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Eine Frage der Energie

Wie entstehen längerkettige Biomoleküle im interstellaren Raum?

Damit aus einfachen organischen Vorgängermolekülen komplexe, längerkettige Lebensbausteine wie DNA, Proteine und Zellmembranen entstehen, ist neben den Rohstoffen aber noch etwas nötig: Energie. Denn die chemischen Reaktionen, durch die solche kettenförmigen Biomoleküle gebildet werden, sind in der Regel endotherm und laufen daher nicht spontan ab.

Peptidbindung
Bildung einer Peptidbindung zwischen zwei Aminosäuren unter Abgabe eines Wassermoleküls. © gemeinfrei

Es braucht einen „Zündfunken“

Doch in den kalten interstellaren Molekülwolken oder auf den eisbedeckten Staubkörnchen am Außenrand von protoplanetaren Scheiben ist genau das Mangelware: Es fehlt an Wärme und vor allem am energiereichen UV-Licht, das als „Zündfunke“ für solche Reaktionen gilt. Zwar haben Wissenschaftler inzwischen für einige einfacherer organische Moleküle schon Reaktionswege gefunden, die auch ohne solche Energiegeber auskommen. Für die Polymerisation von Biomolekülen gilt dies aber nicht.

Ein Beispiel dafür ist die Verknüpfung von Aminosäuren zu Proteinen: Damit diese Polymerisation stattfinden kann, müssen zuerst Wassermoleküle von den Aminosäuren abgespalten werden. „Dies hat eine hohe Energiebarriere und läuft daher nur bei hohen Temperaturen oder durch eine energetische Umformung des Materials ab“, erklärt Serge Krasnokutski von der Universität Jena und dem Max-Planck-Institut für Astronomie. „Jeder der dafür nötigen Schritte hat daher eine relativ geringe Wahrscheinlichkeit.“

In lebenden Organismen lässt sich dieses Problem leicht lösen: In den Zellen übernehmen eigene Organellen, die Ribosomen, diese Aufgabe und nutzen dafür die von unserem Stoffwechsel bereitgestellte Energie. Aber wie kann diese Reaktion auf dem ultrakalten Staub der interstellaren Wolken ablaufen? Auf den ersten Blick scheint dies unmöglich.

Aminoketen statt Aminosäuren

Krasnokutski und seine Kollegen haben für ihre Lösung deshalb einen gedanklichen und chemischen Schritt zurück gemacht: Was wäre, wenn die Polymerisation gar nicht mit Aminosäuren abläuft, sondern mit Aminoketen, einer schon vom störenden Wasser befreiten Molekülvariante? Quantenchemische Berechnungen legen nahe, dass das Aminoketen selbst unter eiskalten Bedingungen spontan und ohne äußere Energiezufuhr gebildet werden können, wenn als Ausgangsstoffe Ammoniak, Kohlenmonoxid und isolierte Kohlenstoffatome vorhanden sind.

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Aminoketen
Aminoketen kann aus Kohlenstoff, Kohlenmonoxid und Ammoniak entstehen. © S. Krasnokutski / MPI für Astronomie

Alle drei Moleküle sind in interstellaren Wolken reichlich vorhanden: Ammoniak und Kohlenmonoxid haben in den Eisschichten von interstellaren Staubkörnern einen Anteil von zehn und 40 Prozent, wie die Wissenschaftler erklären. Atomarer Kohlenstoff wiederum macht rund die Hälfte allen Kohlenstoffs im interstellaren Medium aus – und genau sie spielen für die Reaktionen eine entscheidende Rolle:

„Einzelne Kohlenstoffatome sind selbst bei niedrigsten Temperaturen erstaunlich reaktionsfreudig“, sagt Krasnokutski. „Sie können als eine Art ‚molekularer Klebstoff‘ dienen, der Moleküle miteinander verbindet und anorganische Substanzen in organische verwandelt.“

So die Theorie. Aber funktioniert dies auch in der Praxis?

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Lebensbausteine aus dem Weltraum
Kosmische Staubkörner als Fabriken von Biomolekülen

Moleküle aus dem All
Woher kommen die Lebensbausteine?

Eisiger Staub
Interstellare Wolken als kosmische "Chemiefabrik"

Eine Frage der Energie
Wie entstehen längerkettige Biomoleküle im interstellaren Raum?

Kosmische Chemie im Labor
Wie Peptide auf Weltraumstaub entstehen

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