Angemerkt!
Der Arsen-Schnellschuss geht nach hinten los
In einer Pressekonferenz feierte die NASA eine Veröffentlichung über Arsen fressende Bakterien als Sensation. Inzwischen wünscht sich die Organisation vermutlich, sie hätte es nicht getan: Wissenschaftler lassen kein gutes Haar an der Arbeit.
Lars Fischer
Die zentrale Behauptung des Teams um Felisa Wolfe-Simon, das Bakterium GFAJ-1 aus dem Mono Lake hätte Arsen statt Phosphor in seine Biomoleküle eingebaut, ist inzwischen unter schweren Beschuss geraten. Mehrere Mikrobiologen und Chemiker haben die Veröffentlichung unter die Lupe genommen und einhellig verrissen. Die Arbeit liefere kein einziges überzeugendes Indiz dafür, dass Arsen in DNA oder ein anderes Biomolekül eingebaut worden sei, schreibt zum Beispiel die Mikrobiologin Rosie Redfield von der University of British Columbia. Auch Harvard-Geochemiker Alexander Bradley bemängelt, einfache Kontrollexperimente seien nicht durchgeführt worden.
Tatsächlich stützt sich die Veröffentlichung in ihren Aussagen auf zwei wesentliche Befunde. Zum einen wuchsen die fraglichen Bakterien in einem Kulturmedium, zu dem die Autoren Arsenat, aber kein Phosphat zusetzten – für die Autoren ein Hinweis darauf, dass sie Arsenat an Stelle des für die Zellteilung nötigen Phosphats zum Wachsen nutzten.
Das zweite Indiz lieferten Untersuchungen, die Arsen im Zusammenhang mit isolierten Biomolekülen nachweisen sollten. Es sind diese Experimente, die am heftigsten kritisiert werden, denn die Forscher verzichteten auf mehrere Arbeitsschritte und Verfahren, die für eine solche Untersuchung eigentlich Routine sind – darunter wichtige Reinigungsschritte. So können sie den Verdacht nicht ausräumen, die gemessenen Arsenkonzentrationen seien bloße Verunreinigungen gewesen.
Schlimmer noch: Dass ein Molekül wie DNA Arsen statt Phosphat enthält, weisen gängige chemisch-physikalische Analysemethoden wie die Massenspektrometrie mühelos nach. Die nötigen Gerätschaften stehen in jedem chemischen Institut der Welt zur Verfügung, allein genutzt haben die Autoren sie offensichtlich nicht.
Grundsätzliche Kritik kommt auch von Chemikern. DNA mit eingebautem Arsen zerfällt in Wasser mit einer Halbwertszeit von etwa zehn Minuten, so instabil sind die Bindungen. Wolfe-Simon und Kollegen vermuten deswegen, ein besonderer biochemischer Mechanismus bewahre die DNA der Mikroben vor dem Zerfall. Bradley weist allerdings darauf hin, dass bei der Reinigung des Erbguts alle Fremdmoleküle und vor allem eventuell stabilisierende Proteine abgetrennt werden – die DNA aber bliebe intakt.
Tatsächlich erweist sich auch der überzeugendste Teil der Befunde, nämlich das Wachstum der Bakterien in einer Kultur mit Arsen statt Phosphor, bei näherem Blick als nicht allzu überzeugend. Auch das angeblich phosphatfreie Nährmedium enthält nämlich geringe Mengen Phosphor durch Verunreinigungen. Geringe Mengen im Vergleich zum Mono Lake, allerdings 100-fach mehr des Nährstoffs, als man zum Beispiel in der Sargassosee findet, merkt Bradley an. Und auch dort können sich Bakterien vermehren.
Es sieht also sehr danach aus, als sei die groß angekündigte Veröffentlichung in "Science" ein unglücklicher und wenig durchdachter Schnellschuss. Die Befunde von Wolfe-Simon und Kollegen sind nur schlecht durch Kontrollexperimente belegt, und die Forscher müssen jetzt belastbare Daten nachliefern, wenn sie mit ihren Resultaten weiter ernst genommen werden wollen.
Die NASA jedenfalls steht schon jetzt blamiert da. Erst erntete sie Kritik für ihre überbordende Vermarktung der "Science"-Veröffentlichung, nun steht auch noch hinter der wissenschaftlichen Qualität ihrer mikrobiologischen Forschung – immerhin einer zentralen Komponente der Suche nach außerirdischem Leben – ein großes Fragezeichen. Zumal ausgerechnet die Mikrobiologin Redfield säuerlich darauf hinweist, dass sich die NASA auf diesem Gebiet auch in der Vergangenheit nicht mit Ruhm bekleckert hat. Heute ließ sich dann der NASA-Sprecher Dwayne Brown laut einem Medienbericht zu der Bemerkung hinreißen, die Organisation halte es für "unangemessen", wenn ihre Forschung statt in wissenschaftlichen Veröffentlichungen in Medien und Blogs diskutiert werde – gerade fünf Tage nachdem die Organisation genau das auf einer Pressekonferenz selbst ausgiebig getan hatte.
Man sollte hier das Kind aber nicht mit dem Bade ausschütten – die nun von den Kritikern über der Arbeit und ihren Autoren ausgeschüttete Häme ist völlig überzogen und eigentlich nur erklärbar aus dem Ärger vieler Wissenschaftler über Pressekonferenz und Alien-Schlagzeilen in der Boulevardpresse. Denn auch wenn die Kritiker Recht behalten und sich in DNA und anderen Biomolekülen kein Arsen findet, ist der Mikroorganismus aus dem Mono Lake eine kleine biochemische Kuriosität, die viele interessante Fragen aufwirft. Nicht zuletzt, wie die Mikrobe das Arsen von ihren Molekülen fernhält.
Es gibt also noch viel zu lernen von GFAJ-1. Wenn nicht über außerirdisches Leben, dann doch über Biochemie, extreme Umweltbedingungen und – wieder einmal – darüber, dass außergewöhnliche Behauptungen auch außergewöhnlicher Belege bedürfen.
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1. Zweifellos möglich - aber nicht sofort
28.11.2011, Hartmut Schirneck, 93053 RegensburgAll unser Wissen und unsere logischen Annahmen sprechen also dafür, daß für die Entstehung von Leben und eine anschließende Evolution nur ein paar wenige der leichteren chemischen Elemente nötig sind. Selbst Kulturen mit Schrift und Sprache können sich daraus entwickeln. Der Witz ist aber, daß für den Übergang von einer Kultur mit primitivem Werkzeug zu einer technischen zivilisation mit Raumfahrtpotential die schweren Elemente dann tatsächlich gebraucht werden! Die ersten Eisenbahnen und Automobile kamen noch ohne sie aus. Auch Drucklettern hätte man vielleicht auch noch ohne Blei entwickeln können. Die Fotografie aber benötigt schon Silber, die Kernenergie noch schwerere Elemente und ohne Kupfer, Silber, Gold, Antimon, Zinn, Arsen und Gallium hätte der Computer, mit dem wir heute schreiben, gar nicht erst gebaut werden können. Damit könnte man fast in bedeutungstrunkenes Philosophieren abgleiten: für den Jäger mit Faustkeil und die Frau, die das Korn mahlt, braucht die Evolution nur die leichteren Elemente. Die schweren schlummern währenddessen in der Kruste des Planeten für eine ganz ganz ferne Zukunft. Für den Übergang in eine technische Zivilisation. Das war ganz vorrausschauend von der kosmischen Nukleosynthese, daß sie den Planeten auch die schweren Atomkerne unter die Steine gelegt hat: "Es könnte ja mal sein ...".
Am Beispiel der sogen. Extremophilen wissen wir, mit welch sagenhafter Anpassungsfähigkeit manche Pilze und Bakterien uns überraschen - die sich in tödlicher Gammastrahlung pudelwohl fühlen oder sich buchstäblich von Glas und Gestein ernähren. Die Evolution tut uns aber nicht den Gefallen, an einem einzigen Labor-Tag zwischen Mittagspause und Feierabend eine Show abzuziehen. Für Sensationen wie das Arsenat-Wunder braucht sie sicher etwas länger.
2. Wie wär´s mal mit angewandter Chemie?
15.04.2013, Marcus WolfWie man als chemisch informierter Fachgenosse argumentieren könnte, möchte ich hier kurz entwickeln. Am Ende wird man sehen, dass auch die Biologen hätten erkennen müssen, dass die Arsenat-Hypothese keine chemischen Grundlagen haben kann.
Am Anfang steht die Beobachtung (oder die Kenntnisnahme der experimentellen Beobachtungen), dass die Arsen(V)-säure, H3AsO4, signifikant stärker sauer ist als die Ortho-Phosphorsäure, H3PO4 (siehe die Literaturübersicht in J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 31, No. 2, 2002). Auch wenn die Qualität und Konsistenz der Literaturdaten bei weitem nicht an die Genauigkeit der pKs-Werte für die Phosphorsäure heranreichen (von den Referenten wird eine Revision der experimentellen Bestimmung ausdrücklich nahegelegt - gerührt hat sich auf diesem Gebiet aber seit 2002 anscheinend nichts), so zeichnet sich hier wieder einmal eine beobachtbare Auswirkung des Periodensystems an. Was meine ich damit?
Nehmen wir einmal an, die experimentell bestimten pKs-Werte der Arsensäure sind richtig bestimmt und erweisen sich in einer sorgfältigen experimentellen Revision tatsächlich als negativer als die analogen pKs-Werte der Phosphorsäure. Die unmittelbare, molekülchemisch richtige Erklärung dafür wäre dann, dass die Elektronendichte an den Oxid-Liganden des Arsenat-Anions geringer ist als an den Oxid-Liganden des Phosphat-Ions, die O-H -Bindungen in der Arsensäure und den Hydrogenarsenat(V)-Anionen also schwächer sind als beim leichteren, homologen Phosphat(V)-Anion. Das Zentralatom im Arsenat(V)- muss also stärker elektronegativ sein als das Zentralatom im Phosphat(V)-Anion. Daraus folgt auch, dass die Abschirmung des Zentralatoms gegen Nucleophile wie OH- -Ionen oder Wasser im Arsenat(V)- schwächer ausfallen muss, als im Phosphat(V)-Anion. Zusätzlich kommt das grössere Molekülvolumen des [AsO4]3- ins Spiel, so dass das Zentralatom im [AsO4]3- grundsätzlich leichter nucleophil angegriffen werden sollte, als das Zentralatom im [PO4]3-.
Spätestens hier beginnt der Chemiker, in seinen Lieblings-Lehrbüchern zu blättern. Die Standard-Didaktik geht gerne über den Umstand hinweg, dass der Trend der Elektronegativitäten in den Gruppen der p-Block-Elementen eben nicht monoton abnehmend ist, genauer: nicht bei den Elementen Ga, Ge, As und Se. Hier wird gerne von einer "Anomalie" in der Periodizität der p-Block-Elemente gesprochen. Bei genauerem Hinsehen entpuppt sich diese Redensweise aber auch nur wieder als Erklärungs- und Theoriedefizit mancher Wissenschaftsgenossen.
Die chemisch richtige Erklärng liegt in der 3d-Orbitalkontraktion der Elemente Sc bis Zn. Die effektive Kernladung Zeff ist wegen der bekannten Richtungs- und Winkel-abhängigen Quantisierung (Anzahl der Knotenebenen für die Quantenzahl l=3) der 3d-Orbitale stark genug, dass die 4p-Orbitale der unmittelbar folgenden Elemente, insbesondere für die Atomrümpfe Ga3+, Ge4+, As5+, Se6+ und Br7+ stark kontrahiert sind. Da die Elektronegativität seit Linus Pauling immer als die variable Eigenschaft von Atomen in chemischen Verbindungen betrachtet wird, kann die experimentelle Beobachtung der Säurestärke von Arsensäure in wässrigen Medien als eines der stärksten Argumente für die 3d-Orbitatalkontraktion betrachtet werden. Dass die Natur Phosphat und nicht Arsenat als energetisch und genetisch relevantes Molekül bevorzugt, lässt sich stimmig mit den Subtilitäten des Periodensystems in Zusammenhang bringen. Diese Hypothese lässt sich, sozusagen "Ab Initio", aus dem Fundus des Periodensystems und des Elektronegativitäts-Begriffs, entwickeln. Vorausgesetzt, man könnte über diese chemische Information verfügen und wollte sie ehrlicherweise auch zur Sprache bringen.
Der Arsenat-Hype war keine Tragödie und kein vermeidbarer Unfall, sonder die Konsequenz einer Degeneration, zumindest im Mainstream der wissenschaftlichen Gemeinde. Das kommt dabei heraus, wenn den Erzählungen der Kommunikationstheoretiker die Deutungshoheit über naturwissenschaftliche Argumente zugestanden wird. Skandalös wird der Fall nicht durch eine schlecht ausgebildete Biologin, sondern dadurch, dass im Nachgang kaum jemand aus der wissenschaftlich informierten Gemeinde den offensichtlichen PR-Motivationen der soziologisch operierenden NASA-Administratoren in den Weg treten wollte.