Ich meinte, das perfekte Valentinstaggeschenk für meine Freundin Amy gefunden zu haben. Damals sind wir nur miteinander ausgegangen. Ich habe ihr ein Gizmo Stofftier gekauft. Vorigen Sommer hatten wir den Horrorkomödienfilm Gremlins: Kleine Monster(1984) gesehen und genossen. Gizmo ist die Hauptfigur im Film. Er ist ein niedlicher, süßer Mogwai (eine erfundene Spezies). Als ich das Gizmo Stofftier auf dem Regal im Laden sah, konnte ich ihm nicht widerstehen. Ich dachte, er wurde Amy wirklich gefallen, dieser Mogwai. In der Wirklichkeit war sie nicht gerade begeistert davon. Im Nachhinein ist mir klar, ich hätte ihr lieber eine Schachtel Prälinen schenken sollen.
Obwohl das Stoff-Mogwai Amy nicht so begeisterte, ändert das nichts an die Begeisterung vieler Horror-Fans für den Film Kleine Monster. Die Handlung entfaltet sich nachdem der Teenager Billy Peltzer einen Mogwai von seinem Vater als Geschenk kriegt. Der hatte den niedlichen, flauschigen, süßen Mogwai von einem Antiquitätenhändler in Chinatown gekauft. Aber dieser gab Billys Vater diese drei Warnungen:
Setzt den Mogwai nie dem Sonnenlicht aus. Sonnenlicht ist für den tödlich.
Der Mogwai darf nie in Kontakt mit Wasser kommen.
Futtere einen Mogwai nie nach Mitternacht.
Wie man erwarten würde, verschüttet ein Freund von Billy Wasser auf Gizmo, woraus viele weitere Mogwai entstehen. Diese neuen Mogwai sind viel schelmischer als Gizmo und durch einen Trick bringen sie Billy dazu, sie nach Mitternacht zu futtern. Nachdem sie gefressen haben, bilden sie Kokons. Später schlüpfen sie in einer mutierten, reptilartigen Form aus. Diese sind die “Gremlins”, die kleinen Monster. Der Anführer dieser kleinen Monstertruppe heißt Stripe. Er entkommt dem Peltzer Haus. Stripe springt in einem Schwimmbecken im CVJM Gebäude.Das bringt etliche Gremlins hervor, die dann Chaos im Dorf verrichten.
Diese Katastrophe findet statt, weil, ohne, dass Billys Vater eine Ahnung davon hatte: Mogwai haben zwei Formen. Die eine ist niedlich und brav, die andere, hässlich und böswillig.
Die Nukleinbasen der DNS können gut oder schlecht sein Wie die Mogwai haben die Nukleinbasen, die zur Struktur der DNS beitragen, zwei Formen, die man Tautomeren nennt. Biochemiker wissen sehr wohl, dass ein Tautomer gutartig ist. Dieses trägt zur strukturellen Stärke der DNS bei. Die andere Form ist schädlich und bringt während der DNS-Replikation Mutationen hervor.
Ein Forscher des Trinity College in Dublin, Irland hat Tautomerismus in den DNS-Nucleobasen untersucht und entdeckt, es könnte wirklich viel schlimmer sein.1 Es stell sich heraus, dass die Zusammensetzung der DNS-Nukleinbasen ideal ist. Wenn DNS sich aus anderen Nukleinbasen (und diese waren vermutlich auf der frühen Erde vorhanden) zusammengesetzt hätte, wären die durch den Tautomerismus der Nukleinbasen Mutationen viel häufiger vorgekommen. Dadurch wäre Leben wahrscheinlich unmöglich.
Diese Einsicht in die Natur des Tautomerismus in den DNS Nucleobasen stärkt das grundlegende Verständnis der DNS-Struktur für Wissenschaftler. Diese Beantwortet eine wichtige “Warum”-Frage: nämlich, warum würden Adenin, Guanin, Thymin und Cytosine ausgewählt, so dass genau sie die Struktur der DNS bilden? Die Antwort hat auch philosophische und theologische Dimensionen. Die Struktur der DNS weist eine Art biochemischer Feinabstimmung auf. Diese wiederspiegelt eine Logik der Moleküle. Beide weisen darauf hin, dass die Struktur der DNS durch das Wirken eines intelligenten Agenten entstanden sein muss.
Bevor ich mich mit dieser Forschung auseinandersetze und die teleologischen Folgen erkläre, halte ich es für nützlich, die Struktur der DNS kurz zu erklären. Wenn Sie schon mit der Struktur der DNS vertraut sind, scrollen Sie ruhig bis zum Abschnitt Tautomeren weiter.
Die Struktur der DNS DNS besteht aus zwei ketten-förmigen Molekülen (Polynucleotiden), die sich auf einander ausrichten und dehnen sich, um die Doppelhelix der DNS zu formen. Die Maschinerie der Zelle generiert Polynucleotidenketten dadurch, dass sie vier Untereinheiten, Nukleotiden, zusammenkettet. DNS wird aus den Nukleotiden Adenosin, Guanosine, Cytosin, und Thymine gebildet. Man verwendet oft die bekannten Abkürzungen A, G, C, und T. Die Nukleotidenmolekulen, die diese Strängen der DNS ausmachen, sind komplexe Moleküle (siehe Abb.1) und bestehen aus einem Phosphatteil und einer Nukleobase (Adenin, Guanin, Cytosin, oder Thymin), die sich zu einem 5-Kohlenstoffzucker (Deoxyribose) zusammensetzen.
Abbildung 1: DNS Nukleotid Bildnachweis: Shutterstock
Das Rückgrat eines DNS Stranges besteht aus abwechselnden Phosphatteilen und Deoxyriboseteilen. Dieses alternierende Rückgrat entsteht dadurch, dass die Maschinerie der Zelle immer wieder die Phosphatgruppe eines Nukleotides mit der Deoxyriboseneinheit eines anderen Nukleotides bindet. Die Nukleobasen strecken sich in Form von Seitenketten des DNS-Rückgrates wie Leitersprossen aus und dienen als Wechselwirkungsstellen, wenn die zwei DNS-Strangen sich auf einander ausrichten und sich in die Form der Doppelhelix dehnen (Abbildung 2).
Abbildung 2: Die Struktur der DNS Bildnachweis: Shutterstock
Wenn sich die zwei DNS-Strangen aufeinander ausrichten, greifen die Seitenketten des Adenin (A) des einen Stranges immer in die Seitenketten des Thymin (T) des anderen Stranges. Ebenfalls greifen die Seitenketten des Guanins (G) des einen DNS-Stranges immer in die Seitenketten des Cytosins (C) des anderen Stranges.
Wenn die Seitenketten sich paarweise anordnen, bilden sie Querbrücken zwischen den zwei DNS-Strangen. Die Länge dieser A-T und G–C Querbrücken ist fast identisch. Adenin und Guanin bestehen aus zwei Ringen und Thymin (Uracil) und Cytosin bestehen aus einem Ring. Jede Querbrücke besteht aus drei Ringen.
Wenn A sich mit T verbindet, regeln zwei Wasserstoffbindungen die Interaktion dieser zwei Nukleinbasen. Drei Wasserstoffbindungen regeln die Interaktion zwischen G und C. Die Spezifizität der Wasserstoffbindungsinteraktionen erklärt die Regeln für die A-T und G-C Basenpaarung (Abbildung 3).
Abbildung 3: Basenpaarung in DNS Bildnachweis: Shutterstock
Tautomerismus Tautomeren sind Paare organischer Bindungen, die gegenseitig ineinander umwandeln durch eine besondere chemische Reaktion, die man Tautomerisierung nennt. Diese Reaktion geschieht durch den Tausch von aneinander grenzenden Einzel- und Doppelbindungen zusammen mit der formellen Migration eines Wasserstoffatomes, von einem Atom, das an der ersten Einzelbindung beteiligt war, zu einem Atom, das an die neue Einzelbindung beteiligt ist (das folgt aus dem Wechsel der Einzel- und Doppelbindungen).
Das bekannteste Beispiel des Tautomerismus nennt man Keto-Enol-Tautomerization (Figur 4).
Wenn eine chemische Verbindung tautomerisierungsfähig ist, wird spontan beide Tautomeren generieren (Keto und Enol), wenn sie in eine Lösung aufgelöst werden, wenn die Zustände richtig sind. Die Keto-Form der Keto-Enol-Tautomeren ist chemisch viel stabiler und ist die thermodynamisch-stärkere Form. Aus diesem Grund wird die Keto-Form in einer Lösung in einer viel höheren Konzentration erscheinen, als die Enol-Form es wird. Es existieren nicht nur Keto-Enol Tautomeren, sondern auch andere Tautomeren, zum Beispiel die Amid-Imid-Tautomeren, Amin-Imin-Tautomeren und die Lactam-Lactim-Tautomeren (Abbildung 5).
Abbildung 5: The Most Common Types of Tautomers Bildnachweis: Wikipedia
Tautomerismus und DNS Die Nukleinbasen in DNS gehen alle in Tautomerisierungsreaktionen in einer Lösung ein.
Adenin und Cytosin wandeln zwischen den Amino und Imino Formen um (hier ist die Amino-Form der Keto-Form analog und die Imino-Form der Enol-Form Analog). Die Amino-Form ist für Adenin und Cytosin vorherrschend, weil dieser Tautomer thermodynamisch stabiler ist.
Guanin und Thymine wandeln zwischen den Lactam und Lactim-Formen um (hier ist die Lactam-Form der Keto-Form analog und die Lactim-Form der Enol-From analog). Die Lactam-Form ist für Guanin und Thymin vorherrschend, weil dieser Tautomer thermodynamisch stabiler ist.
Die Folgen von Tautomerisierung sind für Nukleinbasen nicht gut. Die Wasserstoffbindungsinteraktionen der Imino-Formen von Adenin und Cytosin und die Lactim-Formen von Guanin und Thymin unterscheiden sich von den Amino- und Lactam-Formen. Diese Unterschiede können zu falschen Paarungen der Nukleinbasen der zwei DNS-Strangen führen, was wiederum zu Mutationen während DNS-Replikation führt.
Die Hauptfunktion der DNS ist es, Information zu speichern, die die Zelle braucht, um ihre Komponenten und die zellularen Maschinen zu bauen, die lebensnotwendigen Prozessen in der Zelle ausführen Tautomerismus der DNS Nukleinbasen gefährdet die Integrität dieser Information in den Nukleotidensequenzen der DNS, weil er zu falschen Paarungen führt, die dann zu Mutationen führen, die dann die Integrität der in der DNS-gespeicherten Information beeinträchtigen.
DNS ist optimiert, die schädliche Wirkungen des Tautomerismus einzugrenzen Weil Nukleinbasen so wichtig sind, forschte D. A. Mac Dónaill vom Trinity College den Tautomerismus in DNS im Hinblick auf eine größere Frage: Warum wurden diese vier Nukleinbasen Adenin, Guanin, Cytosine, und Thymin für DNS selektiert?
Mac Dónaill weist darauf hin, dass DNS besser dran wäre, wenn sie aus mehr als vier Nukleinbasen bestände (daher auch mehr als vier Nukleotiden-Untereinheiten). Eine größere Auswahl an Nukleotiden-Untereinheiten hätte es möglich gemacht, dass die Information in DNS, die die komplexe Funktionalität der Zellenmaschinerie spezifiziert, in kürzeren Sequenzen gespeichert werden könnte.
Ist die Natur dann nur durch den reinsten Zufall ungelenkter, historischen-kontingenter Evolutionsfolgen über diese vier Nukleinbasen gestolpert? Hat die prebiotische Verfügbarkeit einen Einfluss gehabt? Gab es andere Gründe?
Diese Fragen zu beantworten hat Mac Dónaill quantenmechanische Rechnungen durchgeführt, so dass er die Stabilität der Tautomeren, die in der Natur vorkommen, mit der Stabilität der Tautomeren, die nicht in der Natur vorkommen (wie Isoguanin, Isocytosin, und Xantin) vergleichen konnte. Er lernte, dass die “Keto”-Formen von Adenin, Guanin, Cytosin, und Thymin stabiler als die “Enol”-Formen waren, wenn man sie mit den Tautomeren der nicht-natürlichen Nukleinbasen in seiner Studie vergleicht. Diese größere Stabilität der “Keto”- Form der Nukleinbasen in DNS minimiert signifikant die Gefahr einer falschen Paarung der Nukleinbasen. Wenn andere Nukleinbasen für DNS gewählt worden wären, wäre die Lage viel schlimmer gewesen. Das heißt, die Nukleinbasen woraus DNS gemacht wird, scheinen eine auf einzigartiger Weise optimierte Zusammenstellung zu sein, die diese Informationsstabilität der DNS dadurch sichert, dass sie die falsche Paarung solcher Basen durch Tautomerismus minimiert.
Weitere Forschung (die ich in The Cell’s Design und Fit for a Purpose beschreibe) weist darauf hin, dass die vier Nukleinbasen der DNS weitere einzigartige Eigenschaften haben. Zum Beispiel: die Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin Paaren sind die einzigen, die die Doppelhelix verformen, wenn die Basen falsch gepaart werden.
Die vier Nukleinbasen sind auch einzigartig fotostabil. Adenin, Guanin, Cytosin, und Thymin widerstehen der schädlichen Wirkungen der UV-Strahlung besser als die nicht-natürlichen Nukleinbasen. Mit anderen Worten weisen die Nukleinbasen der DNS eine multidimensionale Optimalität auf, die die Informationsintegrität der molekularen Struktur der DNS schützt.
DNS und das Argument für Design In meinen Büchern The Cell’s Design und Fit for a Purpose beschreibe ich wie die anderen Eigenschaften der Zusammensetzung und Struktur der DNS fürs Informationsspeichern in einem molekularen System optimiert sind. Diese Einsicht von Mac Dónaill zeigt uns weitere optimierten Eigenschaften der Struktur der DNS.
In den Ingenieurwissenschaften ist Optimierung ein Synonym für gutes Design. Optimierte, genau angepasste Systeme entstehen nicht spontan von sich aus—sie werden gemacht, weil Techniker ihre Gestaltung und Konstruktion sorgfältig optimieren. Optimierung verlangt Voraussicht, Planung und genaues Achten auf die Einzelheiten. Die optimierte Struktur der DNS ist prima facie Beweis dafür, dass sie von einem intelligenten Agenten geplant und gestaltet wurde. .
Die Struktur der DNS und anthropische Zufälle Das Argument für die absichtliche Gestaltung der DNS reicht weiter als die optimierte Struktur der DNS. Die Feinabstimmung der Struktur der DNS deutet auf eine tiefere und reichere Teleologie hin.
Die rationale und molekulare Logik, die der Auswahl der vier Nukleinbasen der DNS zugrunde liegt, die es unwahrscheinlich erscheinen lassen, dass ungelenkte, ziellose, historisch-kontingente Prozesse der Evolution auf diese vier Nukleinbasen der DNS stolpern würden. Wenn das die Erklärung der Struktur der DNS wäre, würden wir erwarten, dass die Zusammensetzung der Nukleinbasen der DNS keine Planmäßigkeit erweisen würde.
Es ist auch unwahrscheinlich, dass die natürliche Auslese allein die Auswahl der DNS-Nukleinbasen erklären kann. Diese Erklärung wäre glaubwürdig, wenn die Nukleinbasen nur für eine Eigenschaft optimiert wären. Aber die Nukleinbasen der DNS sind gleichzeitig für mindestens drei Eigenschaften optimiert. Es ist bemerkenswert—und ein wenig unheimlich—dass die Adenin-Thymin und Guanin-Cytosin Paaren scheinen allein und einzig diese drei Eigenschaften zu haben: (1) feinabgestimmte tautomerische Stabilität, (2) feinabgestimmte Fotostabilität, und (3) die feinabgestimmte Fähigkeit, die Doppelhelix umzuformen, wenn Nukleinbasen falsch gepaart werden. Wie wahrscheinlich ist das? Das gleichzeitige Erscheinen dieser feinabgestimmen Eigenschaften der DNS-Nukleinbasen kann kein Zufall sein. Es muss eine weitere Erklärung geben.
Ich würde behaupten, dass die feinabgestimmten, lebenskritischen Eigenschaften von Adenin, Guanin, Cytosin, und Thymin auf ein biochemisches anthropisches Prinzip hindeuten. Das heißt, sie scheinen durch die Naturgesetze vorabgestimmt zu sein. Die Zusammensetzung der DNS-Nukleinbasen scheint durch die Naturgesetze vorgegeben zu sein. Diese Gesetze schränken die Zusammensetzung der Nukleinbasen (und die übrige DNS-Struktur) ein. Diese Einschränkungen ergeben einen Satz Nukleinbasen mit genau den notwendigen Eigenschaften, die sicher stellen, dass DNS optimal für ihre Rolle als „molekularer Datenspeicher“ funktioniert—und diese Eigenschaft ist unabdingbar für die Existenz des Lebens. Stellt sich heraus, genau diese Gruppe der Nukleinbasen perfekt geeignet für die Funktion der DNS ist.
Dass heißt, DNS scheint, einzigartig einem Zweck angepasst zu sein. Diese Zweckmäßigkeit ist kennzeichnend für vorsätzliches Design.
Kraft dieser feinabgestimmten Zusammensetzung der DNS-Nukleinbasen ist DNS weniger anspruchsvoll als der Mogwai. Sie hält Licht stand. Sie kann nass werden. Und sie bewahrt die strukturelle Integrität, sich zu vervielfältigen. Das geschieht dank ihres Designs.
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