Einige Wissenschaftler glauben, dass außerirdisches Leben in den Wolken der Venus gedeihen könnte, wie hier von der japanischen Raumsonde Akatsuki aufgenommen.(Bildnachweis: JAXA)
Leben, wie wir es kennen, braucht Wasser, aber Leben, wie wir es nicht kennen, könnte mit konzentrierter Schwefelsäure funktionieren.
Die Chemie des Lebens, wie wir sie kennen, würde an einem Ort wie dem riesigen Saturnmond Titan nicht funktionieren, wo es so kalt ist, dass sich Eis eher wie Gestein verhält, oder in den sauren Wolken der Venus. Aber eine andere Chemie, die alle erforderlichen Teile aus verschiedenen Materialien zusammensetzt, könnte eine Chance haben. Stellen Sie sich Zellen vor, die Methan, Schwefelsäure oder sogar geschmolzenes Gestein so nutzen, wie Ihre Zellen Wasser nutzen.
Nach einer Studie des Molekularbiologen William Bains vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) und seiner Kollegen aus dem Jahr 2021 stellt sich heraus, dass, wenn wir nach Leben suchen, wie wir es nicht kennen, das beste Lösungsmittel konzentrierte Schwefelsäure sein könnte – das Zeug, das in den Wolken der Venus herumschwimmt.
Inhaltsübersicht
Schwefelsäure: Gefahrgut oder Lösungsmittel fürs Leben?
Im Grunde genommen ist das Leben nur eine Reihe chemischer Reaktionen. Diese Reaktionen benötigen ein Medium, das Chemiker als Lösungsmittel bezeichnen: etwas, das flüssig genug ist, damit die Moleküle umherschwimmen und sich vermischen können, und es muss viel davon an einem Ort vorhanden sein. Ein Lösungsmittel muss auch dazu beitragen, die Chemikalien, die die Zellen zum Leben brauchen, aufzuspalten und zu transportieren, ohne dabei wichtige Moleküle wie Lipide und Aminosäuren aufzulösen.
Hier auf der Erde ist Wasser die perfekte Lösung, aber es ist vielleicht nicht die einzige Flüssigkeit im Universum, die die Chemie des Lebens unterstützen kann. In einer neuen Studie haben Bains und seine Kollegen mehrere mögliche Lösungsmittel danach bewertet, wie sie mit den chemischen Bausteinen des Lebens interagieren und wie häufig sie auf felsigen Planeten vorkommen sollten.
Die Kandidaten reichten von den flüssigen Formen von Methan und Ethan, Ammoniak und Kohlendioxid bis hin zu noch seltsameren Möglichkeiten wie Pech und geschmolzenem Gestein. Der überraschende Sieger ist eine Chemikalie, die wir Erdbewohner als schmerzhaft lebensfeindlich empfinden: konzentrierte Schwefelsäure.
„Selbst sehr komplexe organische Chemie ist mit konzentrierter Schwefelsäure kompatibel“, sagte der MIT-Astrobiologe Janusz Petkowski, ein Mitautor der neuen Studie, die im Dezember in der Zeitschrift Astrobiology veröffentlicht wurde, gegenüber kosmischeweiten.de.
Ein Nicken für die Zweitplatzierten
Titans kalte Methanseen sind ein heißes Pflaster für Spekulationen über Leben, wie wir es nicht kennen, seit der Saturn-Orbiter Cassini der NASA im Jahr 2005 die ersten Fotos von ihnen nach Hause schickte. Methan und Ethan sind Gase, die bei den auf der Erde herrschenden Temperaturen kondensieren. Um zu der Flüssigkeit zu kondensieren, die die dunklen Meere des Titan füllt, benötigen sie Temperaturen von etwa minus 157 Grad Celsius (minus 250 Grad Fahrenheit). Doch bei solch extremer Kälte bewegen sich Atome und Moleküle nur langsam, so dass chemische Reaktionen in Zeitlupe ablaufen – viel zu langsam, um Leben zu ermöglichen, so Petkowski.
Am anderen Ende des Spektrums kommt geschmolzenes Gestein nicht in Frage, da die enorme Hitze, die erforderlich ist, um das Gestein flüssig zu halten, auch fast alle organischen Moleküle aufspaltet.
Einige Chemikalien wie Ammoniak haben die richtigen Eigenschaften, um sich als Lösungsmittel für die Chemie des Lebens zu eignen. Aber das ist vielleicht gar nicht so wichtig, denn dieselben Prozesse, die einen Gesteinsplaneten mit Ammoniak ausstatten, werden ihn wahrscheinlich auch mit Wasser versorgen, und wenn das passiert, vermischen sich die beiden Substanzen fast zwangsläufig. Das ist an sich schon eine interessante Perspektive für Leben, denn Ammoniak senkt den Gefrierpunkt von Wasser, was eine größere Bandbreite an Orten eröffnet, an denen Leben in der Kälte überleben könnte.
„Ammoniak kann zwar eine größere Rolle in der Biochemie eines Exoplaneten spielen als auf der Erde“, schrieben Bains und seine Kollegen in ihrer jüngsten Arbeit, „aber es ist unwahrscheinlich, dass es ein eigenständiges Lösungsmittel ist.“
Leben in einer sauren Welt
Sollten Astrobiologen also jemals außerirdisches Leben mit einer seltsamen Chemie finden, die eine andere Flüssigkeit als Wasser verwendet, wird es sich wahrscheinlich nicht um Methan, Ammoniak oder geschmolzenes Gestein handeln – aber irgendwo da draußen könnte außerirdisches Leben Zellen haben, die mit reiner Schwefelsäure gefüllt sind.
Ausgehend von physikalischen Modellen über die Entstehung von Sonnensystemen sollte Schwefelsäure auf felsigen Planeten wie der Venus recht häufig vorkommen, und sie ist definitiv gut im Auflösen von Dingen. Aber überraschenderweise können einige der wichtigsten Bausteine für das Leben – wie Aminosäuren und Lipide – in reiner Schwefelsäure genauso gut herumschwimmen und Chemie betreiben wie in Wasser.
„Klassischerweise wird [Schwefelsäure] nicht als großartiges Lösungsmittel [für Leben] angesehen“, sagte Dirk Schulze-Makuch, ein Astrobiologe an der Technischen Universität Berlin, der nicht an der aktuellen Studie beteiligt war, gegenüber kosmischeweiten.de. „Bains und Co-Autoren haben jedoch gezeigt, dass eine erstaunlich große Anzahl und verschiedene Arten von organischen Stoffen in konzentrierter Schwefelsäure stabil sind. Das war ziemlich überraschend.“
Petkowski war an einigen kürzlich durchgeführten Experimenten beteiligt, bei denen festgestellt wurde, dass einige Peptide (kurze Ketten von Aminosäuren) in konzentrierter Schwefelsäure tatsächlich monatelang stabil sind – so stabil, dass die Forscher sich irgendwann mit den Messungen gelangweilt haben, so Petkowski. Frühere Experimente ergaben, dass sich 19 der 20 Aminosäuren, die im menschlichen Körper Proteine bilden, in konzentrierter Schwefelsäure nicht auflösen. Und eine Studie, die noch auf ihre Begutachtung wartet, ergab, dass Lipide (die Moleküle, aus denen unsere Zellmembranen bestehen) konzentrierter Schwefelsäure nicht nur standhalten können, sondern sogar winzige, mit Flüssigkeit gefüllte Säckchen bilden, die Bläschen, den Vorläufern von Membranen, sehr ähnlich sehen.
Wie kann das passieren? Seltsamerweise ist der Schlüssel Wasser. Schwefelsäure findet man auf der Erde normalerweise mit Wasser vermischt, nicht in ihrer reinen Form; es ist eigentlich Wasser mit etwas Säure darin. Und in dieser Mischung katalysiert Schwefelsäure chemische Reaktionen zwischen Wasser und den Bindungen, die Peptide zusammenhalten. Nimmt man entweder das Wasser oder die Säure weg, können diese Reaktionen nicht stattfinden – Peptide sind also in beiden Lösungsmitteln stabil, aber nicht in einer Mischung aus beiden.
„Konzentrierte Schwefelsäure ist eine ganz andere Substanz als verdünnte Säure“, sagt Petkowski. „Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Schwefelsäure die gesamte organische Chemie vernichtet. Das ist falsch. Sie ist ein sehr aggressives Lösungsmittel, aber sie ist sehr aggressiv gegenüber bestimmten Teilen organischer Moleküle, wie z. B. Zuckern.“ (Bei aller Milde gegenüber Aminosäuren und Lipiden zerstört Schwefelsäure auf jeden Fall Zucker, die einen großen Teil des Gerüsts bilden, auf dem das Leben aufgebaut ist.)
Irgendwo im Universum könnte es in Schwefelsäureseen von Lebensformen wimmeln, deren Grundchemie sich nur wenig von der unseren unterscheidet.
Außerirdische Lebensformen, die Schwefelsäure anstelle von Wasser verwenden, würden dem Leben auf der Erde wahrscheinlich erstaunlich ähnlich sehen, mit einigen subtilen, aber wichtigen Unterschieden in ihrer chemischen Zusammensetzung.
„Wir sollten Schwefelsäure als eine Umgebung verstehen, die nicht so fremd ist, wie wir denken“, sagt Petkowski. (Das bedeutet nicht, dass Sie gefahrlos in konzentrierter Schwefelsäure schwimmen können; Ihre Zellen haben sich nicht dafür entwickelt. Testen Sie es bitte nicht.)
Zum Beispiel müsste das Leben in einem schwefelsauren Meer etwas Robusteres anstelle von Zucker verwenden, der sich in Schwefelsäure sehr schnell auflöst. Auf der Erde dienen Zucker den Zellen als Energiespeicher, und sie bilden auch Teile der Zellwände. Außerirdische auf der Venus würden eine andere Art von Molekülen verwenden, um die gleichen Dinge zu tun, ohne auseinanderzufallen.
„Man muss seine organische Chemie an das Lösungsmittel anpassen“, sagt Petkowski. „Man muss die chemischen LEGO-Bausteine richtig auswählen, aber am Ende kann man mit funktionell gleichen Strukturen ankommen.“
Andere Unterschiede könnten subtiler sein. Konzentrierte Schwefelsäure spaltet die meisten Aminosäuren, die unser Körper verwendet, nicht auf, aber sie verursacht kleine Veränderungen in ihren „Seitenketten“, d. h. in den Atomketten, die wie ein Schwanz aus dem Molekül herausragen. Und nur eine einzige chemische Bindung macht den Unterschied zwischen einem Peptid, das in Schwefelsäure stabil ist, und einem, das zerfällt. Außerirdische auf einer sauren Welt könnten also immer noch Zellen aus Aminosäuren und Proteinen haben, aber sie könnten ein klein wenig anders aussehen als unsere.
Die Membranen, die die Zellen umgeben – und die die chemischen Mechanismen des Lebens im Inneren und alles andere außerhalb halten – können jedoch auffallend vertraut aussehen. Die bläschenartigen Kügelchen, die entstanden, als Petkowski und seine Kollegen Lipide in Schwefelsäure legten, bildeten sich auf genau dieselbe Weise, wie sich Bläschen in Wasser bilden: durch einen Prozess, der Perlenbildung genannt wird. Zuerst bilden die Lipide Röhren, und dann brechen diese Röhren in kleine Bläschen auseinander. Das Leben in einer sauren Welt könnte andere Lipide verwenden als die in unseren Zellmembranen, aber die Physik der Membranbildung würde gleich aussehen, wenn Petkowski und seine Kollegen Recht haben.
Astrobiologen wie Petkowski, Schulze-Makuch und andere sind sich immer noch nicht ganz sicher, wie all die Teile des Lebens, wie wir es nicht kennen, zusammenkommen könnten. Aber, wie Petkowski betonte, sind sie sich auch nicht sicher, wie einige Molekülgruppen hier auf der Erde den Sprung von der Chemie zum Leben geschafft haben.
„Wir sind so weit davon entfernt, den Ursprung des Lebens im Wasser herauszufinden, wie wir es bei konzentrierter Schwefelsäure sind“, sagte Petkowski.
