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Astrochemie: Kosmisches Eis - Wiege des Lebens?

Eis in seiner uns vertrauten Form ist lebensfeindlich. Doch eine exotische Variante im Weltall kann die Bildung organischer Moleküle fördern - und hat vielleicht den Grundstein für das Leben auf der Erde gelegt.


Als die Raumsonde Voyager 1 vor elf Jahren das Sonnensystem verließ, richteten die Nasa-Ingenieure die Bord-Kamera für einen letzten Schnappschuss auf die Erde. Zu sehen war nur noch ein winziger Punkt, der wegen der Streuung des Sonnenlichts in den riesigen Ozeanen blassblau erschien. In der Tat ist die Erde ein Wasserplanet. Wie weit Forscher auch um den Globus reisen und wie hoch oder tief sie ihre Messgeräte platzieren – überall wo sie auf flüssiges Wasser stoßen, finden sie irgendeine Form von Leben, das an diese spezielle Umgebung angepasst ist.

Wasser hat jedoch auch eine weniger erfreuliche Kehrseite. Bildet es im flüssigen Zustand die Voraussetzung für Leben, so ist es in fester, kristalliner Form sein schlimmster Feind. Organismen können in Geysiren hausen, sich in Salzlaken tummeln und in Säuren baden, aber gegen Eis in ihrem Inneren sind sie machtlos. Wenn Wasser gefriert, treibt die exakte Ordnung der Moleküle in den Kristallen gelöste Substanzen aus, und die scharfkantigen Eispartikeln zerreißen organisches Material unwiederbringlich. Zumindest gilt das für die Erde.

In den Weiten des interstellaren Raums aber ist eine ungewöhnliche Art von gefrorenem Wasser allgegenwärtig, das ganz andere Eigenschaften hat. Es kann jene Art von einfachen organischen Verbindungen beherbergen, aus denen das Leben hervorgegangen ist – und es erleichtert möglicherweise sogar deren Bildung. Demzufolge könnte interstellares Eis wesentlich an der Entstehung der ersten Organismen mitgewirkt haben.

Hinter der Frage nach dem Ursprung des Lebens steckt immer auch die nach der Herkunft der kohlenstoffhaltigen Substanzen, die seine Wegbereiter gewesen sind. Seit mehr als einem Jahrzehnt ist bekannt, dass organische Moleküle in interstellaren Wolken und Kometen vorkommen. Wissenschaftler gelangten außerdem zu dem Schluss, dass eine gefrorene Masse, die große Mengen Wassereis enthält, überall dort im Weltraum existiert, wo Staub und Gas tief genug abgekühlt werden, um zu Festkörpern zu kondensieren. In erster Linie sind das kalte Molekülwolken.

Organische Moleküle aus dem All

Viele Planetenforscher gehen noch einen Schritt weiter. Ihrer Ansicht nach sind die im Eis gebundenen organischen Stoffe im Huckepackverfahren auch zur Erde gelangt. Als vor 4,5 Milliarden Jahren eine kalte Molekülwolke in sich zusammenstürzte und dabei unser Sonnensystem bildete, habe sich ein Teil des enthaltenen Eises mitsamt etwas Staub zu Kometen zusammengeballt. Diese "schmutzigen Schneebälle" könnten dann mit der noch jungen Erde kollidiert sein und ihre organischen Verbindungen darauf deponiert haben. So entstand jene "Ursuppe" auf unserem Planeten, in der sich schließlich die ersten primitiven Lebensformen entwickelten.

Auch nach der Entdeckung organischer Substanzen im interstellaren Raum blieb allerdings unklar, wie sie dort entstehen. Untersuchungen von Wasser bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts (wo jegliche Molekularbewegung zum Stillstand kommt) haben kürzlich jedoch die Antwort verraten. Danach gaben minimale Änderungen in der Struktur von Eis den Anstoß für den Zusammenschluss von Kohlenstoff, Stickstoff und weiteren biologisch unverzichtbaren Elementen zu ersten organischen Verbindungen.

Auch unser Team am Ames-Forschungszentrum der Nasa spürte den geheimnisvollen und überraschenden Eigenschaften von interstellarem Eis nach. Dabei fanden wir bestätigt, dass es – wissenschaftlich gesagt – amorph ist: Es weist keine nennenswerte molekulare oder atomare Ordnung auf und hat folglich auch keine Kristallflächen mit definierten Kanten und Ecken. Einem Weltraumreisenden erschiene es so durchsichtig wie Fensterglas.

Die meisten Festkörper kommen in der Natur in Form von Kristallen vor, in denen die Atome oder Moleküle in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind. Wenn manche Flüssigkeiten rasch abgekühlt werden, bleibt den herumschwirrenden Teilchen jedoch nicht genug Zeit, die vorgesehenen Plätze einzunehmen. Die Schmelze erstarrt dann in einem amorphen Zustand. Das bekannteste Beispiel dafür ist Glas, bei dem es sich, grob betrachtet, um eine nicht-kristalline Form von Quarz handelt.

Bei flüssigem Wasser funktioniert der Trick mit dem Abschrecken allerdings nicht. Es kristallisiert, auch wenn man es sehr schnell abkühlt. Darum wurde amorphes Eis erst 1935 entdeckt, als Forscher den Festkörper untersuchten, der sich beim langsamen Abscheiden von Wasserdampf im Vakuum bildet.

Sogar viele Nichtchemiker wissen, dass Wasser eine Verbindung aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen ist. Seine große biologische Bedeutung aber beruht darauf, dass das Sauerstoffatom zwei keulenartig vorspringende Elektronenpaare hat, die schwache Bindungen mit den leicht positiv geladenen Wasserstoffatomen benachbarter Wassermoleküle eingehen können. Diese so genannten Wasserstoffbrückenbindungen verknüpfen auch die Moleküle von flüssigem Wasser schon zu lockeren Aggregaten. Unterhalb des Gefrierpunkts sorgen sie dann für die exakte Anordnung der Wassermoleküle in Reih und Glied.

Welche Kristallstruktur dabei angenommen wird, hängt unter anderem von Druck und Temperatur ab. Man kennt nicht weniger als zwölf Formen von kristallinem Eis, aber nur eine einzige – die hexagonale – kommt natürlicherweise auf der Erde vor. Die Sauerstoffatome bilden darin ein Muster mit sechsfacher Drehsymmetrie, das sich in der Gestalt von Schneeflocken wieder findet. Bei Temperaturen deutlich unterhalb des Gefrierpunkts können sich die Sauerstoffatome dagegen in einem würfelförmigen Gitter anordnen.

Ultrakaltes Eis kann wie Wasser fließen

Während die Wasserstoffbrückenbindungen in kristallinem Eis fixiert sind, werden sie in flüssigem Wasser ständig in raschem Wechsel gelöst und neu geknüpft. Dieser Unterschied ist für das Entstehen von Leben entscheidend. Die flexible Umordnung der Bindungen befähigt flüssiges Wasser, seine innere Struktur an die physikalischen und chemischen Erfordernisse von Organismen anzupassen. So wie eine Gasblase in Wasser, nicht aber in festem Eis aufsteigen kann, müssen organische Moleküle in der Lage sein, sich zwischen Wassermolekülen zu bewegen. Das erst ermöglicht ihnen, sich zu komplexeren Verbindungen zusammenzuschließen.

Auch in amorphem interstellarem Eis sind die Wasserstoffbrückenbindungen nicht starr fixiert. Darauf beruht seine vielleicht faszinierendste Ei-genschaft: Selbst bei einer Temperatur dicht über dem absoluten Nullpunkt (–273,15 Grad Celsius oder 0 Kelvin) kann es fließen, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird, das im tiefen Weltraum allgegenwärtig ist. Durch diese Eigenschaft vermag interstellares Eis ebenso wie flüssiges Wasser die Entstehung von organischen Verbindungen zu fördern.

Auf deren Spur kamen Wissenschaftler in den frühen siebziger Jahren, als sie die Chemie in den Zentren kalter Molekülwolken im interstellaren Raum erforschten. Damals führten J. Mayo Greenberg von der Universität Leiden (Niederlande) und Louis J. Allamandola vom Ames-Forschungszentrum bahnbrechende Untersuchungen durch. Demnach bestehen bis zu zehn Prozent des Volumens von interstellaren Eiskörnern aus einfachen Molekülen wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methanol und Ammoniak.

Seither konnten Astronomen mehr als hundert verschiedene organische Verbindungen in kalten Molekülwolken nachweisen. Das gelang mit speziellen Teleskopen für Infrarot- und Submillimeter-Strahlung, die von Staub und Gas weniger zurückgehalten wird als gewöhnliches Licht. Die Wissenschaftler verglichen Infrarotspektren von Wolken im Weltraum mit solchen von "interstellarem Eis", das sie im Labor hergestellt hatten. Dabei konnten sie ihre Vorstellungen über den Ursprung der organischen Verbindungen im All präzisieren. Diese mussten großenteils in Eisschichten entstanden sein, die auf einem Kern aus Silicat oder Kohlenstoff aufgefroren waren. In dichten Molekülwolken sind solche vereisten Staubkörner nicht größer als ein zehntausendstel Millimeter.

Zunächst blieb allerdings unklar, durch welche chemischen Reaktionen sich die organischen Moleküle im All gebildet haben könnten. Die Bedeutung der ungewöhnlichen Eigenschaften von interstellarem Eis für die Synthese von Kohlenstoff-Verbindungen wurde erst 1993 deutlich, als wir im Labor für Weltraummikroskopie am Ames-Forschungszentrum mit der Untersuchung jener Eisformen begannen, die ausschließlich bei niedrigen Drücken auftreten. Dazu froren wir Wasserdampf in einem geeignet modifizierten Tieftemperatur-Elektronen-Transmissions-Mikroskop aus. Auf diese Weise ließen sich in dem Gerät nur wenige hundert Mo-leküle dicke Eisfilme erzeugen. Um Änderungen ihrer Gestalt und Struktur zu beobachten, nahmen wir, während wir sie aufwärmten oder abkühlten, Bilder der Proben mit hoher Vergrößerung sowie Elektronenbeugungsmuster auf.

Bei hinreichend tiefen Temperaturen (unter 30 Kelvin) und genügend langsamer Abscheidung (weniger als 0,1 Millimeter pro Stunde) bildete sich ein amorpher Festkörper, der den Strukturen von interstellarem Eis sehr ähnlich war, wie sie aus Infrarotspektren abgeleitet wurden. Er wies eine besondere Struktur mit hoher Dichte auf, die zuvor nur von einem Röntgenbeugungsexperiment aus dem Jahre 1976 bekannt war. Wir fanden bestätigt, dass Wasserdampf, den man bei etwa 14 Grad über dem absoluten Nullpunkt abscheidet, eine andere amorphe Struktur hat als ein Film, der bei 77 Kelvin aufgedampft wird. Tatsächlich konnten wir beim langsamen Erwärmen des Eises den Übergang von der Tief- in die Hochtemperaturform verfolgen. Das Beugungsmuster der ersteren ließ sich am besten durch die Annahme erklären, dass sich einige Wassermoleküle in unregelmäßige Hohlräume zwängen, welche die Nachbarmoleküle bilden. Dadurch werden die Sauerstoffatome sehr eng gepackt, und es entsteht amorphes Eis hoher Dichte. Mit 1,1 Gramm pro Kubikzentimeter liegt sein spezifisches Gewicht etwa 15 Prozent über dem von gewöhnlichem Eis.

Mit Kometen huckepack zur Erde

Wir bestätigten auch Ergebnisse, die Hans Günther Heide 1984 am Berliner Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft gewonnen hatte. Der deutsche Forscher schoss seinerzeit sehr energiereiche Elektronen auf amorphes Eis hoher Dichte. Dieses änderte während der Bestrahlung unablässig seine Struktur und begann regelrecht zu fließen. Einzige Voraussetzung: Das Bombardement mit Elektronen musste bei Temperaturen unter 30 Kelvin stattfinden.

Die Entdeckung, dass amorphes Eis flüssigem Wasser ähnlicher ist als gefrorenem, war eine Riesenüberraschung. Die meisten Wissenschaftler hatten zuvor angenommen, dass alle Formen von Wassereis bei Temperaturen unterhalb von etwa fünfzig Kelvin ihren inneren Aufbau strikt beibehalten. Wie Heide jedoch herausfand, wandelt sich derart kaltes Eis beim Beschuss mit Elektronen unabhängig von seiner ursprünglichen Struktur in die amorphe Form hoher Dichte um. Andere Forscher entdeckten später, dass Ultraviolett-Strahlung, der kalte Molekülwolken häufig ausgesetzt sind, denselben Effekt haben.

Demnach sollte interstellares Eis überwiegend in der amorphen Hochdichte-Form vorliegen. Die unregelmäßig zusammengezwängten Wassermoleküle in dieser Struktur ermöglichen eingeschlossenen Fremdatomen oder -molekülen eine gewisse Beweglichkeit. Auf diese Weise können sich die biologisch wichtigen Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff begegnen und zu organischen Verbindungen zusammenschließen. Außerdem haben verschiedene Untersuchungen gezeigt, dass bei Bestrahlung von amorphem Eis hoher Dichte mit energiereichen Teilchen oder Lichtquanten Fremdmoleküle wie Kohlenmonoxid oder Ammoniak in hochreaktive Fragmente – so genannte Radikale – aufgespalten werden. Diese können dann im Eis umherwandern, bis sie auf andere reaktive Teilchen treffen, und sich mit ihnen verbinden.

Damit hatten wir einen plausiblen Mechanismus für den Ursprung von organischen Verbindungen in interstellarem Eis gefunden. Als Nächstes stellte sich nun die Frage, wie diese Stoffe unversehrt auf die Erde gelangen konnten. Die geeignetsten Tiefkühltransporter sind Kometen – Überbleibsel der Eisbrocken, die sich beim Gravitationskollaps der kalten Molekülwolke bildeten, aus der unser Sonnensystem entstand. In der Nähe der jungen Sonne herrschten so hohe Temperaturen, dass fast alle Elemente und Verbindungen in Gasform vorlagen. In den kühleren Gebieten außerhalb der Umlaufbahn von Jupiter dagegen könnten amorphes Eis und die in ihm erzeugten organischen Verbindungen erhalten geblieben sein, als sich der Staub zu Kometen und anderen kleinen Körpern verband.

Selbst heute liegt ein Großteil des Wassereises in Kometen noch in amorpher Form vor. Darauf deuten Untersuchungen des Schweifs hin, den die schmutzigen Schneebälle entwickeln, wenn sie beim Durchqueren des inneren Sonnensystems in Sonnennähe aufgeheizt werden und Gase wie Kohlenmonoxid und Methan freisetzen. Das geschieht allerdings erst bei wesentlich höheren Temperaturen, als man erwarten würde, wenn diese äußerst leichtflüchtigen Substanzen als separate Festkörper vorlägen. In diesem Falle würden sie schon bei viel niedrigeren Temperaturen verdampfen – lange, bevor die Kometen das innere Sonnensystem erreicht hätten. Offensichtlich müssen die Gase in der Eisstruktur eingeschlossen sein, die Frage ist nur wie.

Bei der Bildung eines Kometen erwärmt sich das Eis und wandelt sich dadurch vermutlich in die amorphe Form mit niedriger Dichte um. Unseren Tieftemperaturexperimenten zufolge verläuft der Übergang graduell zwischen 35 und 65 Kelvin. Da dabei Wasserstoffbrückenbindungen aufbrechen und sich neu bilden, erhöht sich für die Radikale im Eis die Chance, zu wandern, sich zu begegnen und miteinander zu reagieren. Wenn sich das Eis allerdings so stark erwärmt, dass es kristallisiert, werden alle flüchtigen Fremdmoleküle ausgestoßen und ins All getrieben.

Glaseis wird zu Sirup

Wie hängt die Kristallisation von der Zeit und der Temperatur ab? Unseren Untersuchungen zufolge beginnt sie in einer ersten Stufe bei etwa 135 Kelvin. Dabei ordnen sich die Wassermoleküle in einem kubischen Gitter an. Organische Moleküle fänden darin keinen Platz. Wir entdeckten aber, dass eine gesonderte amorphe Komponente bestehen bleibt. Nur ungefähr ein Drittel des gesamten Eisvolumens kristallisiert; der Rest behält eine ungeordnete Struktur, die sich kaum von der bei tieferen Temperaturen unterscheidet.

Schon länger war bekannt, dass sich amorphes Eis zwischen 125 und 136 Kelvin in eine viskose Flüssigkeit verwandelt. Dieses Phänomen tritt auch bei anderen amorphen Materialien wie Fensterglas auf und wird als Glasübergang bezeichnet. Unterhalb dieses kritischen Temperaturbereichs ist das Material nicht deformierbar und verhält sich wie ein spröder Festkörper; oberhalb lässt es sich plastisch verformen. Allerdings gleicht die Viskosität der Flüssigkeit knapp oberhalb des Glasübergangs eher der von kaltem Sirup als von gewöhnlichem Wasser. Eine Bewegung, die dort eine Sekunde dauert, würde in der hochviskosen Variante 100000 Jahre benötigen. Aber im Dasein eines Kometen ist das ja keine sonderlich lange Zeit.

Bis zu unserer Entdeckung war kaum jemand auf die Idee gekommen, die viskose Form von amorphem Eis im Weltraum zu vermuten. Es galt als selbstverständlich, dass oberhalb von 135 Kelvin die ungeordnete Tieftemperaturmodifikation rasch im kubischen Gitter kristallisiert. Wir fanden jedoch heraus, dass die viskose Flüssigkeit zwischen 150 und 200 Kelvin beliebig lange mit dem kubischen Eis koexistieren kann. Sie ist daher vielleicht ein wesentlicher Bestandteil der Kometen und auch der eisförmigen Monde unserer Nachbarplaneten, deren Temperaturen alle in diesem Bereich liegen. Das Gemisch aus viskoser Flüssigkeit und kristallinem Eis könnte Fremdmoleküle eingeschlossen und so wichtige organische Verbindungen über lange Zeiten gespeichert haben – bis ein Komet irgendwann vielleicht auf die Erde traf.

Und das führt uns zurück in irdische Sphären. Erwärmt sich das Gemisch aus kubischem Eis und viskoser Flüssigkeit auf etwa 200 Kelvin (immer noch eine ausgesprochen frostige Temperatur von –73 Grad Celsius), wandelt es sich vollständig in die alltägliche hexagonale Form um. Während dieser Rekristallisation werden sämtliche verbliebenen Fremdsubstanzen – einschließlich der organischen Verbindungen – aus dem Festkörper ausgetrieben. Und dann ist das Eis genau so, wie wir es von Schneeflocken, Gletschern oder Martini on the rocks kennen. Aber zum Glück haben die organischen Verbindungen jetzt einen neuen Zufluchtsort gefunden, nämlich das fast überall auf der Erde vorkommende flüssige Wasser.

Wie es scheint, war Wasser also in fester oder flüssiger Form von Anfang bis Ende an der Bildung und Weiterentwicklung von Basismolekülen für das Leben beteiligt. Es erlebte eine lange Reise von seinen Ursprüngen als gefrorene Schicht auf interstellaren Staubpartikeln bis zu seinem letztendlichen Schicksal als flüssiges Wasser auf der Erde – und vielleicht in anderen bewohnbaren Gebieten des Universums.

Die exotischen Formen von Eis mit ihren besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die wir gerade erst zu verstehen beginnen, könnten am Ende also mehr über die Geschichte des Universums verraten, als Wissenschaftler dies jemals für möglich gehalten hätten.

Literaturhinweis


Organic Molecules in the Interstellar Medium, Comets and Meteorites: A Voyage from Dark Clouds to Early Earth. Von P. Ehrenfreund und S. Charnley in: Annual Review of Astronomy and Astrophysics, Bd. 38, S. 427, 2000.


Steckbrief


Eis tritt wegen der speziellen Bindungen, die Wassermoleküle mit ihren Nachbarn eingehen, in einer Vielzahl un-terschiedlicher Formen auf. In der kristallinen Variante, die natürlicherweise auf der Erde vorkommt, sind diese Wasserstoffbrücken starr fixiert. Bei Bestrahlung mit Ultraviolettlicht, das im tiefen Weltraum allgegenwärtig ist, können sie sich jedoch umlagern.

Anders als gefrorenes Wasser aus unserem Alltag kann das kosmische Eis deshalb Fremdsubstanzen lösen und sie als Reaktionspartner zusammenbringen. So sind vermutlich in den Weiten des Alls grundlegende organische Moleküle entstanden und dann mit Kometen auf die Erde gelangt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2001, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 2001

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