Astronomie ohne Teleskop – Warum Wasser?

Die Annahme, dass fremde Biochemien wahrscheinlich flüssiges Wasser benötigen, scheint ein wenig erdzentriert zu sein. Angesichts der chemischen Möglichkeiten, die sich aus den am häufigsten vorkommenden Elementen im Universum ergeben, würde selbst ein außerirdischer Wissenschaftler mit einer anderen Biochemie wahrscheinlich zustimmen, dass eine auf Wasserlösungsmitteln basierende Biochemie mehr als wahrscheinlich anderswo im Universum vorkommt – und am häufigsten vorkommt wahrscheinliche Grundlage für die Entwicklung eines intelligenten Lebens.

Basierend auf dem, was wir über Leben und Biochemie wissen, scheint es wahrscheinlich, dass eine fremde Biochemie ein Lösungsmittel (wie Wasser) und eine oder mehrere Elementareinheiten für ihre Struktur und Funktion (wie Kohlenstoff) benötigt. Lösungsmittel sind wichtig, um chemische Reaktionen zu ermöglichen und Materialien physikalisch zu transportieren – und in beiden Kontexten scheint es wichtig zu sein, dieses Lösungsmittel in seiner flüssigen Phase zu haben.

Wir könnten erwarten, dass sich aus den häufigsten Elementen im Universum häufig biochemisch nützliche Lösungsmittel bilden – Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Neon, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium, Magnesium, Eisen und Schwefel in dieser Reihenfolge.

Sie können wahrscheinlich Helium und Neon vergessen – beide Edelgase sind weitgehend chemisch inert und bilden nur selten chemische Verbindungen, von denen keine offensichtlich die Eigenschaften eines Lösungsmittels besitzt. Wenn man sich ansieht, was noch übrig ist, sind die polaren Lösungsmittel, die am leichtesten zur Unterstützung einer Biochemie verfügbar sind, zunächst Wasser (H.2O), dann Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H.2S). Es können auch verschiedene unpolare Lösungsmittel gebildet werden, insbesondere Methan (CH4). Im Allgemeinen haben polare Lösungsmittel eine schwache elektrische Ladung und können die meisten wasserlöslichen Dinge auflösen, während unpolare Lösungsmittel keine Ladung haben und eher wie die auf der Erde bekannten industriellen Lösungsmittel wie Terpentin wirken.

Isaac Asimov, der als Biochemiker keine Science-Fiction schrieb, schlug eine hypothetische Biochemie vor, bei der Polylipide (im Wesentlichen Ketten von Fettmolekülen) Proteine ​​in einem Methan (oder einem anderen unpolaren) Lösungsmittel ersetzen könnten. Eine solche Biochemie könnte auf dem Saturnmond Titan funktionieren.

Aus der Liste der potenziell häufig vorkommenden Lösungsmittel im Universum geht hervor, dass Wasser der beste Kandidat für die Unterstützung eines komplexen Ökosystems ist. Schließlich ist es wahrscheinlich sowieso das am häufigsten vorkommende Lösungsmittel – und seine flüssige Phase tritt in einem höheren Temperaturbereich auf als alle anderen.

Es scheint vernünftig anzunehmen, dass eine Biochemie in einer wärmeren Umgebung dynamischer ist und mehr Energie zur Verfügung steht, um biochemische Reaktionen anzutreiben. Eine solch dynamische Umgebung sollte bedeuten, dass Organismen so viel schneller wachsen und sich vermehren (und sich somit entwickeln) können.

Wasser hat auch die Vorteile von:
• starke Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen, die eine starke Oberflächenspannung ergeben (dreimal so hoch wie flüssiges Ammoniak) – was die Aggregation präbiotischer Verbindungen und die Entwicklung von Membranen fördern würde;
• in der Lage sein, schwache nichtkovalente Bindungen mit anderen Verbindungen zu bilden – was beispielsweise die 3d-Struktur von Proteinen in der Erdbiochemie unterstützt; und
• in der Lage sein, Elektronentransportreaktionen (die Schlüsselmethode zur Energieerzeugung in der Erdbiochemie) durchzuführen, indem ein Wasserstoffion und das entsprechende Elektron gespendet werden.

Fluorwasserstoff (HF) wurde als alternatives stabiles Lösungsmittel vorgeschlagen, das auch Elektronentransportreaktionen eingehen könnte – mit einer flüssigen Phase zwischen -80 ÖC und 20 ÖC bei 1 Atmosphärendruck (Erde, Meeresspiegel). Dies ist ein wärmerer Temperaturbereich als die anderen Lösungsmittel, die neben Wasser wahrscheinlich allgemein vorhanden sind. Fluor selbst ist jedoch kein sehr häufig vorkommendes Element, und HF wird in Gegenwart von Wasser zu Flusssäure.

H.2S kann auch für Elektronentransportreaktionen verwendet werden – und wird daher von einigen erdbasierten chemosynthetischen Bakterien verwendet -, existiert jedoch als Flüssigkeit nur im relativ engen und kalten Temperaturbereich von -90 ÖC bis -60 ÖC bei 1 Atmosphäre.

Diese Punkte sprechen zumindest dafür, dass flüssiges Wasser die statistisch wahrscheinlichste Grundlage für die Entwicklung komplexer Ökosysteme ist, die intelligentes Leben unterstützen können. Obwohl andere Biochemien auf der Basis anderer Lösungsmittel möglich sind, scheinen sie wahrscheinlich auf kalte Umgebungen mit niedriger Energie beschränkt zu sein, in denen die Entwicklungsrate der biologischen Vielfalt und Evolution sehr langsam sein kann.

Die einzige Ausnahme von dieser Regel könnten Hochdruckumgebungen sein, die diese anderen Lösungsmittel in flüssiger Phase bei höheren Temperaturen halten können (wo sie sonst als Gas bei einem Druck von 1 Atmosphäre vorliegen würden).

Nächste Woche: Warum Kohlenstoff?

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