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Evolution

Der Hypercyclus

Abb.1

Die Bildung der monomeren Bausteine, die frühe Polymerisation, die Nutzung von Energiequellen und schließlich die Bildung erster Kompartimente (also praktisch erster Zellen) sind nur die chemischen Voraussetzungen für die Entwicklung des Lebens. Aber, wie hat sich der Informationsfluss entwickelt und welche Faktoren haben dazu geführt, dass wir heute diese enorme Vielfalt an Lebewesen haben?

Der Göttinger Nobelpreisträger Manfred Eigen hat versucht, mit einfachen Modellen die Entwicklung der Information nachzuvollziehen. Aber selbst die einfachen Modelle sind schon vergleichsweise kompliziert. Eigen geht bei seinen Modellen bereits von entwicklungsfähigen Systemen aus, indem er als Triebfeder für die Weiterentwicklung der Systeme kleine oder größere Veränderungen der Umgebung – wir würden es heute Umwelt nennen – simuliert. Seine Vorstellungen lassen sich sehr gut mit dem Würfelspiel erläutern.

Beispiel

Würfelspiele sind Zufallsgeneratoren und daher besonders geeignet, Langzeitprozesse zu beschreiben. Je länger der zur Verfügung stehende Zeitraum, desto größer die Wahrscheinlichkeit, dass auch unwahrscheinliche Ereignisse eintreten. Da Zeit bei der Entwicklung des Lebens ganz offenbar ausreichend vorhanden war, kann Eigen auch extreme Ereignisse als realisierbar darstellen.

Das "Würfelspiel zwischen Teufel und Gott" ist ein gutes Beipiel. Ausgangspunkt ist ein Feld mit 10 x 10 Kugeln, die eine von vier Farben tragen. Nimmt nun der Teufel wahllos eine Kugel heraus, so verschwindet diese Kugel und ein Vertreter der entsprechenden Farbe irreversibel. Wählt Gott eine Kugel aus, so legt er sie an den ursprünglichen Platz zurück und besetzt das freie Feld mit einer Kugel mit derselben Farbe wie die ausgewählte Kugel. Erstaunlich aber wahr: Nach einer endlichen Anzahl von Zügen (die Zahl kann sehr hoch sein!) gewinnt immer eine Farbe die Oberhand.

Aus der Versuchsanordnung wird unmittelbar klar, dass man die Randbedingungen variieren kann. Man kann an Stelle einer gleichmäßigen Verteilung der Kugeln eine ungleichmäßige Verteilung wählen. Man kann auch die Rolle des Teufels dadurch variieren, dass er stets zwei Kugeln derselben Farbe entfernt, bevor Gott zwei Kugeln einfügt. Je nachdem, ob Gott einmal oder zweimal - also identische Farben oder verschiedene Farben - in das Brett einlegt, fällt das Ergebnis unterschiedlich aus. In jedem Fall aber ist das Feld schneller einfarbig. Wir können also durch Änderung der Rahmenbedingungen, die Entwicklung in eine bestimmte Richtung erzwingen.

Wenn nun diese Rahmenbedingungen dazu führen, dass das so entstandene System einen Überlebensvorteil hat, wird sich dieses System durchsetzen. Ändern sich die Rahmenbedingungen aber erneut, muss das System reagieren können. Entweder es fällt in den alten Zustand zurück oder es adaptiert sich erneut. So schließen sich zahlreiche Entwicklungszyklen aneinander an. Eigen nennt das einen Hypercyclus.

Diese Vorstellung hat dazu geführt, neuartige Experimente zu entwerfen, die in die Synthese den Zufallsaspekt einführten. Daraus ist eine moderne Methode geworden, die wir heute evolutive Chemie nennen.

Definition
Der Hypercyclus ist ein katalytisches System, in dem ein kurzes, tRNA-ähnliches Polynucleotid für die Aminosäure-Sequenz eines kleinen Proteins codiert, das seinerseits die Produktion eines anderen Polynucleotids katalysiert. Der Cyclus wird solange fortgesetzt, bis er dadurch geschlossen wird, indem ein schon vorhandenes Polynucleotid katalysiert wird.

Bei autokatalytischen Hypercyclen spricht man von molekularer Selbstorganisation, das bedeutet also, dass sich selbst reproduzierende Einzelcyclen wiederum zu einem Cyclus verbinden. Eigen ist der Meinung, dass das Leben aus dem molekularen Chaos der Ursuppe durch eben solchen Hypercyclus entstand. Es gibt ein Kugelspiel von ihm, dass sich damit befasst.

Beispiel

Die Grundelemente des Spieles "Hypercyclus" sind Zufall und Gesetz. Elementare Ereignisse sind nicht bestimmbar. Es sind aber gewisse Muster, Gesetze von Selektion und Evolution erkennbar. Zu den Ergebnissen des Spieles zählen Gleichgewicht, Wachstum und Evolution. In diesem Spiel werden auch Einzelcyclen miteinander verknüpft. Aus der Konkurenz untereinander wird nun eine Kooperation. Dir Reproduktion der Einzelnen ist autokatalytisch und nicht linear. Es folgt dem "Alles oder Nichts"-Prinzip. In diesem Spiel werden vier verschiedene Farben benutzt, die einen Hypercyclus beschreiben. Das Spielbrett hat eine 8 x 8 Koordinateneinteilung und es wird ein Oktaederwürfel genutzt. Zuerst werden 16 Kugeln jeder Farbe auf das Spielfeld gebracht. Dann wird gewürfelt. Der erste Wurf gibt die Koordinaten für die Kugel an, die herausgenommen werden muss. Der zweite Wurf gibt an, welche Kugel verdoppelt werden darf. Sie darf aber nur dann verdoppelt werden, wenn auf einem der vier orthogonalen Nachbarfelder eine Kugel der im Spektrum vorangehenden Farbe sitzt. Definition der Farben: A = rot, B = gelb, C = grün, D = blau Im "Spektrum vorangehende" Farben: rot(A) für gelb(B), gelb(B) für grün(C), grün(C) für blau(D), blau(D) für rot(A). Eine neue Kugel der getroffenen Farbe kommt dann auf die mit dem ersten Wurf entstandene Lücke. Dieser Ablauf wird ständig wiederholt. Es kommt mehrmals zu einem Auf und Ab der einzelnen Farbgrößen. Ein solcher Cyclus bricht aber zusammen, wenn auch nur eine Farbe ausstirbt. Die Farbe, die am Anfang des Spieles dominant über allen hervorsticht, muss letztendlich nicht der Sieger dieses Spieles sein.

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