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{{Dieser Artikel|behandelt eine Erklärung für die präbiotische Entstehung von Leben. Zur Geometrie siehe [[Hyperzyklus (Geometrie)]].}}

Ein '''Hyperzyklus''' ist eine zyklische Folge von sich selbst reproduzierenden Einzelzyklen. Diese Einzelzyklen bestehen aus [[RNA]]- und [[Protein]]molekülen, die durch [[Rückkopplung]] voneinander abhängen und [[Kooperation|kooperieren]]. Die von [[Manfred Eigen]] und [[Ruthild Winkler]] beschriebenen Hyperzyklen liefern eine [[in vitro]] nachvollziehbare Erklärung für die präbiotische Entstehung [[Replikation|replikativer]] chemischer Systeme.<ref name="PMID1932025">M. Eigen, C. K. Biebricher u. a.: ''The hypercycle. Coupling of RNA and protein biosynthesis in the infection cycle of an RNA bacteriophage.'' In: ''Biochemistry.'' Band 30, Nummer 46, November 1991, {{ISSN|0006-2960}}, S. 11005–11018, PMID 1932025 (Review).</ref><ref>T. Ellinger, R. Ehricht, J. S. McCaskill: ''In vitro evolution of molecular cooperation in CATCH, a cooperatively coupled amplification system.'' In: Chemistry & Biology December 1998,5: S. 729–741 |https://www.cell.com/cell-chemical-biology/pdf/S1074-5521(98)90665-2.pdf</ref>
Sie stehen im Übergangsbereich zwischen [[Chemische Evolution|chemischer]] und [[Biologische Evolution|biologischer Evolution]].

In Hyperzyklen [[Katalyse|katalysieren]] RNA-Moleküle die Bildung solcher Proteine, die ihrerseits wieder die Bildung der RNA-Moleküle katalysieren.
Auch Hyperzyklen unterliegen einer Evolution: Mutationen in der Basensequenz der RNA führen zu Molekülen mit unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften und damit zu unterschiedlichen [[Replikationsrate]]n. Einen evolutionären Vorteil haben diejenigen chemischen Systeme gegenüber anderen in der [[Konkurrenz (Ökologie)|Konkurrenz]] um die chemischen Bausteine der „Ursuppe“, welche eine hohe Vermehrungsrate haben, sich also schneller vermehren. Zellen, Bakterien und andere Lebewesen können ebenfalls als Formen komplexer Hyperzyklen betrachtet werden.

== Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklus ==
[[Datei:Beispiel für einen Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklus nach Manfred Eigen (vereinfacht).png|mini|Beispiel für einen Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklus nach Manfred Eigen (vereinfacht). <br /> Die kreisförmigen Schleifen stellen die [[Autokatalyse|autokatalytische]] Reproduktion der Nukleinsäuren dar, die roten Punkte die Proteine. Die [[Nukleinsäure]] N1 synthetisiert Protein P1, Protein P1 katalysiert Nukleinsäure N2 usw.]]

Selbstreproduktive Hyperzyklen der Makromoleküle Nukleinsäure und Protein haben, obwohl noch unbelebt, zwei neue Fähigkeiten, die entscheidende Voraussetzungen für die Entwicklung des Lebens sind:

* Die Nukleinsäuren enthalten einen Bauplan (die Reihenfolge ihrer [[Nukleinbase]]n) mit der Information für ihre Reproduktion; sie können sich deshalb durch Kopien vermehren.
* Der durch die Nukleinbasen festgelegte Bauplan ist biochemisch so gestaltet, dass bei der Reproduktion mit einer bestimmten, nicht zu großen Wahrscheinlichkeit Fehler auftreten und dadurch eine Weiterentwicklung des Bauplans möglich ist. Es wird also nicht nur Materie weitergegeben, sondern auch Information für die Organisation von Materie „vererbt“.

Dieser dissipative autokatalytische Prozess der zyklischen Selbstreproduktion findet unter Verbrauch von Energie und komplexeren Molekülen wie [[Phosphorsäure]], [[Zucker]] und [[Aminosäure]]n statt; einfachere Moleküle werden dabei freigesetzt. Man kann den Prozess auch als [[Koevolution]] von Nukleinsäuren und Proteinen betrachten, als erste Form einer [[Symbiose]]: Die beiden Molekül-„Arten“ fördern einander. Diese „[[Phylogenese]]“ von Molekülen ermöglicht die Entwicklung von Molekülen höherer Komplexität.

Bei der hypothetischen Entwicklung der Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklen wird zwar noch kein Leben erzeugt, aber im Laufe der Zeit zunehmend komplexere Nukleinsäuren und die zugehörigen Proteine. Ein Hyperzyklus verstärkt und reproduziert sich als Ganzes autokatalytisch, wenn er geschlossen ist, also in sich rückgekoppelt: Im Bild katalysiert das Protein P5 wieder Nukleinsäure N1. Ein geschlossener Hyperzyklus hat einen Geschwindigkeitsvorteil bei der Replikation. Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklen unterliegen dadurch einer Evolution: Hyperzyklen mit einer hohen Geschwindigkeit der Reproduktion haben einen evolutionären Vorteil im Vergleich zu den Hyperzyklen mit einer niedrigeren Geschwindigkeit, weil sie sich schneller „vermehren“. Ihre hohe Evolutionsgeschwindigkeit ist auch einer der Faktoren, die verständlich macht, dass sich das Leben auf der Erde überhaupt entwickeln konnte.<ref>Manfred Eigen: ''Stufen zum Leben.'' Piper 1987</ref>

Nukleinsäure-Protein-Hyperzyklen weisen bereits Eigenschaften von Lebewesen auf: Selbstvermehrung, Abgeschlossenheit, Weitergabe von Information und [[Stoffwechsel]]. Mathematisch beschrieben ist diese Theorie in der Theorie der [[Quasispezies]]. Sie sind eine Vorstufe der Evolution und ein Teilbereich der dissipativen emergenten Prozesse in Natur und Gesellschaft.<ref>Günter Dedié: ''Die Kraft der Naturgesetze – Emergenz und kollektive Fähigkeiten von den Elementarteilchen bis zur menschlichen Gesellschaft.'' 2. Aufl., tredition 2015</ref>

== Weitere Hyperzyklen ==
Auch [[Zelle (Biologie)|Zellen]], [[Bakterien]] und andere [[Lebewesen]] sind als komplexe Hyperzyklen anzusehen, weil sie aus vielfach hierarchisch aufeinander aufbauenden, oft rückgekoppelten Prozessen bestehen.

Es gibt sogar ein Modell eines globalen dissipativen Gesamtsystems der irdischen Biosphäre von [[Lynn Margulis]] und [[James Lovelock]], das nach der griechischen Erdgöttin [[Gaia (Mythologie)|Gaia]] benannt wurde und wie ein komplexer Hyperzyklus funktioniert: das Modell der [[Gaia-Hypothese]]. Die [[Biosphäre]] wird dabei als rückgekoppeltes, [[nichtlineares System]] gesehen, das sich dynamisch selbst organisiert und regelt und auch externe Störungen bisher immer wieder gut verkraftet habe.

Seine [[Edukt]]e sind die [[Strahlungsenergie]] von der Sonne und das Material der Erde, vor allem das an der Erdoberfläche und im Meer. Sein globales Produkt ist [[Entropie]], die es mit der nächtlichen Abstrahlung in den Weltraum exportiert. Die Grundlage des „Systems Gaia“ ist das unerhört robuste und beständige Ökosystem der Bakterien, nicht nur als Basis der Evolution und bei der Umwandlung und Stabilisierung der Sauerstoff-Biosphäre, sondern auch beispielsweise in [[Symbiose]]n mit höheren Lebewesen als Darmbakterien und bei der globalen Entsorgung und dem Recycling der Überreste von Pflanzen und Tieren.

Es gibt auch ein alternatives Modell der Biosphäre, das – auf lange Sicht – weniger optimistische Vorhersagen macht als Gaia: Die Medea-Hypothese von [[Peter Ward (Paläontologe)|Peter Ward]].

== Siehe auch ==
* [[Mikrosphäre]]
* [[Viroid]]
* [[Entstehung des Lebens]]

== Literatur ==
* Dieter Braun, Cristof Mast, Friederike Möller: ''Lebendiges Nichtgleichgewicht.'' In: ''Physik Journal.'' Band 12, Nr. 10, 2013, S. 29
* Manfred Eigen, Ruthild Winkler: ''Das Spiel – Naturgesetze steuern den Zufall.'' Piper-Verlag, München/Zürich 1976, ISBN 3-492-02151-4
* Manfred Eigen, Peter Schuster: ''The Hypercycle. A Principle of Natural Self Organization.'' Springer, Berlin 1979, ISBN 978-3-540-09293-3
* Erich Jantsch: ''Selbstorganisation des Universums.'' S. 43
* Ulrich Kull: ''Evolution.'' J.B. Metzler, Studienreihe Biologie Band 3, S. 34 ISBN 3476200604

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Theoretische Biologie]]
[[Kategorie:Evolution]]

Hyperzyklus - Versionsgeschichte

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