{"id":2342,"date":"2021-09-20T12:51:37","date_gmt":"2021-09-20T10:51:37","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=2342"},"modified":"2021-10-03T19:10:02","modified_gmt":"2021-10-03T17:10:02","slug":"vom-leben-und-sterben-der-silikoiden","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2021\/09\/20\/vom-leben-und-sterben-der-silikoiden\/","title":{"rendered":"Vom Leben und Sterben der Silikoiden"},"content":{"rendered":"

von Christoph Kulmann
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Die Chemie als Wissenschaft hat oftmals einen schweren Stand, gilt sie vielen doch als kompliziert und trocken. Das muss aber keineswegs so sein. In der Tat wird die Chemie sehr interessant, wenn man sie auf die gro\u00dfen Fragen des Lebens erweitert.<\/strong><\/p>\n

Eine dieser Fragen ist die nach Leben au\u00dferhalb der Erde \u2013 nicht auf Raumstationen, sondern auf anderen Planeten und Monden, auch weit au\u00dferhalb unseres eigenen Sonnensystems. Auf der Erde funktioniert alles Leben mit Kohlenstoff. Aber muss das immer so sein? Wie sieht es aus mit Lebensformen, die komplett anders aufgebaut sind \u2013 wom\u00f6glich sogar mit anderen chemischen Elementen funktionieren?<\/strong><\/p>\n

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Erkenntnisse aus der Organischen Chemie \u00fcber eine hypothetische Lebensform<\/h1>\n

Leben auf der Grundlage von Silizium statt Kohlenstoff wird seit Jahrzehnten diskutiert und hat in der Science-Fiction gro\u00dfen Anklang gefunden. Tauchen wir ein in die <\/strong>Grundlagen<\/strong>\u00a0 der Chemie des Lebens. <\/strong>Welche Anforderungen an eine Biochemie des Siliziums k\u00f6nnen wir formulieren, welche M\u00f6glichkeiten k\u00f6nnen wir aufzeigen und welche Grenzen k\u00f6nnen wir definieren? Oder anders ausgedr\u00fcckt: Kann das \u00fcberhaupt funktionieren?<\/p>\n

Alternative Biochemien<\/h1>\n

Schon seit der Zeit um 1900 gibt es \u00dcberlegungen, ob Lebewesen anstelle von Kohlenstoff auch andere Elemente als Grundger\u00fcst des K\u00f6rpers\u00a0 nutzen k\u00f6nnten. Als Alternativen wurden Lebensformen auf der Basis von Silizium, Bor, Stickstoff oder Schwefel vorgeschlagen, die unter gewissen Rahmenbedingungen ebenfalls stabile Makromolek\u00fcle bilden k\u00f6nnen. Insbesondere Leben auf Siliziumbasis wird immer wieder ernsthaft diskutiert und auch gerne in der Science-Fiction\u00a0-Literatur aufgegriffen. Silizium ist unter den m\u00f6glichen Alternativen dem Kohlenstoff noch am \u00e4hnlichsten. Doch wie sieht es aus der Warte der Chemie aus? Kann Leben auf der Basis von Silizium tats\u00e4chlich existieren?<\/p>\n

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Abbildung 1: Leben kann vielf\u00e4ltige Formen annehmen, aber kann eine Biochemie auch auf der Grundlage von Silizium funktionieren? Zumindest als Baumaterial wird Silizium bereits von irdischen Organismen verwendet, wie z.B. von Kieselalgen. (Abbildung von Pixabay)<\/p><\/div>\n

Grundlegende Anforderungen<\/h1>\n

Zwei Dinge sind f\u00fcr eine Chemie des Lebens besonders wichtig. Das \u201eGer\u00fcst\u201c, sei es nun aus Kohlenstoff oder Silizium, muss in einem gewissen Spektrum aus Umweltbedingungen stabil sein und sollte sich z.B. beim Kontakt mit Wasser oder einem anderen nat\u00fcrlichen L\u00f6sungsmittel nicht gleich wieder aufl\u00f6sen. Zugleich d\u00fcrfen die Bindungen nicht zu fest sein, damit mit vergleichsweise moderatem Energieaufwand eine Umlagerung oder Neukn\u00fcpfung von Bindungen m\u00f6glich ist. Alle Lebensvorg\u00e4nge beruhen auf der Bildung und L\u00f6sung diverser Arten von zwischenatomaren und zwischenmolekularen Bindungen. L\u00f6sen sich die Bindungen zu schwer, dann enden die Lebensvorg\u00e4nge. L\u00f6sen sich die Bindungen zu leicht, dann fliegt alles auseinander und der Organismus l\u00f6st sich auf oder verbrennt.<\/p>\n

Neben dem Ger\u00fcst ist eine m\u00f6glichst gro\u00dfe Vielzahl an funktionellen Gruppen\u00a0 notwendig. Ein reines Kohlenwasserstoffger\u00fcst ist kaum \u00a0reaktiv. Erst funktionelle Gruppen erm\u00f6glichen eine gesteuerte Biochemie. H\u00e4ufig anzutreffende funktionelle Gruppen sind z.B. Alkohole, Ketone, Phosphate, Amine, Ether, Ester und viele andere. Die Eigenschaften der funktionellen Gruppen sind oftmals gewichtiger als die Einzelheiten des Ger\u00fcstes. So sind z.B. die Kohlenwasserstoffe Methan, Ethan und Propan bei Raumtemperatur gasf\u00f6rmig. Die Anf\u00fcgung der funktionellen Alkoholgruppe (-OH) macht daraus jedoch Fl\u00fcssigkeiten, die sich mit Wasser mischen k\u00f6nnen und die auch ganz anderen Reaktionen zug\u00e4nglich sind als die reinen Kohlenwasserstoffe.<\/p>\n

Es liegt in den Atomen<\/h1>\n

Um Kohlenstoff und Silizium in dieser Hinsicht vergleichen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen wir drei wichtige Gr\u00f6\u00dfen betrachten: Die Atomorbitale, die Elektronegativit\u00e4ten und die St\u00e4rke der Bindung zu anderen wichtigen Elementen.<\/p>\n

In den Atomorbitalen \u00e4hnelt das Silizium dem Kohlenstoff sehr stark. Beide Elemente haben in ihrer \u00e4u\u00dferen Schale zwei Elektronen im s-Orbital und zwei Elektronen in den p-Orbitalen. Zum Erreichen der stabilen Edelgaskonfiguration k\u00f6nnen beide Elemente entweder vier Elektronen abgeben oder vier Elektronen aufnehmen. Insgesamt ergibt sich die M\u00f6glichkeit f\u00fcr vier Bindungen, welche im Raum wie die Ecken einer dreiseitigen Pyramide angeordnet sind (diese Form nennt man einen Tetraeder). Zus\u00e4tzlich kann das Silizium anderen Atomen auch noch die darunter liegenden d-Orbitale zur Bindung anbieten. Diese sind beim Silizium zwar nicht besetzt, aber dennoch als leere Orbitale f\u00fcr Bindungen verf\u00fcgbar. Dies erkl\u00e4rt die 5- bzw. 6-Bindigkeit einiger Siliziumverbindungen. F\u00fcr eine organische Chemie, die eine m\u00f6glichst gro\u00dfe Vielfalt an Strukturen erfordert, w\u00e4re dies nicht unbedingt\u00a0 hinderlich.<\/p>\n

Die Elektronegativit\u00e4t ist eine Gr\u00f6\u00dfe, mit der man die Anziehungskraft von Atomkernen auf Elektronen innerhalb von Molek\u00fclen beschreiben kann. Von allen chemischen Elementen hat Fluor die h\u00f6chste Elektronegativit\u00e4t (3,98 auf der Pauling-Skala), das bedeutet, dass Fluor in einer Verbindung die Elektronen am st\u00e4rksten zu sich hinzieht. Die Alkalimetalle hingegen\u00a0 weisen Elektronegativit\u00e4tswerte zwischen 0,7 und 0,98 auf und haben somit die geringste Neigung, Elektronen zu binden \u2013 ganz im Gegenteil geben die Alkalimetalle ihr einziges \u00e4u\u00dferes s-Elektron sehr bereitwillig ab, weswegen sie sehr reaktiv sind. Kohlenstoff und Silizium zeigen beide mittelstarke Elektronegativit\u00e4ten: Kohlenstoff 2,55 und Silizium 1,9.<\/p>\n

Chemie des Methans und des Silans<\/h1>\n

Ein interessanter Unterschied wird schon deutlich, wenn man sich die einfachste Verbindung von Kohlenstoff und Silizium mit Wasserstoff anschaut. Das Gas Methan (CH4<\/sub>) ist der einfachste Kohlenwasserstoff und als solcher die Grundeinheit der h\u00f6heren Kohlenwasserstoffe und der biochemisch interessanten Verbindungen. Die entsprechende Verbindung von Silizium und Wasserstoff ist das ebenfalls gasf\u00f6rmige Silan (SiH4<\/sub>). Die Elektronegativit\u00e4t von Wasserstoff (2,2) liegt nun genau zwischen der von Kohlenstoff und Silizium. W\u00e4hrend der Kohlenstoff im Methanmolek\u00fcl die Elektronen im Schnitt zu sich hinzieht und die vier Wasserstoffatome mit einem Elektronendefizit und einer leicht positiven Teilladung zur\u00fcckl\u00e4sst, ist es im Silan genau umgekehrt. Dort ziehen die vier Wasserstoffmolek\u00fcle st\u00e4rker an den Elektronen, was ihnen eine leicht negative Teilladung und dem Siliziumatom ein leichtes Elektronendefizit und eine positive Teilladung beschert.<\/p>\n

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Abbildung 2: Vergleich des Methans und des Silans als Grundeinheiten einer m\u00f6glichen Biochemie. Die Molek\u00fcle sind hier flach dargestellt, die tats\u00e4chliche Struktur entspricht einem Tetraeder. Die Zahlen an den Atomen geben die jeweiligen Elektronegativit\u00e4tswerte wieder, d+\/d- bezeichnet die Verteilung der polarisierten Ladung. Der Pfeil gibt die Verschiebung der Elektronendichte an. Die Silizium-Wasserstoff-Bindung ist gegen\u00fcber der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung genau umgekehrt polarisiert. Zusammen mit der schw\u00e4cheren Bindung macht dies das Silanmolek\u00fcl in Gegenwart von Sauerstoff oder Wasser instabil (eigene Abbildung des Autors).<\/p><\/div>\n

Chemisch ist das sehr bedeutsam. In einer Mischung mit normaler Luft sind beide Gase im Wesentlichen vom reaktionstr\u00e4gen Stickstoff und dem reaktiven und zugleich sehr elektronegativen Sauerstoff (Elektronegativit\u00e4t: 3,44) umgeben. Methan verbrennt mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid, ben\u00f6tigt dazu aber eine Aktivierungsenergie, z.B. in Form eines Funkens. Ohne eine solche Z\u00fcndung kommen die elektronenziehenden Sauerstoffmolek\u00fcle haupts\u00e4chlich mit den elektronenarmen Wasserstoffatomen des Methans in Kontakt \u2013 f\u00fcr den Sauerstoff gibt es dort \u201enichts zu holen\u201c, die Mischung bleibt erst einmal stabil. Erst mit Hilfe eines Funkens kann der Sauerstoff die Bindung zwischen dem Kohlenstoff und dem Wasserstoff brechen und mit beiden reagieren.<\/p>\n

Genau umgekehrt verh\u00e4lt es sich mit einer Mischung aus Sauerstoff und Silan. Hier ist der Sauerstoff in Kontakt mit elektronenreichen Wasserstoffatomen. Zusammen mit der etwas schw\u00e4cheren Silizium-Wasserstoff-Bindung reicht dies aus, um die Reaktion von alleine zu starten: Der Sauerstoff bricht die Bindung zwischen dem Silizium und dem Wasserstoff, reagiert mit dem Wasserstoff zu Wasser und mit dem Silizium zu Siliziumdioxid (SiO2<\/sub>, Glas). Silan ist pyrophor, das bedeutet, es entz\u00fcndet sich in Kontakt mit Sauerstoff selbst.<\/p>\n

Innerhalb l\u00e4ngerkettiger Molek\u00fcle ist die Bindung zwischen zwei Siliziumatomen ungef\u00e4hr\u00a0 um ein Viertel schw\u00e4cher als zwischen zwei Kohlenstoffatomen. Dies ist eine Folge des gr\u00f6\u00dferen Radius des Siliziumatoms: Die bindenden Elektronen sind hier weiter von der positiven Ladung des Atomkerns entfernt, somit sind die Anziehungskr\u00e4fte geringer. Gleichzeitig ist die Bindung zwischen Silizium und Sauerstoff au\u00dferordentlich stark, die beiden Elemente sind nur sehr schwer wieder voneinander zu trennen.<\/p>\n

H\u00f6here Alkane und Silane<\/h1>\n

L\u00e4ngerkettige Kohlenwasserstoffe liegen bei Raumtemperatur als Fl\u00fcssigkeiten oder Feststoffe vor. Das fl\u00fcssige Hexan ist eine m\u00f6gliche Form, Kerzenwachs (Paraffine) eine andere. Hexan ist leichter als Wasser und schwimmt darauf, reagiert jedoch nicht mit Wasser. Auch ein St\u00fcck Kerzenwachs wird sich im Wasser nicht ver\u00e4ndern. F\u00fcr l\u00e4ngerkettige Silane gilt dies jedoch nur in Abwesenheit von Sauerstoff. Ohne Sauerstoff lassen sich Silane auf salzhaltigen, w\u00e4ssrigen L\u00f6sungen stabil lagern. Kommt jedoch Sauerstoff hinzu, so bef\u00f6rdert dies die Zersetzung der Silane. In alkalischer L\u00f6sung l\u00e4uft die Reaktion unter Bildung von Wasserstoff und Siliziumhydroxid (Si(OH)4<\/sub>) sogar noch schneller ab.<\/p>\n

H\u00f6here Bindungen<\/h1>\n

Wir k\u00f6nnten hier noch die F\u00e4higkeit zur Ausbildung von Doppel- und Dreifachbindungen vergleichen und feststellen, dass Kohlenstoff hier sehr viel mehr M\u00f6glichkeiten aufweist als Silizium. Beide Bindungsarten sind von enormer Wichtigkeit f\u00fcr die Biochemie, weil sie eine zus\u00e4tzliche strukturelle und chemische Vielfalt erm\u00f6glichen. Allerdings k\u00f6nnen wir auch an dieser Stelle schon eine wichtige Bilanz ziehen und die Frage betrachten, wie wahrscheinlich die nat\u00fcrliche Entstehung einer Siliziumbiochemie im Vergleich zu einer Kohlenstoffbiochemie ist. Kohlenstoff bildet tausende von Verbindungen, die in Gegenwart von Sauerstoff oder in w\u00e4ssriger L\u00f6sung lange genug stabil bleiben, um eine funktionierende Biochemie zu tragen; viele Kohlenstoffverbindungen wurden auch schon im interstellaren Raum nachgewiesen. Im Falle einer Verbrennung entsteht das gasf\u00f6rmige Kohlendioxid, welches in Wasser l\u00f6slich und somit weiteren chemischen Reaktionen zug\u00e4nglich ist. Die analogen Verbindungen des Siliziums sind jedoch in Gegenwart von Sauerstoff und Wasser instabil. Eines der Zersetzungsprodukte ist Glas, welches chemisch kaum noch reagieren kann.<\/p>\n

Sauerstoff als der gro\u00dfe Silikoiden\u00a0-Killer<\/h1>\n

In den Gasnebeln, aus denen Sterne und Planeten entstehen, ist Sauerstoff das dritth\u00e4ufigste Element. Innerhalb der Erdkruste ist es sogar das zweith\u00e4ufigste. Auch Wasser ist im Universum allgegenw\u00e4rtig und wurde schon in Quasaren\u00a0, protoplanetaren Nebeln und Exoplaneten nachgewiesen. Selbst auf einem Planeten ohne freien, gasf\u00f6rmigen Sauerstoff und ohne Wasser w\u00e4re Sauerstoff immer noch in den Mineralien gebunden. Die wichtigsten Bestandteile des Erdmantels sind Formen von Magnesiumoxid und Aluminiumoxid\u00a0, beides Verbindungen mit Sauerstoff. Die Wahrscheinlichkeit, dass auch auf anderen Planeten die Vorstufen einer Siliziumbiochemie in Form von unreaktivem Glas enden, ist somit sehr hoch. Leben auf der Basis von Silizium d\u00fcrfte damit im Reich der Science-Fiction bleiben. Kohlenstoff ist als Element f\u00fcr diese Funktion deutlich besser geeignet.<\/p>\n

Quellen und Tipps zum Lesen<\/h1>\n

Bains, W. (2004). Many chemistries could be used to build living systems. Astrobiology<\/em>, 4<\/em>(2), 137-167.<\/p>\n

Benner, S. A., Ricardo, A., & Carrigan, M. A. (2004). Is there a common chemical model for life in the universe?. Current opinion in chemical biology<\/em>, 8<\/em>(6), 672-689.<\/p>\n

Brandstetter, T. (2012). Life beyond the limits of knowledge: Crystalline life in the popular science of Desiderius Papp (1895\u20131993). Astrobiology<\/em>, 12<\/em>(10), 951-957.<\/p>\n

Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. G. (2013). Organische Chemie. Springer Spektrum-Verlag.<\/p>\n

Chyba, C. F. (2001, December). Life in our Solar System and Beyond: Astrobiology in the 21st Century. In American Astronomical Society Meeting Abstracts<\/em> (Vol. 199, pp. 82-01).<\/p>\n

Petkowski, J. J., Bains, W., & Seager, S. (2020). On the potential of silicon as a building block for life. Life<\/em>, 10<\/em>(6), 84.<\/p>\n

Schulze-Makuch, D., & Irwin, L. N. (2006). The prospect of alien life in exotic forms on other worlds. Naturwissenschaften<\/em>, 93<\/em>(4), 155-172.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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