-Wert, chemische Reaktionen, Temperatur, Löslichkeit in Wasser, Vorkommen bestimmter Mineralien etc. zu berücksichtigen. Selbst heute dürfte eine genaue Erklärung und Vorhersage der Dynamik von Atmosphäre und Geosphäre eine fortwährende Herausforderung für viele Expertenteams sein – wie viel mehr gilt das für Zustände, die lange vor unserer Zeit liegen und deren genaue Bedingungen unbekannt sind. Daher konnten die Autoren um Ranjan es nicht vermeiden, für ihre Berechnungen starke Vereinfachungen anzunehmen. So gehen sie z. B. davon aus, dass das Gewässer, in dem die chemischen Bestandteile  des Lebens entstehen, absolut homogen ist – eine unrealistische, aber für das erhoffte Ergebnis nötige Voraussetzung. Es wurden noch weitere gewagte Annahmen gemacht, z. B. ein hoher atmosphärischer CO2- Gehalt von 0,9% (heute: 0,04%), damit die Berechnung am Ende zum gewünschten Ergebnis führt, worauf hier nicht detailliert eingegangen werden soll. Jedoch kann festgehalten werden, dass die Schlussfolgerungen des Artikels keineswegs zuverlässig sind.
Die Autorin des Berichts auf wissenschaft.de erwähnt solche solche „Details“ allerdings mit keinem Wort. Sie beschreibt die Schlussfolgerungen von Ranjan et al., als gäbe es keinen Grund, sie zu hinterfragen. Dabei wird das gängige erdgeschichtliche Narrativ erneut, wie so oft in vergleichbaren Artikeln, mantraartig wiederholt: Zu Beginn enthielt die Atmosphäre keinen Sauerstoff, es gab eine intensive Aktivität der Vulkane, die eine große Vielfalt an chemischen Verbindungen ausspien. Die Moleküle bildeten anschließend lebenswichtige Bausteine usw. Dass dieser hypothetische Verlauf auf vielen unbegründeten Annahmen und Spekulationen beruht, kommt dabei nicht zur Sprache.
Der Artikel von Ranjan et al. ist ein weiteres gutes Beispiel dafür, wie erwünschte Ergebnisse mithilfe passender Annahmen erzeugt werden
Die spekulative Natur der Arbeit von Ranjan et al. hätte in dem Bericht auf wissenschaft.de im Sinne einer objektiven und der Wahrheitssuche dienenden Berichterstattung zumindest erwähnt werden müssen. So aber bestätigt sich ein weiteres Mal die erhebliche Kluft zwischen tatsächlichen Befunden der Lebensursprungsforschung und ihrer unrealistisch optimistischen Wiedergabe in populärwissenschaftlichen Artikeln.
Literatur
Burczyk J (2018) Brodelnde Ursuppe. https://www.wissenschaft.de/bildervideos/bild-der-woche/brodelnde-ursuppe/, abgerufen am 11. 10. 2018.
Herkert J (2015) Herkunft von RNA, Proteinen und Fettsäuren aufgeklärt? Studium Integrale Journal 22, 114-116. (www.wort-und-wissen.de/sij/sij222/sij222-10.html)
Patel et al. (2015) Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism. Nat. Chem. 7, 301-307.
Ranjan S et al. (2018) Sulfidic anion concentrations on early earth for surficial origins-of-life chemistry. Astrobiology 18, 1023-1040.


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Do 13 Dez 2018, 23:04

Sondervorstellung: Religionen, Wissenschaft und ihre Parallelen


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Di 15 Jan 2019, 08:15

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07.01.19  Schritte zum Leben ohne Enzyme?
Als Erklärungsansatz für eine natürliche Entstehung des Lebens wird derzeit die sogenannte RNA-Welt-Theorie favorisiert. Aufgrund ihrer Defizite wird aber auch ein prinzipiell anderer Ansatz untersucht: die „Stoffwechsel-zuerst“-Theorie. Demnach sollen nicht RNA-Moleküle, sondern   Reaktionsnetzwerke oder -zyklen (Stoffwechsel) aus kleinen organischen Molekülen zuerst entstanden sein. Die Forschungsgruppe um Joseph Moran veröffentlichte kürzlich zwei Artikel, in denen Prozesse, die im Zusammenhang mit der Kohlenstofffixierung stehen, als mögliches Modell für einen urtümlichen Stoffwechselweg vorgeschlagen werden. Die Autoren behaupten in ihren Ausführungen, wichtige Hinweise auf geochemisch plausible Vorgänge erhalten zu haben, die am Anfang des organismischen Lebens, wie wir es kennen, gestanden haben könnten. Hält das Modell einer kritischen Untersuchung stand?
Alle bekannten Lebensformen beruhen auf hochgradig komplexen und vernetzten biochemischen Vorgängen. Der reibungslose Ablauf dieser Vorgänge ist allerdings nur unter Beteiligung hochspezifischer und anspruchsvoll gebauter Proteine (Enzyme) möglich, die wiederum ihrerseits anhand der Information des Erbguts zusammengebaut werden. Zusammen mit weiteren unverzichtbaren molekularen Bausteinen (Cofaktoren, Fette, Zucker) erscheint die minimal erforderliche Komplexität von Organismen außerordentlich groß. Die unmittelbare Entstehung einer Urzelle („LUCA“, last universal common ancestor) durch natürliche Vorgänge erscheint daher keinem Wissenschaftler als plausibel. Folglich wird im Rahmen von evolutionstheoretischen Modellen angenommen, dass schrittweise chemische Vorgänge zunächst die unverzichtbaren molekularen Bausteine des Lebens hervorgebracht haben sollen, welche sich dann zu den aktuell bekannten biochemischen Funktionseinheiten und schließlich zu Organismen organisiert haben sollen. Hierbei haben sich im Wesentlichen zwei gegensätzliche Herangehensweisen zur Erklärung des Lebensursprungs herausgebildet: die „RNA-Welt“-Theorie1 und die „Stoffwechsel-zuerst“-Theorie.2
Auch wenn die Mehrheit der Lebensursprungsforscher die „RNA-Welt“ als Modell für den Anfang des Lebens bevorzugt, motivieren dessen mannigfaltige Erklärungsdefizite (Schmidtgall 2013), z. B. die ausgeprägte Labilität der RNA-Bausteine, zur Untersuchung der alternativen Idee, die allerdings auch zahlreiche schwerwiegende Schwächen aufweist. Die kritische Frage für „Stoffwechsel-zuerst“-Theorien stellt sich in Bezug auf katalytisch wirksame Proteine: Wie können Stoffwechselvorgänge am Anfang des Lebens gestanden haben, wenn alle derzeit bekannten vergleichbaren Vorgänge auf hochkomplexe Enzyme (katalytische Proteine) angewiesen sind? Ausgehend von dieser Fragestellung werden daher so genannte „enzymfreie“ Stoffwechselvorgänge untersucht, die als mögliche Modelle für einen Ursprung des Lebens ohne komplexe Proteine dienen sollen.
Aktuell befasst sich die Forschungsgruppe um Joseph Moran an der Universität Strasbourg (Frankreich) mit Experimenten, die wichtige experimentelle Daten für das Stoffwechsel-zuerst-Modell liefern sollen. Der Konzeption ihrer experimentellen Arbeit liegt die Annahme zugrunde, dass aktuell bekannte zentrale Stoffwechselvorgänge den erdgeschichtlich frühen Vorläufern sehr ähnlich oder gar mit ihnen identisch sind. Die Auffassung, dass die Chemie der urtümlichen Stoffwechselnetzwerke von derjenigen heutiger Organismen wesentlich verschieden war und sich erst später zur heutigen entwickelte, lehnt Morans Gruppe ab: „Obwohl diese Herangehensweise wichtig ist, schafft sie unvermeidlich eine tiefe Kluft zwischen der angeführten präbiotischen Chemie und der Biochemie heutiger Organismen, die sie eigentlich zu erklären sucht“ (Muchowska et al. 2017).
Als Untersuchungsgegenstand wählte die Gruppe um Moran Vorgänge, die mit der Kohlenstofffixierung im Zusammenhang stehen. Dabei handelt es sich um molekulare Prozesse, bei denen Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre aufgenommen wird, damit daraus Stoffe gebildet werden, aus denen Gewebe aufgebaut werden kann, wie es auch heute in Pflanzen und einigen Mikroorganismen geschieht. Die dabei gebildeten chemischen Verbindungen sind energiereich und dienen deshalb vielen anderen Organismen als Nahrungsquelle. Die Kohlenstofffixierung kann daher als Basis des heute existierenden Lebens aufgefasst werden und gilt deshalb auch als guter Kandidat für den chemischen Vorgang, der den Anfang für organismisches Leben, wie wir es heute kennen, gelegt haben könnte.
Da davon ausgegangen wird, dass die Atmosphäre zu Beginn der Erdgeschichte frei von Sauerstoff war, werden CO2-Fixierungsvorgänge in anaerob (ohne Sauerstoff) lebenden Mikroorganismen als mögliche „Wiege des Lebens“ betrachtet. Als besonders gut geeignete Kandidaten gelten hierbei der reverse Citratzyklus (rCZ) und der Wood-Ljungdahl-Weg (auch reduktiver Acetyl-CoA-Weg). Diese beiden physiologischen Vorgänge werden von anaerob lebenden Bakterien zur Synthese des chemischen Grundbausteins Acetat aus CO2 genutzt. In beiden Fällen handelt es sich um Stoffwechselwege, die nur in Abwesenheit von Sauerstoff ablaufen, da einige der beteiligten Enzyme sehr empfindlich gegenüber Oxidation durch Sauerstoff sind. Da alle beteiligten Enzyme bei weitem zu komplex für ein plausibles präbiotisches Szenario sind, wurden in der Gruppe um Moran Versuche unternommen, hypothetische enzymfreie Versionen des rCZ (zumindest teilweise) aufzubauen (Abb. 404). Der rCZ ist zudem von besonderer Relevanz, weil er autokatalytisch ist, d. h. dass in diesem Zyklus ein molekularer Baustein seine eigene Vermehrung katalysiert – in Analogie zu Organismen, die sich unter Aufnahme von Materie und Energie vermehren.
Befunde der Arbeit
In einer ersten Publikation zu diesem Thema (Muchowska et al. 2017) behaupten die Autoren, dass es ihnen gelungen sei, einen großen Teil des reversen Citratzyklus ohne Enzyme aufzubauen. Sie geben dabei an, sechs der elf Reaktionen, aus denen der reverse Citratzyklus aufgebaut ist, ohne Beteiligung von Enzymen und in Gegenwart weniger verschiedener Metallionen realisiert zu haben. Die Reaktionen konnten bei hohen Temperaturen (140 °C) und in stark saurem Milieu (pH = 0-1) durchgeführt werden. Die Autoren um Moran folgern, dass dieser Befund die Plausibilität eines enzymfreien rCZ-Wegs als präbiotischem Vorgang stützt und sind überzeugt, dass diese Ergebnisse Anlass zu der Hoffnung gäben, dass es – im Sinne einer zukunftsweisenden Perspektive – gelingen könnte, ein präbiotisches Reaktionsnetzwerk ohne Beteiligung von Enzymen zu charakterisieren, welches den AcCoA-Weg und den rCZ-Weg beinhaltet.
In einer weiteren Arbeit befasste sich die Gruppe um Moran (Varma et al. 2018) mit dem Aufbau essentieller C2 und C3-Bausteine (Acetat und Pyruvat, Abb. 404) aus CO2 an der Oberfläche von Partikeln verschiedener Metalle in elementarer Form (Fe0, Ni0, Co0). Dabei wurden Versuche unternommen, Bedingungen zu finden, die mit denjenigen der zuvor beschriebenen Arbeit zum enzymfreien rCZ kompatibel wären. Auf diese Weise sollte ein vollständiges Modell für die Entstehung eines urtümlichen biochemischen Vorgangs aufgestellt werden. Die Reaktionen der Versuchsreihe wurden in den meisten Fällen bei einem hohen Druck von 35 bar3 CO2 (ohne andere Gase) und einer Temperatur von 140°C in wässriger Lösung geführt. Bei den Versuchen konnte tatsächlich die Bildung von Acetat und Pyruvat an der Oberfläche der elementaren Metalle nachgewiesen werden. Diesen Befund werteten die Autoren als sicheren Hinweis dafür, dass es „auffällige Parallelen zwischen einer plausiblen präbiotischen Chemie und frühen chemischen Prozessen der Kohlenstofffixierung, die von primitiven, autotrophen Organismen genutzt wurden“ gäbe. Dies stütze die Hypothese, so die Autoren, dass die Geochemie eine wichtige Rolle in der Entstehung des Lebens gespielt habe.
Kritik
Auch wenn die angesprochenen Experimente der Gruppe um Moran wohl durchdacht und elegant sind, können die zugrundegelegten Bedingungen in keiner Weise als präbiotisch bezeichnet werden. Wie in der Laboratoriumschemie üblich, wurden ausschließlich gereinigte Chemikalien verwendet (z. B. Metalle mit über 99% Reinheit, hochreines Wasser). Für die Experimente zum Aufbau präbiotischer Zyklen wurden chemische Verbindungen am Anfang in fertiger Form vorgelegt. Eine der Verbindungen (Oxalosuccinat) war so empfindlich, dass sie durch aufwändige chemische Synthese kurz vor dem Versuch hergestellt werden musste, da sie sich auch bei schonender Lagerung schnell zersetzte. In einigen Fällen wurden den Reaktionen bestimmte Verbindungen portionsweise zugesetzt. Auch die Behauptung, dass die Reaktionsbedingungen, die im Reaktor eingestellt wurden, mit heißen Untersee-Quellen („Schwarze Raucher“) vergleichbar wären, ist nicht gerechtfertigt, da keine unterseeischen Quellen bekannt sind, in deren Umgebung ein pH-Wert von ca. 0-1 gegeben ist. Zudem sind solche Quellen angefüllt mit einem Reichtum an verschiedenen Mineralien, unter denen sicherlich auch solche vorliegen, die die Bildung chemischer Reaktionsnetzwerke stören würden. Dagegen wurden von Morans Gruppe nur Versuche mit einer oder zwei Ionensorten durchgeführt. Interessanterweise wurde auch festgestellt, dass die Reaktionsketten in Gegenwart von Molybdän-Ionen überhaupt nicht ablaufen. Es wäre sicherlich auch interessant zu sehen, wie die Reaktionen bei Vorhandensein verschiedener Kombinationen von drei oder vier oder auch einer größeren Anzahl an Metallionen verlaufen wären. Doch ist kein solcher Versuch protokolliert worden. Die Vermutung, dass unter solchen Bedingungen, die der Realität deutlich näher wären, nicht das aus Sicht der Autoren gewünschte Ergebnis eingetreten wäre, liegt nahe.
Bei den Reaktionen von CO2 im Druckreaktor mit verschiedenen Metallen konnten zwar mit Acetat und Pyruvat biologisch wichtige Verbindungen nachgewiesen werden, allerdings erst, nachdem die Metalloberfläche mit hochkonzentrierter, wässriger Natriumhydroxid-Lösung (7.5 M!) behandelt wurde. Bei Verzicht auf diesen Schritt hafteten die chemischen Verbindungen (Pyruvat, Acetat) weiterhin an der Metalloberfläche und konnten nicht nachgewiesen werden. Es bedarf keiner näheren Erläuterung, dass derart hohe Konzentrationen an Natriumhydroxid keinerlei Bezug zu einem realistischen Szenario für die Entstehung der ersten Lebewesen haben.
Angesichts der unrealistischen Versuchsbedingungen ist die durchweg optimistische Interpretation der Befunde durch die Autoren kaum nachvollziehbar. Zunächst einmal ist zu konstatieren, dass überhaupt kein Stoffwechselzyklus beobachtet worden ist. Es wurden lediglich zwei getrennte Reaktionsabfolgen zu je drei Reaktionsschritten konstruiert (Schritte 2-4 und 7-9, Abb. 404). Zudem handelte es sich bei den Reaktionsschritten um relativ leicht zu realisierende chemische Reaktionen: Dehydratisierung, Reduktion einer C-C-Doppelbindung bzw. einer Keto-Gruppe. Hierbei handelt es sich um Reaktionen, die nicht notwendigerweise einer Enzym-Katalyse bedürfen, weswegen sie möglicherweise als vielversprechender Forschungsgegenstand für enzymfreie „präbiotische“ Stoffwechselwege ausgesucht worden sind. Dagegen wurden die anspruchsvollen Reaktionen wie die reduktiven Carboxylierungen (Schritte 6 und 10, Abb. 404) oder die Lyase-Reaktion (Schritt 1, Abb. 404) in den Artikeln kaum thematisiert. Es ist nicht schwer zu verstehen, weshalb über präbiotische Analoga solcher Reaktionen auch in den Publikationen der Gruppe um Moran keine Information zu entnehmen ist: Es handelt sich um sehr anspruchsvolle Reaktionen, die über labile Thioester-Intermediate und unter ATP4-Verbrauch verlaufen. Solche Reaktionen können unter wässrigen Bedingungen nicht realisiert werden, es sei denn in Gegenwart hochkomplexer Enzyme, da Thioester sich im wässrigen Medium rasch zersetzen (Hydrolyse). Enzyme hingegen können in speziellen hydrophoben Kavitäten unter Wasserausschluss solche Vorgänge verwirklichen.
Ein weiterer kritischer Punkt, der bereits von Orgel (2008) diskutiert worden ist, wurde von der Gruppe um Moran nicht genügend gewürdigt: Der rCZ-Zyklus setzt sich aus Komponenten zusammen, die hinsichtlich Struktur und Reaktivität sehr ähnlich sind. Daher ist zu erwarten, dass in es Abwesenheit von Enzymen zu einer Vielzahl an unerwünschten Reaktionen und schließlich zum Erliegen des Reaktionsnetzwerks kommt, wenn alle Verbindungen in demselben Raum vorliegen und identischen Bedingungen ausgesetzt sind. Gemäß den Schilderungen der Gruppe von Moran wurden verschiedene Teile des rCZ getrennt durchgeführt. In Organismen dagegen liegen alle Verbindungen in einem Raum vor. Das zentrale Problem hierbei ist die fehlende Spezifität der chemischen Reaktionen in Abwesenheit von Enzymen. Orgel kommentierte dies wie folgt: „Es ist eher das Fehlen der Spezifität als ein Mangel an Effizienz, das die wesentliche Barriere für die Existenz komplexer autokatalytischer Zyklen von beliebiger Art darstellt.“
Doch ein Kernproblem der „Stoffwechsel-zuerst“-Hypothese wird sowohl von Moran als auch von Orgel nicht erwähnt: Für die Entstehung eines Organismus bedarf es gleichzeitig sowohl der katabolischen (abbauenden) als auch der anabolischen (aufbauenden) Stoffwechselwege. Zudem sind in Lebewesen unzählige Stoffwechselwege miteinander verknüpft. Wie es zur Entstehung eines solchen Systems durch ungerichtete chemische Reaktionen gekommen sein soll, scheint angesichts der schwerwiegenden Probleme selbst relativ einfache präbiotische Analoga physiologischer Prozesse zu modellieren weit außerhalb des Erklärbaren zu liegen.
Der grundsätzliche Irrtum der hier vorliegt, geht aus folgender Aussage von Moran (2018) hervor: „Es ist daher möglich, sich viele plausible geologische Szenarien vorzustellen, […] in genereller Übereinstimmung mit der Idee, dass der Stoffwechsel entstand, damit aufgestaute Redoxgradienten zwischen dem reduzierten Eisen der Erdkruste und einer vergleichsweise stark oxidierten CO2-reichen Atmosphäre sich entladen können.“ Zur Veranschaulichung des Inhalts dieser Aussage sei folgende Analogie angeführt: „Es gibt viele denkbare Szenarien, in denen eine Turbine mitsamt einem Kraftwerk durch natürliche Prozesse entstand, damit die potentielle Energie eines Stausees sich ins Tal entladen konnte.“ Auch wenn letztere Aussage unsinnig klingt, hat sie im Prinzip eine vergleichbare Bedeutung wie das Zitat von Moran. Das Vorliegen eines energetischen Potentialgefälles und dessen Entladung sind für die Entstehung eines komplexen Energieverwerters bei weitem nicht hinreichend.
Literatur
Muchowska KB et al. (2017) Metals promote sequences of the reverse Krebs cycle. Nat. Ecol. Evol. 1, 1716-1721.
Orgel LE (2008) On the implausibility of metabolic cycles on the prebiotic earth. PloS Biology 6, e18.
Schmidtgall B (2013) RNA-Welt: Krise überwunden? Studium Integrale Journal 20, 16-22. (www.wort-und-wissen.de/sij/sij211/sij211-3.html)
Varma SJ et al. (2018) Native iron reduces CO2 to intermediates and endproducts of the acetyl-CoA pathway. Nat. Ecol. Evol. 2, 1019-1024.
Anmerkungen
1 Nach dieser Theorie entstanden zunächst genetische Moleküle, RNA (engl. ribonucleic acid), die fähig waren, sich selbst zu replizieren. Anschließend soll sich um diese „RNA-Welt“ allmählich ein vollständiger Stoffwechsel entwickelt haben.
2 Gemäß dieser Denkweise standen Netzwerke aus chemischen Reaktionsketten (Stoffwechselvorgänge) kleiner organischer Moleküle am Anfang des Lebens. Diese Reaktionsnetzwerke sollen dann durch das Hinzukommen genetischer Moleküle stabilisiert worden sein.
3 Der gewöhnliche Atmosphärendruck liegt bei 1 bar.
4 Adenosintriphosphat, die allgemeine „molekulare Energiewährung“ in Organismen.


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Re: wissenschaftliche Hintergründe zum Ursprung des Lebens

Beitrag von Eaglesword am Fr 22 Feb 2019, 20:29

 
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22.02.19  

Archaeopteryx albersdoerferi – ein weiterentwickelter Urvogel?
Die genauere Untersuchung des achten Exemplars des berühmten Urvogels Archaeopteryx erwies so viele Unterschiede zu den anderen Funden, dass eine neue Art Archaeopteryx albersdoerferi aufgestellt wurde. Sie erscheint „fortschrittlicher“ als Archaeopteryx lithographica, wird evolutiv jedoch als blinder Seitenzweig gedeutet und nicht als Übergangsform zu anderen Vögeln.
Der berühmte fränkische „Urvogel“ Archaeopteryx lithographica aus Schichten des Oberjura gilt als gut passende Übergangsform zwischen Dinosauriern und Vögeln und hat diesbezüglich geradezu ikonenhaften Charakter. Allerdings sind einige Merkmale z. B. des Schädels oder der Beine zu spezialisiert für eine Übergangsstellung (z. B. Shipman 1998, 116; Hou 2001, 7; Xu & Pol 2013, 331), weshalb Archaeopteryx eher als übergangsformnah oder als modellhaft für eine Übergangsform angesehen wird.
Nun wurde das Exemplar 8 von Archaeopteryx, das im Gemeindegebiet von Daiting gefunden worden war, genauer untersucht (Kundrát et al. 2019). Dieses Exemplar wird um 400.000 radiometrische Jahre jünger datiert als die anderen Archaeopteryx-Funde. Und es weist eine Reihe von Merkmalsausprägungen auf, die als fortschrittlicher gewertet werden als die entsprechenden Ausprägungen bei den anderen Funden: Es sind weniger Zähne ausgebildet, die Schädelknochen sind stärker verschmolzen, die Furkula (Gabelbein, mutmaßlich verschmolzene Schlüsselbeine) besitzt eine größere Ansatzstelle für die Flugmuskeln, die Handgelenksknochen sind verstärkt und die Knochen sind mehr pneumatisiert (Ausbildung von Hohlräumen) und dadurch vermutlich leichter. Aufgrund dieser Unterschiede wurde Exemplar 8 nun in eine eigene Art Archaeopteryx albersdoerferi gestellt (nach dem Fossilienhändler Raimund Albersdörfer, der das Exemplar der Öffentlichkeit präsentierte). Die Merkmalsausprägungen von A. albersdoerferi könnten eine verbesserte Flugfähigkeit ermöglicht haben.
Auf den ersten Blick scheint A. albersdoerferi einen evolutiven Wandel in Richtung moderner Vögel zu belegen. Doch auch Kundrát et al. (2019) sehen die Gattung Archaeopteryx auf einem Seitenzweig, der letztlich nicht zu den heutigen Vögeln führte. Die Änderungen von A. albersdoerferi gegenüber Archaeopteryx lithographica seien als Konvergenzen zu werten, also als unabhängige gleichsinnige Änderungen, so die Forscher. Sie sprechen von einer „Mosaikevolution“ und mutmaßen, dass sich wiederholende „Erkundungen“ typisch seien für große Übergänge1 – eine fragwürdige Deutung im Rahmen der Evolutionstheorie, weil sie eine Zielorientierung beinhaltet („Erkundungen“). Werden dagegen evolutionstheoretische Voraussetzungen einer ungerichteten Entwicklung konsequent zugrunde gelegt, sind Konvergenzen grundsätzlich unwahrscheinlich und umso unwahrscheinlicher, je häufiger sie auftreten und je komplexer sie sind. Denn ohne Zielorientierung sind ähnliche neuartige komplexe Konstruktionen, die auf unabhängigen Wegen erreicht werden, nicht zu erwarten und auch nicht durch Selektionsdrücke oder Konstruktionszwänge zu erklären (vgl. Braun 2012). Die Option auf einen Flugerwerb (Selektionsdruck) erklärt schließlich nicht dessen Realisierung.
Befindet sich also Archaeopteryx in evolutionstheoretischer Interpretation auf einem blinden Seitenzweig, würde das auch für A. albersdoerferi gelten.
Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass es sich bei manchen Archaeopteryx-Funden um Jungtiere handeln könnte. Vielleicht ist auch A. albersdoerferi ein ontogenetisches Stadium (z. B. ein Jugendstadium). Denkbar ist auch innerartliche Variation, die nicht evolutionäre Tendenzen wiederspiegelt. Die Gattung Archaeopteryx kann auf der Grundlage ihres gesamten Merkmalskomplexes als variabler Grundtyp2 gewertet werden, der zur gestaltlichen Verschiedenartigkeit der mesozoischen Vögel beigetragen hat.
Literatur
Braun HB (2012) Warten auf einen neuen Einstein. Stud. Integr. J. 12, 12-19.
Hou L (2001) Mesozoic Birds of China. Institute of Vertebrate Paleontology and Paleoanthropology. Phoenix Valley Provincial Aviary of Taiwan.
Kundrát M, Nudds J, Kear BP, Lüe J & Ahlberg P (2019) The first specimen of Archaeopteryx from the Upper Jurassic Mörnsheim Formation of Germany. Hist. Biol. 31, 3-63.
Shipman P (1998) Taking Wing: Archaeopteryx and the evolution of bird flight. New York: Simon and Schuster.
Xu X & Pol D (2013) Archaeopteryx, paravian phylogenetic analyses, and the use of probability-based methods for palaeontological datasets. J. Syst. Paleol. 12, 323–334.
Anmerkungen
1 „These innovations appear to be convergent on those of more crownward avialans, suggesting that Bavarian archaeopterygids independently acquired increasingly bird-like traits over time. Such mosaic evolution and iterative exploration of adaptive space may be typical for major functional transitions like the origin of flight“ (Kundrát et al. 2019, 3).
2 Zu Grundtypen werden alle Biospezies zusammengefasst, die durch Kreuzungen direkt und indirekt miteinander verbunden sind, wobei die Mischlinge nicht fruchtbar sein müssen. So gehören z. B. alle Entenartigen oder Hundeartigen zu einem Grundtyp. Bei nur fossil bekannten Formen kann das Grundtypkriterium zwar nicht angewendet werden, doch geben heutige Grundtypen eine gute Orientierung, welche Vielfalt innerhalb eines  Grundtypen ausgeprägt sein kann.
24.01.19  

Möglicherweise jüngster großer Impakt-Krater unter dem Grönland-Eis
Gezielte Radarblicke durch die grönländische Eisdecke lassen eine typische Struktur eines Impakt-Kraters erkennen. Der mutmaßliche Impakt-Krater ist möglicherweise geologisch jung und könnte neue Erkenntnisse über die Dynamik und Dimension großer Impakt-Ereignisse liefern.  
Gastbeitrag von Michael Kotulla
Krater von Hiawatha
Die Hohlform, die Kjær et al. (2018) unter dem Hiawatha-Gletscher in NW-Grönland entdeckt haben, ist gewaltig: Der Durchmesser beträgt 31 km, die Eintiefung im Verhältnis zum Rand rund 300 m. Im Zentrum ist eine leichte Aufwölbung ausgebildet. Die Autoren interpretieren die Struktur als Impakt-Krater, also als Krater, der durch Einschlag eines kosmischen Körpers (Meteorit) entstanden ist. Als weitere Impakt-Indizien – neben der Kraterform – präsentieren sie u. a. Funde von Quarzkörnern aus Sedimenten des Gletscher-Vorlandes, die „geschockt“ sind. Dieser Begriff steht für die Ausbildung planarer Deformationslamellen (engl. Abkürzung: PDF), die durch sehr hohe Stoßwellendrücke – wie sie bei Impakten auftreten können – entstehen.         
Demnach könnte es sich um ein Impakt-Ereignis handeln, das – bezogen auf den Durchmesser – dem Ries-Ereignis ähnelt. Der Ries-Krater (Nördlinger Ries, Süddeutschland) hat einen Durchmesser von 24 km; das Impakt-Ereignis wird dem Miozän zugerechnet.1
Verglichen mit anderen großen Impakt-Kratern ist die Struktur des Hiawatha-Kraters gut erhalten („frisch“). Aufgrund der Ausbildung des Kraterreliefs wird allerdings vermutet, dass der Kraterrand und die zentrale Aufwölbung teilweise erodiert wurden und im Krater Seesedimente ausgebildet sind.
Radiostratigraphie und Alter
Der Krater ist von dem bis zu 1 km mächtigen Hiawatha-Gletscher bedeckt (s. Animation in Viñas-Garcia 2018). Die Eisschichten reichen von oben nach unten kontinuierlich bis knapp unterhalb der Pleistozän/Holozän-Grenze. Dann folgt eine gestörte Eiszone, die mit Trümmer (Gestein, Eis?) durchsetzt ist; sie liegt unmittelbar der Oberfläche des Kraters auf. Die zeitliche Interpretation der Eisschichten basiert auf Auswertungen von Tiefenradarmessungen (Radiostratigraphie) in Verbindung mit Vergleichen von Tiefenprofilen des grönländischen Eisschildes insgesamt (s. Kotulla 2016).
Es ist wohl das (stratigraphische) Alter der Eisdecke, die den Erstautor der Studie, Kurt H. Kjær, veranlasst anzunehmen, dass sich der Meteoriten-Einschlag möglicherweise sogar nur „vor 12.000 Jahren“ ereignet haben könnte, zum Ende der Eiszeit (University of Copenhagen (2018).2 Seine Jahreszahl bezieht sich auf ein „etwas älter“ als die Pleistozän/Holozän-Grenze, der ein Alter von 11.700 [Eiskern-]Jahren zugewiesen wird. Zu einer Diskussion dieser Alter siehe Kotulla (2013).
Demzufolge könnte sich das mutmaßliche Hiawatha-„Impakt-Ereignis“ – stratigraphisch korreliert – etwa während oder nach der explosiven Eruption des Laacher-See-Vulkans (40 km südlich Bonn) ereignet haben.  
Potenzial für neue Erkenntnisse
Die Rekonstruktion dieses „greifbar nahen“ Impakt-Ereignisses – wenn es sich als solches bestätigt und wenn es sich am Ende der Eiszeit ereignete – hat Potenzial für einen deutlichen Erkenntnisgewinn. Zahlreiche interessante Fragen gilt es zu beantworten, u. a.:
Schlug der Meteorit auf eine eisfreie oder eisbedeckte Oberfläche ein? Welche Spuren hat der Einschlag hinterlassen – lokal, regional, global – auch hinsichtlich Umwelt und Klima? Gibt es Ablagerungen von Auswurfmaterial (Impakt-Ejekta)? In den grönländischen Eisbohrkernen sind bislang Lagen solcher Herkunft nicht aufgefallen. Hatte der Impakt möglicherweise einen entscheidenden Einfluss auf den raschen Zusammenbruch der Eisschilde? Wie katastrophal war der Impakt insgesamt? Sind die gängigen Vorstellungen über das Zerstörungspotenzial großer Impakte (räumlich und zeitlich) möglicherweise überzogen? Zum Beispiel auch im Vergleich zum Ries-Ereignis, bei dem eine immense Druck- und Hitzewelle im Umkreis von mehreren Hundert Kilometern angenommen wird.   
Es ist davon auszugehen, dass die Erforschung des mutmaßlichen Hiawatha-„Impakt-Ereignisses“ fortgesetzt wird. Wahrscheinlich wird dabei auch eine Tiefbohrung in den Krater in Betracht gezogen werden.
Video
„Massive Crater Discovered Under Greenland Ice“ (4:29, in Englisch) unter https://www.youtube.com/watch?time_continue=261&v=vTr3VdGlFr8
Literatur
Kjær KH, Larsen NK, Binder T,  Bjørk AA, Eisen O, Fahnestock MA, Funder S, Garde AA, Haack H, Helm V, Houmark-Nielsen M, Kjeldsen KK, Khan SA, Machgut H, McDonald I, Morlinghem M, Mouginot J, Paden JD, Waight TE, Weikusat C, Willerslev E & MacGregor JA (2018) A large impact crater beneath Hiawatha Glacier in northwest Greenland. Science Advances 4, eaar8173. http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaar8173
Kotulla M (2013) Grönländische Eiskerndaten und ihre Interpretation: Absolute Datierung durch Zählung von Jahresschichten? W+W Special Paper G-13-1, Baiersbronn; http://www.wort-und-wissen.de/download.html.
Kotulla M (2016) Radarblick in die grönländische Eisdecke. Studium Integrale Journal 23, 125-126. http://www.si-journal.de/index2.php?artikel=jg23/heft2/sij232-s.html
University of Copenhagen (2018) Massive impact crater from a kilometre-wide iron meteorite discovered in Greenland. Pressemitteilung vom 14. 11. 2018. https://news.ku.dk/all_news/2018/11/massive-impact-crater-from-a-kilometre-wide-iron-meteorite-discovered-in-greenland/
Viñas-Garcia M-J (2018) Crater Lurks Beneath the Ice. Image of the day for November 14, 2018. https://earthobservatory.nasa.gov/images/144279/crater-lurks-beneath-the-ice
Endnoten
1    Siehe z. B. unter https://www.geopark-ries.de/entstehung-rieskrater/.
2    „So far, it has not been possible to date the crater directly, but its condition strongly suggests that it formed after ice began to cover Greenland, so younger than 3 million years old and possibly as recently as 12,000 years ago – toward the end of the last ice age, says Professor Kurt H. Kjær from the Center for GeoGenetics at the Natural History Museum of Denmark.“ (University of Copenhagen 2018).


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