Astronomie ohne Teleskop – Warum Wasser?

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Von Steve Nerlich in Universe Today – Übersetzt von Harald Horneff

Die Annahme, daß außerirdische Biochemie wahrscheinlich flüssiges Wasser erfordert, scheint ein wenig zu sehr an der Erde ausgerichtet. Aber mit den gegebenen chemischen Möglichkeiten, die durch die häufigsten im Universum vorhandenen Elemente zur Verfügung stehen, würde auch ein außerirdischer Wissenschaftler mit einer anderen Biochemie vermutlich zustimmen, daß eine auf Wasser als Lösemittel basierenden Biochemie höchstwahrscheinlich irgendwo im Universum auftritt – solch eine Biochemie dürfte das aussichtsreichste Fundament für ein komplexes Ökosystem sein, in dem sich intelligentes Leben entwickeln könnte.

Basierend auf dem, was wir über Leben und Biochemie wissen, benötigt eine außerirdische Biochemie wohl ein Lösemittel (wie Wasser) und ein oder mehrere Elemente (wie Kohlenstoff) für seine Struktur und Funktion. Lösemittel sind wichtig, um sowohl chemische Reaktionen zu ermöglichen als auch Materialien physisch von A nach B zu transportieren. Für beide Vorgänge scheint das Vorhandensein eines Lösemittels in flüssiger Form unverzichtbar zu sein.

Wir dürften erwarten, daß alltägliche, biochemisch sinnvolle Lösemittel sich aller Voraussicht nach aus den häufigsten Elementen im Universum aufbauen; als da sind Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Neon, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium, Magnesium, Eisen und Schwefel – in dieser Reihenfolge.

Helium und Neon kann man wohl vergessen – beide sind Edelgase, die großteils chemisch inert (reaktionsträge) sind und daher nur selten chemische Verbindungen bilden, von denen keine offensichtlich Eigenschaften eines Lösemittels haben. Bei genauer Betrachtung bleiben als polare Lösemittel, die ohne Weiteres in großen Mengen verfügbar sind, um eine Biochemie zu unterstützen, erst einmal Wasser H2O, dann Ammoniak NH3 und zuletzt Schwefelwasserstoff H2S übrig. Verschiedene nichtpolare Lösemittel können ebenfalls entstehen, insbesondere Methan CH4. Allgemein gesagt besitzen polare Lösemittel eine schwache elektrische Ladung und können die meisten Stoffe lösen, die auch von Wasser gelöst werden. Hingegen tragen die nichtpolaren Lösemittel keine Ladung und verhalten sich mehr wie die uns vertrauten gewerblichen Lösungsmittel, wie z. Bsp. Terpentin.

Isaac Asimov, berühmter Autor von Science-Fiction-Romanen und hauptberuflich Biochemiker, schlug eine hypothetische Biochemie vor, bei der Polylipide (im Grunde Ketten aus Fettmolekülen) die Proteine bei einer Methan- oder anderen nichtpolaren Lösung ersetzen könnten. Es ist vorge-schlagen worden, daß sich solch eine Biochemie auf Titan als geeignet erweisen könnte.

Gleichwohl scheint von der Liste potentiell vorhandener Lösemittel im Universum Wasser der beste Kandidat zu sein, ein komplexes Ökosystem zu unterhalten. Nach allem scheint es das am weitesten verbreitete Lösemittel zu sein – und es tritt in flüssiger Form bei einem höheren Temperaturbereich auf als jedes andere Mittel.

Es scheint vernünftig anzunehmen, daß in einer wärmeren Umgebung, in der mehr Energie zur Verfügung steht, biochemische Reaktionen schneller ablaufen. Solch eine energieliefernde Umgebung bedeutet vermutlich, daß Organismen bedeutend schneller wachsen und sich vermehren (und damit entwickeln) können.

Wasser hat ferner folgende Vorteile:

  • starke Wasserstoffbindungen, die ihm eine starke Oberflächenspannung geben (dreimal so stark wie bei flüssigem Ammoniak) – dies könnte den Zusammenschluß von präbiotischen Komponenten und vielleicht die Entwicklung von Membranen gefördert haben

  • es ist in der Lage, schwache, nichtkovalente Bindungen mit anderen Verbindungen einzugehen, was zum Beispiel die dreidimensionale Struktur von Proteinen in der irdischen Biochemie unter-stützt und

  • es ist in der Lage, in Elektronentransport-Reaktionen einzugreifen (die Schlüsselmethode zur Energieproduktion der irdischen Biochemie), indem es ein Wasserstoffion mit dessen zugehörigem Elektron liefert.

Wasserstofffluorid (HF) ist als ein alternatives, stabiles Lösemittel vorgeschlagen worden, welches ebenfalls Elektronentransport-Reaktionen unterstützen könnte – flüssig zwischen -80°C und +20°C bei 1 Atmosphäre Druck (Erde, Meeresniveau). Dies ist ein wärmerer Temperaturbereich als bei anderen Lösemitteln, die vermutlich universell vorhanden sind; wenn man von Wasser absieht. Indes ist Fluor selbst kein verbreitetes Element im Universum und HF wird in Gegenwart von Wasser zur Fluorwasserstoff-Säure (Flußsäure).

H2S kann ebenfalls für Elektronentransport-Reaktionen genutzt werden und wird auch von einigen auf der Erde lebenden, Chemosynthese betreibenden Bakterien eingesetzt – aber als Flüssigkeit existiert es nur in dem ziemlich engen und kalten Temperaturbereich von -90°C bis -60°C bei einem Druck von einer Atmosphäre.

All diese Punkte liefern starke Argumente dafür, daß flüssiges Wasser statistisch gesehen das wahrscheinlichste Fundament für die Entwicklung von komplexen Ökosystemen ist, fähig, intelligentes Leben hervorzubringen. Obwohl andere Biochemien, die auf anderen Lösemitteln basieren, durchaus möglich sind – scheinen sie vermutlich auf kalte Umgebungen mit entsprechend niedriger Energiebereitstellung begrenzt zu sein. Daher könnte dort die Rate der Entwicklung einer biologischen Vielfalt und Evolution sehr langsam sein.

Die einzige Ausnahme von dieser Regel könnten Umgebungen mit hohem Druck sein, da dort die anderen Lösemittel bei höheren Temperaturen in flüssiger Form gehalten werden können (wo sie sonst bei einem Druck von einer Atmosphäre als Gas existieren).

Die polare Struktur des Wassers (links) – und als Lösungsmittel wirkend (rechts) Quelle: Addison-Wesley

Weiterführende Literatur (im Internet zu finden unter):

The NASA Astrobiology Institute

Habitability and Astronomical Biosignatures Focus Group

Victoria S. Meadows et al.

The Search for Habitable Environments and Life in the Universe (2009)

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