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6.2: Der Ursprung biologischer Membranen - Biologie

6.2: Der Ursprung biologischer Membranen - Biologie


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Die moderne Zellmembran besteht aus verschiedenen Arten von Lipiden. Solche Doppelschichten können Lösungsmittelbereiche einfangen, d. h. Wasser und alle darin gelösten gelösten Stoffe.

Die Stabilität der Doppelschicht nimmt mit zunehmender hydrophober Kettenlänge weiter zu. Gleichzeitig nimmt die Membranpermeabilität ab. Es ist eine vernünftige Annahme, dass die frühesten biologischen Systeme kürzerkettige Lipide zum Aufbau ihrer "Protomembranen" verwendeten und dass diese Membranen relativ undicht waren171. Das Auftreten komplexerer Lipide, die in der Lage sind, undurchlässigere Membranen zu bilden, muss daher vom Auftreten von Mechanismen abhängen, die es hydrophilen Molekülen ermöglichten, Membranen zu passieren. Der Prozess der Interdependenz des Wandels wird als Co-Evolution bezeichnet. Koevolutionäre Prozesse waren offenbar häufig genug, um die Etablierung lebender Systeme zu ermöglichen. Im Folgenden werden wir die Wege durch eine Membran im Detail betrachten.

Fragen zum Beantworten und Nachdenken:

  • Ist das Universum im Gleichgewicht? Wenn nicht, wann wird es zum Gleichgewicht kommen?
  • Zeichnen Sie Diagramme, um zu zeigen, wie sich die Verlängerung der Kohlenwasserstoffketten eines Lipids auf die Strukturen auswirkt, die es bilden kann.
  • Wie werden die Effekte an den hydrophoben Kanten einer Lipiddoppelschicht minimiert?
  • Welche Arten von Molekülen könnten die Plasmamembran von selbst passieren?
  • Zeichnen Sie, wie „doppelköpfige“ Lipide im Kontext einer Doppelschichtmembran aussehen.
  • Was können wir im Lichte der Zelltheorie über die Geschichte des Zytoplasmas und der Plasmamembran sagen?
  • Warum bilden Fettsäure- und Isoprenlipide ähnliche Doppelschichtstrukturen?
  • Spekulieren Sie darüber, warum es üblich ist, Phosphat und andere stark hydrophile Gruppen an den Glyceringruppen von Lipiden zu sehen?
  • Sind die Membranen von Bakterien und Archaeen homolog oder analog? Welche Art von Daten würde Ihnen bei der Entscheidung helfen?
  • Warum ist die Bewegung von Stoffen durch die Membran lebensnotwendig?
  • Warum erstarren Membranlipide bei niedriger Temperatur? Wie sind Van-der-Waals-Wechselwirkungen beteiligt? Sind elektrostatische Wechselwirkungen vom H-Brücken-Typ beteiligt?
  • Sagen (und rechtfertigen) Sie die Auswirkung einer Änderung der Position einer Doppelbindung in einer Kohlenwasserstoffkette auf die Temperatur der Membranverfestigung voraus.
  • Wäre eine Membran bei hohen oder niedrigen Temperaturen durchlässiger für kleine Moleküle und warum?

Geschichte der Zellmembrantheorie

Die Zelltheorie hat ihren Ursprung in Mikroskopiebeobachtungen des 17. Jahrhunderts, aber es dauerte fast zweihundert Jahre, bis eine vollständige Zellmembrantheorie entwickelt wurde, um zu erklären, was Zellen von der Außenwelt trennt. Im 19. Jahrhundert wurde akzeptiert, dass eine Art semipermeabler Barriere um eine Zelle herum existieren muss. Studien über die Wirkung von Anästhesiemolekülen führten zu der Theorie, dass diese Barriere aus einer Art Fett (Lipid) bestehen könnte, aber die Struktur war noch unbekannt. Eine Reihe bahnbrechender Experimente im Jahr 1925 zeigte, dass diese Barrieremembran aus zwei molekularen Lipidschichten besteht – einer Lipiddoppelschicht. Neue Werkzeuge in den nächsten Jahrzehnten bestätigten diese Theorie, aber die Rolle von Proteinen in der Zellmembran blieb umstritten. Schließlich wurde das Flüssigkeitsmosaikmodell zusammengestellt, bei dem Proteine ​​in einer flüssigen Lipiddoppelschicht "Meer" "schwimmen". Obwohl einfach und unvollständig, wird dieses Modell auch heute noch weithin referenziert.


Exobiologie

Das Ziel des Exobiology-Programms der NASA (ehemals Exobiology and Evolutionary Biology) ist es, den Ursprung, die Evolution, die Verteilung und die Zukunft des Lebens im Universum zu verstehen. Die Forschung konzentriert sich auf den Ursprung und die frühe Evolution des Lebens, das Potenzial des Lebens, sich an verschiedene Umgebungen anzupassen, und die Auswirkungen auf das Leben anderswo. Diese Forschung wird im Zusammenhang mit der laufenden Erforschung unserer stellaren Nachbarschaft durch die NASA und der Identifizierung von Biosignaturen für durchgeführt vor Ort und Fernerkundungsanwendungen.

Exobiology ist jetzt ein Programm mit No Due Dates (NoDD). Weitere Informationen zu NoDD in PSD finden Sie unter: https://science.nasa.gov/researchers/NoDD

Klicken Sie hier, um Informationen zur Ausschreibung für Exobiologie (Research Opportunities in Space and Earth Sciences) ( ROSES )-2021 zu erhalten.

Klicken Sie hier, um den Blog zu Forschungsmöglichkeiten in den Weltraum- und Erdwissenschaften ( ROSES )-2021 anzuzeigen.

Planetare Bedingungen für das Leben:
Die Forschung auf diesem Gebiet versucht, die galaktischen und planetarischen Bedingungen aufzuzeigen, die der Entstehung des Lebens förderlich sind. Zu den interessanten Themen gehören die Bildung und Stabilität bewohnbarer Planeten, die Bildung komplexer organischer Moleküle im Weltraum und deren Abgabe an Planetenoberflächen, Modelle früher Umgebungen, in denen organische chemische Synthesen stattfinden könnten, die Formen, in denen präbiotische organische Substanz in planetarische Materialien und die Bandbreite planetarischer Umgebungen, die dem Leben zugänglich sind.

Präbiotische Evolution:
Die Forschung auf dem Gebiet der präbiotischen Evolution versucht, die Wege und Prozesse zu verstehen, die vom Ursprung der planetaren Körper bis zum Ursprung des Lebens führen. Die Strategie besteht darin, die planetarischen und molekularen Prozesse zu untersuchen, die die physikalischen und chemischen Bedingungen festlegen, unter denen lebende Systeme entstanden sein könnten. Ein Hauptziel besteht darin, zu bestimmen, welche chemischen Systeme als Vorläufer von Stoffwechsel- und Replikationssystemen auf der Erde und anderswo gedient haben könnten, einschließlich Alternativen zu der gegenwärtigen DNA – RNA – Proteinbasis für das Leben.

Frühe Evolution des Lebens und der Biosphäre:
Das Ziel der Erforschung der frühen Evolution des Lebens ist es, die Natur der primitivsten Organismen und die Umgebung, in der sie sich entwickelt haben, zu bestimmen. Die Gelegenheit wird genutzt, um zwei natürliche Lagerstätten der Evolutionsgeschichte auf der Erde zu untersuchen: die molekulare Aufzeichnung in lebenden Organismen und die geologische Aufzeichnung. Diese gepaarten Aufzeichnungen werden verwendet, um: (i) zu bestimmen, wann und in welcher Umgebung das Leben zum ersten Mal auftauchte und die Eigenschaften der ersten erfolgreichen lebenden Organismen (ii) die Phylogenie und Physiologie von Mikroorganismen, einschließlich Extremophilen, zu verstehen, deren Eigenschaften die Natur primitiver widerspiegeln können Umgebungen (iii) die ursprüngliche Natur der biologischen Energieübertragung, der Membranfunktion und der Informationsverarbeitung zu bestimmen, einschließlich der Konstruktion künstlicher chemischer Systeme, um Hypothesen über die ursprüngliche Natur der biologischen Schlüsselprozesse zu testen iv) die Entwicklung der biologischen Schlüsselprozesse und ihrer Umwelt untersuchen Auswirkungen v) Untersuchung der Reaktion der Biosphäre der Erde auf außerirdische Ereignisse vi) Untersuchung der Evolution von Genen, Pfaden und mikrobiellen Arten, die langfristigen Umweltveränderungen unterliegen, die für den Ursprung des Lebens auf der Erde und die Suche nach Leben anderswo relevant sind und vii ) untersuchen die Koevolution mikrobieller Gemeinschaften und die innerhalb solcher Gemeinschaften, die große geochemische Kreisläufe antreiben, einschließlich der Prozesse, durch die neue Arten zu bestehenden Gemeinschaften hinzugefügt werden.

Evolution des fortgeschrittenen Lebens:
Die Forschung im Zusammenhang mit der Erforschung der Evolution des fortgeschrittenen Lebens versucht, die biologischen und umweltbedingten Faktoren zu bestimmen, die zur Entwicklung der Vielzelligkeit auf der Erde und der möglichen Verteilung von komplexem Leben im Universum führen. Diese Forschung umfasst Studien über den Ursprung und die frühe Evolution jener biologischen Faktoren, die für das mehrzellige Leben essentiell sind, wie Entwicklungsprogramme, interzelluläre Signalübertragung, programmierter Zelltod, das Zytoskelett, zelluläre Adhäsionskontrolle und Differenzierung im Zusammenhang mit der Entstehung fortgeschrittener Leben. Dieser Forschungsbereich umfasst auch eine Bewertung von Umweltfaktoren wie dem Einfluss außerirdischer (zB Bolideneinschläge, Bahn- und Sonnenvariationen, Gammastrahlenausbrüche etc.) und planetarischer Prozesse („Schneeball-Erde“-Ereignisse, rapider Klimawandel etc.) .) über das Auftreten und die Evolution des vielzelligen Lebens. Von besonderem Interesse sind Massenaussterbeereignisse.

Exobiologie zur Erforschung des Sonnensystems:
Die Forschung in diesem Bereich konzentriert sich darauf, das Wissen über das Leben auf der Erde mit den Bedingungen anderer planetarer Körper in Verbindung zu bringen. Diese Forschung umfasst Bewertungen der Überlebensfähigkeit verschiedener Arten von Mikroorganismen der Erde und der Bildung und Erhaltung von Biosignaturen unter nicht-erdischen Bedingungen (z. B. Mars, Europa). Zu diesem Forschungsbereich gehören auch Bemühungen, die potenzielle Bewohnbarkeit anderer planetarischer Umgebungen als der auf der Erde vorkommenden zu bewerten.

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Probleme mit der Entstehung biologischer Membranen in einer frühen Erdumgebung von Rich Deem

Der Ursprung primitiver Membranen ist eines der am meisten vernachlässigten Gebiete in der Lebensforschung. Obwohl Fettsäuren unter den Bedingungen der frühen Erde hergestellt werden können, sind sie unter den Bedingungen, unter denen sie erzeugt werden, ziemlich resistent gegen den Zusammenbau. Außerdem bieten diese Membranen keinen vernünftigen Mechanismus für den Nährstoff-/Abfalltransport oder irgendeinen Weg, um einen Protonengradienten zu erzeugen, so dass jede erzeugte "Protozelle" bald an der Unfähigkeit, Energie zu verbrauchen, sterben würde.

Abiogenese-Theorien verlangen, dass das zelluläre Leben auf der Erde mit einer bestimmten Mindestanzahl von Komponenten beginnen muss. Diese Komponenten bestehen aus einem chemischen Mechanismus zur Gewinnung von Energie, um Arbeit zu produzieren (dh einer Art Stoffwechselsystem), einer Methode zur Übertragung von Vererbung (RNA, DNA oder ähnlichem) und einem Mittel, um diese Komponenten zusammenzuhalten (eine Art von Membran). Es ist äußerst unwahrscheinlich, alle drei Komponenten auf einmal zu produzieren, so dass die meisten Befürworter der Abiogenese entweder Metabolismus-First- oder Replikations-First-Szenarien annehmen. Beide Arten von Theorien weisen erhebliche Mängel auf. Die Herstellung biologischer Membranen unter frühen Erdbedingungen ist jedoch, wie noch zu sehen sein wird, keine triviale Aufgabe.

Erststudium

Frühe Studien über mögliche präbiotische Membranen begannen in den späten 1950er Jahren unter Verwendung von aggregierten kolloidalen Partikeln 1 und lipidähnlichen Tensiden. 2 Nachfolgende Studien von Oparin untersuchten die mögliche Rolle von Koazervaten als Membranen. 3 Obwohl diese Komplexe als mögliches Membranmaterial ungeeignet sind, weil sie von Natur aus instabil sind, keine Permeabilitätsbarriere bilden und den Stoffwechsel nicht einschließen können, werden diese Materialien in modernen Biologielehrbüchern immer noch prominent erwähnt. 4

Phospholipide

Die spontane Bildung von Doppelschichtvesikeln aus Phospholipiden wurde erstmals 1965 untersucht. 5 Obwohl diese Theorie die dominierende Erklärung für das Auftreten von Membranen darstellt, ist sie nicht ohne Herausforderungen. Es wurde gezeigt, dass Fettsäuren in Gegenwart von Glycerin und Phosphaten beim Erhitzen zur Trockne spontan Phospholipide bilden. 6 Monnard und Deamer weisen jedoch darauf hin, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass die Natur alle drei Chemikalien am selben Ort produziert und dann bis zur Trockenheit erhitzt. 7

Quellen von Membranbausteinen

Aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff können in Gegenwart bestimmter Metalle bei hohen Temperaturen langkettige Kohlenwasserstoffe gebildet werden. Hydrothermale Quellen der Tiefsee wurden als potenzielle Energiequelle genannt, die zur Synthese präbiotischer Moleküle, einschließlich der Bausteine ​​von Membranen, erforderlich ist. Unter diesen Bedingungen wurden Fettsäuren und Fettalkohole synthetisiert. 8 Diese Fettsäuren verbinden sich mit Ethylenglycol, um Ethylenglycolylalkanoate und Bisalkanoate zu bilden, oder verbinden sich mit Glycerin, um Monoacylglycerine und Diacylglycerine zu bilden. 9 Andere haben vorgeschlagen, dass die ersten Membranen aus stark verzweigten Polyprenylketten anstelle von Alkylketten bestanden. 10 Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass das Ausgangsmaterial in ausreichenden Konzentrationen vorhanden ist 10 und es ist auch unwahrscheinlich, dass die erforderlichen Phosphorylierungsmittel auf der frühen Erde verfügbar gewesen wären. 11

Auch der extraterrestrische Ursprung von Membrankomponenten wurde von einigen Forschern zitiert. 12 Obwohl im Murchison-Meteoriten lipidähnliche Materialien gefunden wurden, 12 legten spätere Studien nahe, dass es sich bei diesen Verbindungen eher um Kontaminanten als um endogene Materialien handelte. 13 Selbst wenn einige Membranbausteine ​​durch extraterrestrische Quellen geliefert wurden, hätte der Abbau durch Hydrolyse, photochemischen Abbau und Pyrolyse die Menge solcher Materialien erheblich reduziert. 14

Vesikelmontage

Auch wenn Membranbausteine ​​in ausreichender Menge vorhanden waren, sind für die Montage bestimmte Konzentrationen und andere Umgebungsbedingungen erforderlich. Alle möglichen Komponenten außer Fettsäuren wurden aus der Diskussion aus Mangel an plausiblen Synthesewegen ausgeschlossen. 7, 10 Der Aufbau von Fettsäuren zu Lipiddoppelschichten ist abhängig von Kettenlänge, Konzentration, pH und Temperatur. Kurzkettige Fettsäuren bilden bei Raumtemperatur Vesikel, wenn der pH innerhalb einer halben pH-Einheit des pKa der Säure liegt. Längerkettige Fettsäuren erfordern höhere Temperaturen (30-70°C). 15, 16 Außerdem muss die Konzentration der Fettsäuren ziemlich hoch sein (130 bis 20 mM), damit sich Vesikel bilden können. 17 Das Vorkommen solch hoher Konzentrationen an Fettsäuren wäre auf der Urerde unwahrscheinlich. Einige der anspruchsvollen Bedingungen können durch die Anwesenheit von Fettalkoholen mit der gleichen Kohlenwasserstoffkettenlänge wie die Fettsäure gemildert werden. 7, 16 Allerdings muss das Molverhältnis fast genau 10:1 (Säure:Alkohol) betragen, damit ein signifikanter Effekt sichtbar wird. 18 Neben Temperatur-, pH- und Konzentrationsanforderungen hängt die Vesikelbildung stark von der Ionenstärke und der Anwesenheit bestimmter Ionen ab. So führt die Anwesenheit von Natriumchlorid in Konzentrationen, die in den Ozeanen der Urerde gefunden werden, dazu, dass sich die Vesikel zu Schichten zusammenballen, und die Anwesenheit von Ca +2 , Mg +2 , Fe +2 in primordialen Konzentrationen führt zur Ausfällung von Fettsäuren. 18

Verkapselung und Transport

Die bloße Bildung eines geschlossenen Vesikels reicht nicht aus, um die Funktionalität zu gewährleisten. Um als ein am naturalistischen Ursprung des Lebens beteiligter Mechanismus nützlich zu sein, müssen Membranen Materialien einschließen, die zur Initiierung von Leben notwendig sind, und in der Lage sein, Material in und aus der Grenze zu transportieren. Moderne biologische Membranen enthalten Proteinsysteme, die aktiv und passiv den Austausch von Nährstoffen und Abfallstoffen ermöglichen. Da diese Transportsysteme auf der Urerde nicht verfügbar wären, müssen 14 weitere Systeme existiert haben, um den Prozess auch nur aus der Ferne durchführbar zu machen. Trotz des äußerst unwahrscheinlichen Auftretens von Phospholipidmembranen unter frühen Erdbedingungen haben die meisten Studien, die die Verkapselung untersucht haben, solche Membranen verwendet. 19 Die Verkapselung primitiver Fettsäuremembranen müsste während Zeiten wechselnder osmotischer Gradienten (ansteigende und abnehmende Salzkonzentrationen) wiederholtes Aufbrechen und Wiederverschließen (durch Rühren) beinhalten. 20 Eine Änderung der Konzentrationen der gelösten Stoffe würde das zusätzliche Problem einer wahrscheinlichen Änderung des pH-Wertes mit sich bringen, was die anspruchsvollen Bedingungen stören würde, die für den Aufbau von Fettsäuremembranen erforderlich sind. Das Vorhandensein von Orten, an denen genau diese Bedingungen vorliegen würden, wäre auf der Urerde sehr begrenzt. Damit auf diese Weise irgendeine Form von Leben geschaffen werden kann, müssen außerdem zu diesem Zeitpunkt sowohl ein primitiver Replikator als auch ein Stoffwechselsystem eingekapselt werden. Natürlich würden solche Systeme bei jedem Zyklus sowohl Materialien einkapseln als auch freisetzen, und es ist unklar, welche Art von Gleichgewicht schließlich erreicht werden würde.

Sobald eine stabile Membran gebildet ist, wäre eine Art Transportsystem für Nährstoffe/Abfälle erforderlich, um den Stoffwechsel der Protozelle aufrechtzuerhalten. Passive Transportsysteme wären am einfachsten zu bilden, aber solche Systeme würden automatisch ein Gleichgewicht erreichen und einen weiteren Transport unmöglich machen. 21 Offensichtlich würde man von aktiven Transportsystemen aufgrund ihrer Komplexität nicht erwarten, dass sie von einem primitiven Replikator kodiert werden.

Energiegewinnung

Mögliche Energiequellen für Protozellen sind Wärmeenergie, chemische Energie und Lichtenergie. 14 Keine dieser Formen der Energiegewinnung ist jedoch mit einer primitiven Fettsäuremembran in Gegenwart bekannter präbiotischer Chemikalien in der Umwelt kompatibel. 14 Dies liegt daran, dass die Carboxyl-Kopfgruppe einer Fettsäuremembran die Protonenpermeabilität vermittelt, wodurch die Möglichkeit der Erzeugung eines Protonengradienten ausgeschlossen wird. 22 Die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, bestand darin, ein Oleat-Arginin-System zu verwenden, das den Abfall des Gradienten verlangsamte. Das ungesättigte Oleat wäre jedoch in einer präbiotischen Umgebung nicht vorhanden gewesen. Darüber hinaus wurde das System durch Alkalikationen gehemmt, die in frühen Erdumgebungen vorhanden gewesen wären.

Es wurde angenommen, dass die Aufnahme von Lichtenergie durch Protozellen durch eingekapselte Eisenverbindungen oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) erfolgt, die Licht im nahen UV- und blauen Wellenlängenbereich absorbieren. 14, 23 Während Ferrocyanide und PAH auf der frühen Erde vorhanden sein können, können diese Verbindungen keinen Protonengradienten erzeugen, wenn sie in Fettsäuremembranen eingeschlossen sind. 24

Wachstum und Division

Primitive Membranen müssen die Fähigkeit haben, ohne die Hilfe biomolekularer Maschinen zu wachsen und sich zu replizieren, um in einer hypothetischen Protozelle zu funktionieren. 25 Die langsame Zugabe von Myristoleat-Micellen zu einem Myristoleinsäure/Myristoleat-Vesikel-System führt dazu, dass 90 % der hinzugefügten Fettsäure in die ursprünglichen Vesikel eingebaut wurden, wodurch diese wachsen. 25 Andere haben osmotisch gequollene Oleatvesikel verwendet, um Wachstum durch Vesikel-Vesikel-Fusion zu bewirken. 22 Da das Vorkommen dieser ungesättigten Fettsäuren auf der frühen Erde jedoch unwahrscheinlich ist, ist die Relevanz dieser Studien für die Entstehung des Lebens fraglich. Im Kontext eines RNA-Welt-Szenarios würde das Erfordernis der Anwesenheit von zweiwertigen Kationen durch Ribozyme zur Ausfällung von Fettsäuren führen, die Membranen zerstören. Eine Teilung von Membranen kann auftreten, wenn sie eine bestimmte Größe erreichen. 26 Die Fähigkeit dazu hängt von der Größe der Membran und ihrer Zusammensetzung ab. Da die Studien jedoch nur mit ungesättigten Fettsäuremembranen durchgeführt wurden, ist unklar, welche Relevanz dies für die Spaltung gesättigter Fettsäuremembranen in der frühen Erdumgebung haben würde.

Unrealistische Studien

Abgesehen von dem Problem, dass die meisten Studien zum Ursprung von Membranen Membranen untersucht haben, die aus Materialien bestehen, die auf der Urerde niemals existiert hätten, gibt es ein noch grundlegenderes Problem, das praktisch die gesamte Ursprungsforschung des Lebens plagen kann. Sobald eine Verbindung als "präbiotisch" deklariert wurde, beginnen die Forscher sofort damit, das hochreine Produkt in außergewöhnlichen Konzentrationen zu verwenden. Laut Robert Shapiro:

„Die Beobachtung einer bestimmten organischen Chemikalie in beliebiger Menge (auch als Teil einer komplexen Mischung) in einer der oben genannten Quellen würde ihre Einstufung als „präbiotisch“ rechtfertigen, eine Substanz, die angeblich auf der frühen Erde nachgewiesen wurde. Nach dieser Auszeichnung könnte die Chemikalie dann in reiner Form, in beliebiger Menge, in einer anderen präbiotischen Reaktion verwendet werden. Die Produkte einer solchen Reaktion würden auch als "präbiotisch" betrachtet und im nächsten Schritt in der Sequenz verwendet." 27

Abschluss

Der Ursprung biologischer Membranen ist ebenso wie der Ursprung der Replikation und des Stoffwechsels mit Problemen behaftet und ruft eine äußerst unwahrscheinliche Chemie hervor. Obwohl einige der Bausteine ​​potenzieller Membranen auf der frühen Erde synthetisiert worden sein könnten, war dies bei den in modernen biologischen Membranen (Phospholipiden) verwendeten nicht möglich. Daher muss man eine Art Urmembran annehmen, die später zugunsten moderner Membranen verworfen wurde. Aber auch dieses Szenario leidet unter unüberwindbaren Problemen. Die extraterrestrische Synthese und Lieferung von Membranbausteinen bleibt unbewiesen. Obwohl solche Materialien in den frühen Meeren in der Nähe von hydrothermalen Quellen synthetisiert worden sein könnten, ist der Zusammenbau solcher Materialien ziemlich problematisch. Bedingungen, die hohe Konzentrationen, einen exakten pH-Wert und eine genaue Temperatur sowie das Fehlen von hohem Natriumgehalt und geringen Mengen bestimmter Metallionen erfordern, verhindern den Zusammenbau solcher Komponenten in den frühen Ozeanen der Erde. Bedingungen, die Fettsäuren auf ausreichende Konzentrationen konzentrieren könnten, um Membranen zu bilden, würden auch gelöste Stoffe konzentrieren, die die Bildung dieser Membranen stören. Die Einkapselung eines Protozellreplikators und eines Stoffwechselsystems wäre ziemlich problematisch, da die Bedingungen, die eine solche Aktivität fördern würden, wahrscheinlich zu Bedingungen führen würden, die die primitive Membran vollständig zerstören würden. Primitive Membranen müssen in der Lage sein, Nährstoffe und Abfallstoffe zu transportieren, obwohl passive Transportsysteme ohne weiteres ein Gleichgewicht erreichen und aktive Transportsysteme nicht sofort nach der Einkapselung entstehen. Die Energiegewinnung ist problematisch, da Fettsäuremembranen keinen Protonengradienten erzeugen können. Membranen, die aus ungesättigten Fettsäuren oder Phospholipiden bestehen, können Protonengradienten erzeugen, hätten aber in frühen Erdumgebungen nicht existiert. Praktisch alle Studien, die das Membranwachstum und die Teilung untersucht haben, haben ungesättigte Fettsäuremembranen verwendet, die auf der frühen Erde nicht vorhanden gewesen wären. Aufgrund dieser Problematik haben diese Studien eine fragwürdige Relevanz für die Entstehung des Lebens auf der Erde.

Die Verwendung von hochreinen Chemikalien in extrem hohen Mengen in Ursprungsstudien ist bestenfalls fragwürdig. Offensichtlich sind solche Experimente grundlegend fehlerhaft, da solche Bedingungen in keiner frühen Umgebung der Erde jemals existiert haben könnten. Vor 4 Milliarden Jahren, als das Leben zum ersten Mal entstand, gab es keine Chemiker, es sei denn, man betrachtet den ultimativen Chemiker. Wie Christian De Duve von der Rockefeller University einmal rhetorisch fragte: „Hat Gott RNA gemacht?“ 27 Vielleicht hat er mehr als nur RNA hergestellt?

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Ursprünge des Lebens: biblische und evolutionäre Modelle stehen sich gegenüber von Fazale Rana und Hugh Ross. Das wahrscheinlich stärkste wissenschaftliche Argument gegen den Atheismus ist das Problem des naturalistischen Ursprungs des Lebens. Genau dieses Problem führte dazu, dass ich Anfang der 1970er Jahre als Biologiestudent an der USC Deist wurde. Die Probleme der Atheisten sind seither nicht besser geworden. Tatsächlich haben die letzten 30 Jahre der Forschung noch mehr Probleme aufgedeckt als die, die existierten, als ich die Theorien zum ersten Mal studierte. Fuz Rana (ein Biochemiker) und Hugh Ross (ein Astrophysiker) haben sich zusammengetan, um zu schreiben das endgültige aktuelle Analyse der Entstehung des Lebens. Das Buch untersucht die Ursprünge des Lebens aus der Perspektive der Chemie, Biochemie, Astronomie und der Bibel. Neben den naturalistischen Modellen wird ein biblisches Schöpfungsmodell vorgestellt, um dem Leser bei der Entscheidung zu helfen, welches Modell besser zu den Daten passt. Dies ist ein ausgezeichnetes Buch, das Sie Ihren ungläubigen Freunden schenken können, da es ein überprüfbares Schöpfungsmodell präsentiert, das jedem naturalistischen Modell deutlich überlegen ist.


Biologische Membranen

dünne Grenzstrukturen von molekularer Größe auf der Oberfläche von Zellen und subzellulären Partikeln sowie Canaliculi und Vesikel, die das Protoplasma durchdringen. Biologische Membranen sind nicht dicker als 100 Angström (Å). Ihre wichtigste Funktion besteht darin, den Transport von Ionen, Zuckern, Aminosäuren und anderen Stoffwechselprodukten zu regulieren. Der Begriff &ldquobiologische Membranen&rdquo wurde ursprünglich verwendet, um alle Arten von Grenzstrukturen zu beschreiben, die in lebenden Organismen vorkommen: Deckgewebe, Magen- und Darmschleimhäute, Wände von Blutgefäßen und Nierenkanälen, Myelinscheiden von Nervenfasern, Membranen von roten Blutkörperchen usw . Mitte des 20. Jahrhunderts wurde nachgewiesen, dass in den meisten Grenzstrukturen die wirksame Barrierefunktion nicht von allen Elementen dieser Komplexformationen, sondern nur von den Zellmembranen ausgeübt wird. Durch elektronenmikroskopische Untersuchungen und Röntgenbeugungsanalysen konnte gezeigt werden, dass die Struktur der Oberflächenmembranen von roten Blutkörperchen, Nerven- und Muskelzellen, Bakterien, Plasmalemma von Pflanzenzellen u subzelluläre Strukturen, wie das endoplasmatische Retikulum, Mitochondrien, Zellkerne, Lysosomen und Chloroplasten. Biologische Membranen nehmen ein weites Gebiet ein (beispielsweise bedecken allein die Membranen der menschlichen Körperoberfläche eine Fläche von Zehntausenden von Quadratmetern) und spielen eine universelle regulierende Rolle im Stoffwechsel. Daher ist die Untersuchung der Struktur und Funktion biologischer Membranen eines der wichtigsten Ziele der Zytologie und Molekularbiologie. Die Funktionen biologischer Membranen sind vielfältig (siehe Tabelle 1). Indem sie die Zelle abdecken und vom externen Medium trennen, gewährleisten biologische Membranen die morphologische Integrität von Zellen und subzellulären Partikeln und deren Festigkeit und Elastizität. Durch die Aufrechterhaltung der ungleichmäßigen Verteilung von Kalium, Natrium, Chlor und anderen Ionen zwischen dem Protoplasma und dem äußeren Medium fördern sie die Entwicklung von Unterschieden der bioelektrischen Potentiale. Die Eigenschaften biologischer Membranen sind maßgeblich für die Erzeugung und Weiterleitung von Erregungen in Nerven- und Muskelzellen sowie an deren Kontaktstellen, also in den synaptischen Endigungen, verantwortlich. Biologische Membranen der Mitochondrien sind der Ort einer streng geordneten Anordnung der Enzyme, die an der Synthese energiereicher Verbindungen beteiligt sind.

Die funktionellen Eigenschaften biologischer Membranen hängen eng mit ihrer strukturellen Organisation zusammen und werden maßgeblich von ihr bestimmt. Bei der Untersuchung der Durchlässigkeit von Zellmembranen im Jahr 1902 beobachtete der deutsche Wissenschaftler E. Overton, dass in Lipiden leicht lösliche Substanzen die Membranen am leichtesten passieren und nahm an, dass Lipide in Oberflächenzellmembranen vorhanden sind. 1926 isolierten die amerikanischen Biologen E. Gorter und F. Grendel Lipide aus hämolysierten menschlichen roten Blutkörperchen und ordneten sie in einer monomolekularen Schicht auf der Wasseroberfläche an. Die Gesamtfläche dieser Schicht betrug ungefähr das Doppelte der Oberfläche der roten Blutkörperchen. Daraus schlossen sie, dass die Lipide biologischer Membranen in einer bimolekularen Schicht angeordnet sind. Die Oberflächenspannung einer Zellmembran (0,1 Millinewton pro m oder Dyn pro cm) ist geringer als die einer Schicht aus reinem Lipid (10 Millinewton pro m oder Dyn pro cm) und liegt nahe der Oberflächenspannung von Proteinen.

Tabelle 1. Einige Funktionen biologischer Membranen
FunktionTyp ol-Membran
Aktiver StofftransportAlle Arten
Allgemeine und selektive Diffusion kleiner Moleküle und IonenAlle Arten
Regulierung des Transports von Ionen und Stoffwechselprodukten innerhalb der ZellenAlle Arten
Elektroisolierende EigenschaftenMyelin
Erzeugung von NervenimpulsenMembranen von Nervenzellen
Umwandlung von Lichtenergie inMembranen von Chloroplasten
chemische Energie von Adenosintriphosphat (ATP)
Umwandlung der Energie der biologischen Oxidation in die Energie hochenergetischer Phosphatbindungen im Adenosintriphosphat (ATP)-MolekülMembranen von Mitochondrien
Phagozytose, Pinozytose, antigene EigenschaftenMembranen spezialisierter Zellen

Sie gingen daher davon aus, dass die bimolekulare Lipidschicht biologischer Membranen auf zwei Seiten von Proteinschichten bedeckt ist (&ldquosandwich&rdquo-Struktur). Die Untersuchung der Zelloberfläche mit einem Polarisationsmikroskop ergab, dass Lipidmoleküle senkrecht zur Zelloberfläche und Proteinmoleküle parallel dazu angeordnet sind. Die Verwendung der Methode der elektrischen Leitung ermöglichte es, die Kapazität der Zellmembran zu messen, die 1 Mikrofarad pro cm² betrug, und die Dicke der Lipidschicht zu berechnen, die sich mit 55 & Aacute herausstellte. Basierend auf diesen Erkenntnissen schlugen die englischen Biologen J. F. Danielli und H. Davson 1935 ein Modell einer biologischen Membran vor, das weitgehend mit modernen Vorstellungen über die Struktur biologischer Membranen übereinstimmt.

Durch Röntgenbeugungsanalyse, Elektronenmikroskopie und optische und biochemische Methoden wurde gezeigt, dass die Oberflächenzellmembran und die Membranen der subzellulären Partikel &ndashitochondrien, Kerne, Mikrosomen, Lysosomen und andere&mda eine ähnliche Struktur aufweisen. Sie bestehen aus einer 35 dicken bimolekularen Lipidschicht (meist Phospholipide) und zwei 20 A dicken Nichtlipidschichten (der amerikanische Forscher J. Robertson). Die äußere Oberfläche vieler biologischer Membranen ist mit Mucopolysacchariden bedeckt, und ihre innere Oberfläche ist mit strukturellem oder enzymatischem Protein ausgekleidet. Es wird angenommen, dass zwischen den Phospholipid- und Proteinmolekülen eine elektrostatische Anziehung besteht. Mitochondriale Membranen unterscheiden sich in ihrer Struktur etwas von Oberflächenzellmembranen (Abbildung 1). Die Phospholipide und Proteine ​​in der inneren Membran der Mitochondrien scheinen durch eine stabile hydrophobe Wechselwirkung miteinander verbunden zu sein und bilden Komplexe (Repetiereinheiten), aus denen die gesamte Membran aufgebaut ist.

Beim Verständnis der Struktur und Funktionen biologischer Membranen wurden wesentliche Fortschritte erzielt, indem Modelle dieser Membranen untersucht wurden, die aus einer bimolekularen Schicht von Phospholipiden bestehen. Die physikalischen Eigenschaften eines solchen Films ähneln denen natürlicher biologischer Membranen, er ist bis zu 61 &mgr;R dick und hat eine Kapazität von 1 Mikrofarad pro Quadratzentimeter. Die Zugabe einer kleinen Menge Protein zu der Lösung, in der die künstliche Membran badet, verringert ihren Widerstand stark (ungefähr 1000-mal) und nähert sich damit dem elektrischen Widerstand natürlicher biologischer Membranen an. Unter bestimmten Bedingungen können in einer solchen „rekonstruierten&rdquo Membran elektrische Schwingungen auftreten, die in Amplitude, Dauer und Entstehungsbedingungen den elektrischen Schwingungen in angeregten Nervenfasern ähneln. Die Zugabe eines Antibiotikums wie Valinomycin oder Gramicidin zu der die Membran badenden Lösung induziert eine selektive Permeabilität für Kalium- und Natriumionen. Biologische Membranen werden intensiv untersucht, und es wird erwartet, dass ihre Struktur und Funktionen in naher Zukunft vollständig aufgeklärt werden.


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  14. Zimmerberg, J., &. Kozlov, M.M. (2006). Wie Proteine ​​eine Zellmembrankrümmung erzeugen. Nature Bewertungen Molekulare Zellbiologie, 7(1), 9-19.
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  17. Richter, R.P., Bérat, R., & Brisson, A.R. (2006). Bildung von feststoffgestützten Lipiddoppelschichten: eine integrierte Ansicht. Langmuir, 22(8), 3497-3505.
  18. Marquardt, D., Geier, B., &. Pabst, G. (2015). Asymmetrische Lipidmembranen: hin zu realistischeren Modellsystemen. Membranen, 5(2), 180-196.
  19. Markones, M., Zorzin, C., Kalie, L., Fiedler, S., &. Heerklotz, H. (2017). Einstellung der Membranasymmetrie: Kontrollierte Aufnahme von negativ geladenen Lipiden in das äußere Segel der Liposomen. Biophysikalisches Journal, 112(3), 43a.

Ergänzende Referenzen:

Faller, R., Vorlesung: Grundlagen zu Membranen und Lipiden. In: Membranbiologie, UC Davis. 11. April 2017.


Das Institut für Schöpfungsforschung

Der zweite Artikel dieser Reihe enthielt eine Diskussion des Fox-Schemas oder thermischen Modells zur Überwindung der thermodynamischen Barriere für die Bildung von Proteinen (Aminosäurepolymere) und eine Diskussion anderer Polymerisationsschemata. Es wurde darauf hingewiesen, dass das thermische Modell von Fox eine Reihe von Bedingungen und Ereignissen beinhaltet, von denen die meisten auf jeder plausiblen primitiven Erde eine so verschwindend geringe Wahrscheinlichkeit gehabt hätten, dass die Gesamtwahrscheinlichkeit der Entstehung protenoider Mikrosphären durch natürliche Prozesse Null gewesen wäre . Es wurde weiter darauf hingewiesen, dass die durch einen solchen postulierten Prozess hergestellten Polymere in jedem Fall aus zufällig angeordneten Aminosäuren ohne signifikante biologische Aktivität bestanden hätten und daher das Modell von Fox keine Relevanz für den Ursprung lebender Systeme hat.

Das Problem der Überwindung der thermodynamischen Barriere bei der Polymerisation von Aminosäuren und Nukleotiden, so unlösbar es auch erscheinen mag, wird durch ein weitaus größeres Problem in den Schatten gestellt - den Ursprung der hochgeordneten, hochspezifischen Sequenzen in Proteinen, DNA und RNA, die diese ausstatten Moleküle mit ihren wunderbaren biologischen Aktivitäten. Proteine ​​haben im Allgemeinen von etwa hundert bis zu mehreren hundert Aminosäuren, die in einer genauen Reihenfolge oder Sequenz angeordnet sind. Zwanzig verschiedene Arten von Aminosäuren werden in Proteinen gefunden, so dass man sagen kann, dass die Protein-"Sprache" zwanzig Buchstaben hat. So wie die Buchstaben des Alphabets in einer genauen Reihenfolge angeordnet werden müssen, um diesen oder irgendeinen Satz zu schreiben, müssen die Aminosäuren in einer genauen Reihenfolge angeordnet sein, damit ein Protein biologische Aktivität besitzt.

Das menschliche Wachstumshormon hat 188 Aminosäuren, die in einer einzigartigen und präzisen Reihenfolge angeordnet sind. Ribonuclease, an enzyme that catalyzes the hydrolysis of ribonucleic acids (RNA), has 124 amino acids arranged in its own unique sequence. Bovine glutamate dehydrogenase, another enzyme, has six identical chains of 506 amino acids each. The alpha chain of human hemoglobin, the red blood protein, has 141 amino acids, and the beta chain has 146 amino acids. Hemoglobin is a complex which includes four protein molecules, two each of the alpha and beta proteins, plus iron, plus a complex chemical called heme.

The particular amino acid sequence of each of these protein molecules is responsible for their unique biological activity. Furthermore, a change of a single amino acid generally destroys or severely diminishes this activity. For example, some individuals inherit a defective gene which causes the amino acid valine to be substituted for glutamic acid at position 6 in the beta chain of their hemoglobin. The other 286 amino acids (the remaining 145 in the beta chain and the 141 in the alpha chain) remain unchanged&mdashonly one out of 287 amino acids is affected. The defect, however, causes sickle cell anemia, a disease that is invariably fatal.

The genetic messages are encoded in the genes, which are composed of DNA, via the specific sequence of the nucleotides. There are four different nucleotides, but each "letter" of the genetic "language" consists of a set of three of the four nucleotides. Sixty-four such sets (4 3 ) can be derived from these four nucleotides, and thus the genetic "language" has an alphabet of 64 "letters." Genes generally have from a hundred or so of these sets up to several thousand of the sets. This would require the precise ordering of three times that many nucleotides, since there are three in each set. The various kinds of RNA would have equal complexity.

As mentioned earlier in the section of the last article in this series, in which Fox's scheme was being discussed, when amino acids and nucleotides are combined, or polymerized, by chemical methods, the amino acids in polypeptides (proteins) and the nucleotides in polynucleotides (DNA and RNA) so derived are arranged in disordered, or random sequences, just as a string of letters typed by a monkey would be randomly arranged. For biologically active molecules to have arisen on the earth by naturalistic processes, there would have had to be some machinery or mechanism in existence to cause ordering of the subunits in a precise or nearly precise fashion.

The ordering mechanism would have had to be highly efficient, since the precise structures required for biological activity impose the severest restraints on the structures of these molecules, just as writing this sentence correctly allows one way, and one way only, for the letters composing it to be arranged. No such ordering mechanism has yet been suggested, nor could any exist under natural conditions. Once ordered sequences, such as enzymes, DNA and RNA, as well as complex energy-coupling and energy-generating systems existed, one might imagine how these ordered sequences could have been duplicated, but that would never explain the origin of these ordered sequences in the first place.

Some have imagined that random processes, given the four or five billion years postulated by evolutionists for the age of the earth, could have generated certain ordered sequences by pure chance. The time required for a single protein molecule to arise by pure chance, however, would exceed billions of times five billion years, the assumed age of the earth.

For example, only seventeen different amino acids (one of each) can be arranged in over 355 trillion (17 factorial) different ways. Put another way, 17 people could line up over 355 trillion different ways (if you don't believe it, get 16 friends together and try it!). Furthermore, if one were to arrange a sequence of 17 amino acids, and could choose from 20 (the number of different amino acids found in proteins) instead of 17, and were allowed to repeat amino acids (as would have been the case in the origin of proteins), about ten sextillion sequences could be obtained (20 17 , or 10 22 )!

Immense as these numbers are, it could be argued that their origin even by completely random processes would have a finite probability in five billion years. But 17 is far too short for biological activity. Proteins, DNA, and RNA usually contain hundreds of subunits. A sequence of 100 might be more realistic. One hundred amino acids of 20 different kinds could be arranged in 20 100 , or 10 130 different ways. What would be the probability of one unique sequence of 100 amino acids, composed of 20 different amino acids, arising by chance in five billion years?

Let it be illustrated in the following fashion. The number of different ways the letters in a sentence containing 100 letters of 20 different kinds could be arranged would be equal to the number of different protein molecules just mentioned (10 130 ). A monkey typing 100 letters every second for five billion years would not have the remotest chance of typing a particular sentence of 100 letters even once without spelling errors.

In fact, if one billion (10 9 ) planets the size of the earth were covered eyeball-to-eyeball and elbow-to-elbow with monkeys, and each monkey was seated at a typewriter (requiring about 10 square feet for each monkey, of the approximately 10 16 square feet available on each of the 10 9 planets), and each monkey typed a string of 100 letters every second for five billion years (about 10 17 seconds) the chances are overwhelming that not one of these monkeys would have typed the sentence correctly! Only 10 41 tries could be made by all these monkeys in that five billion years (10 9 x 10 16 x 10 17 divided by 10 = 10 41 ). There would not be the slightest chance that a single one of the 10 24 monkeys (a trillion trillion monkeys) would have typed a preselected sentence of 100 letters (such as "The subject of this Auswirkung article is the naturalistic origin of life on the earth under assumed primordial conditions") without a spelling error, even once.

The number of tries possible (10 41 ) is such a minute fraction of the total number of possibilities (10 130 ), that the probability that one of the monkeys would have typed the correct sentence is less than the impossibility threshold. The degree of difference between these two numbers is enormous, and may be illustrated by the fact that 10 41 times a trillion(10 12 ) is still only 10 53 , and 10 53 times a trillion is only 10 65 , 10 65 times a trillion is only 10 77 , etc. In fact, 10 41 would have to be multiplied by a trillion more than seven times to equal 10 130 . Even after 10 41 tries had been made, there would still be much, much more than 10 129 arrangements that hadn't yet been tried (10 41 is such an insignificantly small number compared to 10 130 that 10 130 - 10 41 is about equal to 10 130 minus zero!).

Considering an enzyme, then, of 100 amino acids, there would be no possibility whatever that a single molecule could ever have arisen by pure chance on the earth in five billion years. But if by some miracle it did happen once, only a single molecule would have been produced, yet billions of tons of each of many different protein, DNA, and RNA molecules would have to be produced. The probability of this happening, of course, is absolutely nil. It must be concluded, therefore, that a naturalistic origin of the many biologically active molecules required for the most primitive organism imaginable would have been impossible.

Origin of Stable, Complex, Biologically Active Systems

The problem of explaining the manner in which the above macromolecules became associated into systems that would have had even the most rudimentary ability to function as metabolically active systems capable of assuring their own maintenance, reproduction, and diversification is tremendously more complex and difficult than any attempts to explain the origin of the macromolecules themselves. Green and Goldberger have stated, " . the macromolecule-to-cell transition is a jump of fantastic dimensions, which lies beyond the range of testable hypothesis. In this area all is conjecture. The available facts do not provide a basis for postulating that cells arose on this planet." 1 Kerkut, in his little book exposing the fallacies and weaknesses in the evidence usually used to support evolution (although he, himself, is not a creationist) said, "It is therefore a matter of faith on the part of the biologist that biogenesis did occur and he can choose whatever method of biogenesis happens to suit him personally the evidence for what did happen is not available." 2

Nevertheless, there are those who persist in attempts to provide a rational explanation for bridging the vast chasm separating a loose mixture of molecules and a living system. The extent of this chasm is enormous when we view the two extremes &mdash an ocean containing a random mixture of macromolecules &mdash proteins, nucleic acids carbohydrates) and other molecules essential for life, in contrast to an isolated, highly complex, intricately integrated, enormously efficient, self-maintaining and self-replicating system represented by the simplest living thing.

Assuming that there was, at one time, an ocean full of these marvelous macromolecules that somehow had become endowed with at least some measure of "biological" activity, one must explain, first of all, how these macromolecules disassociated themselves from this dilute milieu and became integrated into some crude, but functional and stable system.

We can say immediately that under no naturally occurring conditions could complex systems spontaneously arise from a random mixture of macromolecules. There is absolutely no tendency for disordered systems to spontaneously self-organize themselves into more ordered states. On the contrary, all systems naturally tend to become less and less orderly. The more probable state of matter is always a random state. Evolution of life theories thus contradict natural laws. Nevertheless, evolutionists persist in speculating that life arose spontaneously.

Oparin's Coacervate Theory

Because of limitation of space, only one theory, that of A. I. Oparin, the Russian biochemist and pioneer in origin of life theories, will be discussed. Most of the basic objections to his theory are applicable to Fox's microspheres and all similar suggestions. Oparin has proposed that coacervates may have been the intermediates between loose molecules and living systems (a review of Oparin's proposals may be found in Kenyon and Steinman 3 ). Coacervates are colloidal particles which form when macromolecules associate with one another and precipitate out of solution in the form of tiny droplets. Complex coacervates are those that form between two different types of macromolecules. For instance, such a coacervate will form between a histone, which is a basic protein, and a nucleic acid, which is acidic. Another example is the coacervate that will form from a complex of gelatin (basic, and thus positively charged) and negatively charged gum arabic.

Oparin, and others, have claimed that complex coacervates possess properties that may have enabled them to form protocells. It was shown that certain coacervates absorbed enzymes from the surrounding medium and that these enzymes were able to function inside the coacervate. 4,5 It should be understood, however, that the association of macromolecules to form coacervates, and the absorption of molecules from the surrounding medium, is due to simple chemical and physical phenomena, and is thus not selective, self-organizing or stable. Basic histones and nucleic acids form coacervates simply because one is basic, thus positively charged, and one is acidic, and thus negatively charged. There is a simple electrostatic attraction between the two. Basic histones, of course, would attract irgendein acidic, or negatively charged, particles, and nucleic acids would attract irgendein basic, or positively charged, particles. This attraction would not be selective, and if a chaotic mixture prevailed in the medium, the coacervates would be a chaotic mixture.

Enzyme activity is only useful when it is coordinated with other enzyme activities. We have already given reasons why it would have been impossible for any one particular macromolecule, such as a protein enzyme, to have been formed in any significant amount. But suppose that it did just happen that a few enzyme molecules were absorbed into a coacervate. The action of this enzyme would have been meaningless and useless unless some other enzyme was also present which produced the substrate for the first enzyme, and unless there was another enzyme that could utilize its product. In other words, it would be useless for a coacervate to convert glucose1-phosphate into glucose-6-phosphate unless it also possessed a source of glucose-1-phosphate and unless it could further utilize the glucose-6-phosphate once it was produced. A factory that has no source of raw materials, or which has no market for its product must shut down in a short time. Living systems are extremely complex, having hundreds of series of metabolic pathways perfectly coordinated and controlled. Substrates are passed along these pathways as each enzyme performs its highly specialized chemical task, and coordination in space and time is such that each enzyme is provided with a controlled amount of substrate, and the successive enzyme is there to receive the substrate and in turn to perform its task. Each chemical task performed is useful and purposeful because it is coordinated in a marvelous way with all the other activities of the cell.

Without this coordination, enzyme activity would not only be useless, it would be destructive. Let us assume, for example, that a proteolytic enzyme (this is an enzyme which catalyzes the hydrolysis, or breakdown, of proteins) somehow did arise in the "primordial soup" and this enzyme was absorbed into a coacervate or one of Fox's proteinoid microspheres. The results would be totally disastrous, for the enzyme would "chew up" all the protein in sight, and that would be the end of the coacervate or microsphere! Similarly, a deaminase would indiscriminately deaminate all amines, a decarboxylase would decarboxylate all carboxylic acids, a DNAse would break down all DNA, and an RNAse would break down all RNA. Uncontrolled, uncoordinated enzymatic activity would be totally destructive.

Such control and coordination in a coacervate, microsphere, or other hypothetical system would have been nonexistent. The complex metabolic pathways and control systems found in living things owe their existence to the highly complex structures found only within living things, such as chloroplasts, mitochondria, Golgi bodies, microsomes, and other structures found within the cell. Some of these are enclosed within membranes, and the cell, itself, is of course, enclosed within a very complex, dynamically functioning multi-layered membrane. Control and coordination, absolutely essential to any living thing or to any metabolically active system, could only exist through the agency of complex structures similar to those mentioned above, but they, in turn, can only be produced by complex, metabolically active systems. One could not arise or exist in the absence of the other. They must have coexisted from the beginning, rendering evolutionary schemes impossible.

Another very serious objection to the idea of Oparin's coacervates is their inherent instability. They form only under special conditions, and readily dissolve with dilution, shift in pH, warming, pressure, etc. This instability has been cited by Fox 6 , by Young 7 , and by Kenyon and Steinman. 8 Instability is a most fundamental objection to any type of system that can be proposed to bridge the gap between molecules and living cells. All of these proposed models, whether they be Oparin's coacervates, Fox's microspheres, or any other model, suffer this basic and fatal weakness. One of the reasons living cells are stable and can persist is that they have membranes that protect the system within the membrane and hold it together. The membrane of a living cell is very complex in structure and marvelous in its function. A coacervate or a protein microsphere may have a pseudomembrane, or a concentration or orientation of material at the point of contact with the surrounding medium that gives it the appearance of having a membrane. There are no chemical bonds linking the macromolecules in this pseudomembrane, however, and it is easily broken up, and the contents of the coacervate or microsphere are then released into the medium.

Since these coacervates have this inherent instability, no coacervate could have existed for a length of time that would have had any significance whatsoever to the origin of life. Even if we could imagine a primitive "soup" concentrated sufficiently in macromolecules to allow coacervates to form, their existence would have been brief. Any organization that may have formed in these coacervates by any imaginable process would then have been irretrievably lost as the contents of the coacervate spilled out into the medium.

Theories that attempt to account for the origin of stable metabolic systems from loose macromolecules thus suffer from a number of fatal weaknesses. First is the requirement that the necessary macromolecules be produced in sufficiently vast amounts to saturate the primeval seas to the point where complex coacervates or protenoid microspheres would precipitate out of solution. Secondly, such globular products are inherently unstable and would easily be dissolved or disintegrated, spilling their contents out into the medium. Geological ages, however, would have been required for a loose system to evolve into a stable, living cell, assuming such a process were possible at all. As we have seen above, however, there is no tendency at all for complex systems to form spontaneously from simple systems. There is a general natural tendency, on the other hand, for organized systems to spontaneously disintegrate to a disordered state. Thirdly, even if it were imagined that a coacervate of some kind could accrete or inherently possess some catalytic ability, this catalytic ability would have been purposeless, and thus useless, and actually destructive.

The Origin of the First Completely Independent, Stable, Self-Reproducing Unit&mdashThe First Living Cell

The simplest form of life known to science contains hundreds of different kinds of enzymes, thousands of different kinds of RNA and DNA molecules, and thousands of other kinds of complex molecules. As mentioned above, it is enclosed within a very complex membrane and contains a large number of structures many of which are enclosed within their own membrane. The thousands of chemical reactions which occur in this cell are strictly coordinated with one another in time and space in a harmonious system, all working together towards the self-maintenance and eventual reproduction of this living cell. Every detail of its structure and function reveals purposefulness its incredible complexity and marvelous capabilities reveal a master plan.

It seems futile enough to attempt to imagine how this amazingly complex system could have come into existence in the first place in view of the vast amount of contradictory evidence. Its continued existence from the very start, however, would have required mechanisms especially designed for self-maintenance and self-reproduction. There are numerous injurious processes which would prove fatal for the cell if repair mechanisms did not exist. These injurious processes include dimerization of the thymine units in DNA, deamination of cytosine, adenine, and guanine in DNA and RNA, deamidation of glutamine and asparagine in proteins, and the production of toxic peroxides, just to cite a few. The cell is endowed with complex, defense mechanisms, in each case involving an enzyme or a series of enzymes. Since these defense mechanisms are absolutely necessary for the survival of the cell, they would have had to exist from the very beginning. Life could not have waited until such mechanisms evolved, for life would be impossible in their absence.

The ultimate fate of a cell or any living thing is death and destruction. No dynamically functioning unit therefore can survive as a species without self-reproduction. The ability to reproduce, however, would have had to exist from the very beginning in any system, no matter how simple or complex, that could have given rise eventually to a living thing. Yet the ability to reproduce requires such a complex mechanism that the machinery required for this process would have been the letzte thing that could possibly have evolved. This dilemma has no solution and thus poses the final insuperable barrier to the origin of life by a naturalistic process.

We conclude that a materialistic, mechanistic, evolutionary origin of life is directly contradicted by known natural laws and processes. The origin of life could only have occurred through the acts of an omniscient Creator independent of and external to the natural universe. "In the beginning God created" is still the most up-to-date statement we can make concerning the origin of life.


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