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Überlegungen zu einer universellen Biochemie

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Alt 10.02.2013, 14:47   #1
Mahananda
 
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Standard Überlegungen zu einer universellen Biochemie

Überlegungen zu einer universellen Biochemie

Lebewesen funktionieren, weil die Stoffwechselvorgänge darin geordnet ablaufen. Diese Ordnung wird durch das Wirken spezifischer Enzyme gewährleistet. Da sich Enzyme mit der Zeit verbrauchen (sie unterliegen ebenfalls dem enzymatischen Abbau), müssen sie ständig neu produziert werden. Enzyme setzen sich aus Polypeptiden zusammen, die manchmal noch zusätzliche Bestandteile enthalten, die nicht Polypeptide sind (Proteide). Enzyme, die ausschließlich aus Polypeptiden bestehen, sind Proteine. Proteine dienen nicht immer als Enzyme. Sie können zum Beispiel auch als Gerüstsubstanz verwendet werden.

Alle Proteine bestehen aus einer Aneinanderreihung von meist 100 bis zu 1000 Aminosäuren, wobei 20 verschiedene Aminosäuren zur Auswahl stehen. Je nach Art und Reihenfolge der verwendeten Aminosäuren ergeben sich Polypeptide, die als Protein für verschiedene Funktionen geeignet sind. Für das Funktionieren eines Proteins ist also die Abfolge der Aminosäuren, die Aminosäurensequenz, entscheidend. Veränderungen der Aminosäuresequenz bewirken meist eine veränderte Eignung als Protein. Diese kann sich negativ auf den Gesamtstoffwechsel auswirken, weil eine wichtige Reaktionskette nicht oder nur über Umwege ablaufen kann und somit weitere, damit verknüpfte Reaktionswege beeinträchtigt werden. Andererseits kann eine veränderte Aminosäuresequenz Proteine hervorbringen, die sich positiv auf den Gesamtstoffwechsel auswirken, indem beispielsweise eine Reaktionskette beschleunigt abläuft, so dass benötigte Substrate schneller und in höherer Ausbeute zur Verfügung stehen als bisher.

Die Herstellung neuer Proteine muss daher möglichst vorlagegetreu erfolgen, um die Funktionsfähigkeit des Lebewesens zu gewährleisten. Der Mechanismus der Proteinherstellung, die Proteinbiosynthese, bedarf daher einer Vorlage, die weitgehend unempfindlich gegenüber Fehlerquellen ist. Diese Vorlage besteht aus einer anderen Klasse chemischer Verbindungen, die nicht Polypeptide sind. Damit unterliegen sie nicht derselben Klasse von Enzymen, die Peptide abbauen. Darüber hinaus wird die Sequenz der Bausteine dieser Vorlagen mit Hilfe eines zweiten, gegenläufigen Strangs vor Veränderungen geschützt, so dass die für die Proteinbiosynthese benötigte Sequenz konserviert wird.

Die Vorlage wird durch zwei Arten von Nukleinsäuren gebildet. Die eine Art ist vergleichsweise kurzlebig und enthält Ribose als Zuckeranteil. Diese Ribonukleinsäure, kurz RNA, wird aus einer Vorlage, bestehend aus Desoxyribonukleinsäure, kurz DNA, hergestellt. Bei DNA ist statt Ribose eine um ein Sauerstoffatom verringerte Variante, also Desoxy-Ribose, als Zuckeranteil vorhanden.

Das Prinzip, wonach aus einem DNA-Strang ein RNA-Strang hergestellt wird, ergibt sich aus der Struktur beider Nukleinsäuren. Jede Nukleinsäure setzt sich aus einer Vielzahl von dreigliedrigen Bausteinen, den Nukleotiden, zusammen. Ein Nukleotid besteht aus einem Phosphatrest, einem Zuckerrest (Ribose oder Desoxyribose) und einer Base. Als Base stehen jeweils vier zur Auswahl. Bei RNA sind es Adenin, Guanin, Uracil und Cytosin, bei DNA sind es Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin. Thymin unterscheidet sich von Uracil durch eine zusätzliche Methylgruppe (CH3-). Alle anderen Basen, also Adenin, Guanin und Cytosin werden in beiden Nukleinsäuren verwendet.

Die chemischen Eigenschaften der Basen sind so, dass sich gegenüberliegende Basen über Wasserstoffbrücken miteinander verbinden. Allerdings gelingt dies nur zwischen Adenin und Thymin (bzw. Uracil) einerseits und zwischen Guanin und Cytosin andererseits. Auf diese Weise legt die Sequenz der einen Nukleotidkette die Sequenz der gegenüberliegenden Nukleotidkette fest. Beide Nukleotidketten ergänzen sich infolge der jeweils möglichen Basenpaarungen zu einem Doppelstrang, der sich bei der DNA zu einer Doppelhelix windet, die sich ihrerseits weiter verknäuelt. Dieses Prinzip wird als komplementäre Basenpaarung bezeichnet und ermöglicht einerseits die Konservierung der Sequenzen beider Nukleotidstränge, andererseits die Verdopplung einer Doppelhelix mit nachfolgend identischen Tochtersträngen (identische Reduplikation, oder kurz: Replikation).

Darüber hinaus ist die Basensequenz eines DNA-Einzelstrangs auf der Basis dieses Prinzips als Vorlage dafür geeignet, einen gegenläufigen RNA-Strang herzustellen, der wiederum als Vorlage für die Proteinbiosynthese verwendet werden kann. Die Herstellung eines komplementären RNA-Strangs auf der Basis eines DNA-Vorlagestrangs mit Hilfe geeigneter Enzyme wird als Transkription (Umschreibung) bezeichnet. Der entstehende RNA-Strang, der nun seinerseits eine Vorlage bildet, transportiert als Negativ die in der DNA gespeicherte und konservierte Basensequenz zum Ort der Proteinbiosynthese, die mit Hilfe kleiner Körperchen bewerkstelligt wird, die etwa zur Hälfte aus Proteinen und zur Hälfte aus RNA bestehen, den Ribosomen. Da der RNA-Strang, die ursprüngliche Basensequenz als Vorlage von der DNA zum Ribosom transportiert, überbringt er gewissermaßen die Botschaft (engl. message) vom Speicher (DNA) zur Werkbank (Ribosom). Daher wird diese RNA als messengerRNA, kurz: mRNA (Boten-RNA) bezeichnet.

Die mRNA ist wertlos, wenn nicht auch Aminosäuren zum Ribosom gelangen, um dort verknüpft zu werden. Da Aminosäuren und RNA-Basen zu chemisch verschiedenen Verbindungsklassen gehören, können sie miteinander keine geeigneten Verbindungen eingehen, die eine eindeutige Verknüpfung gewährleistet. Zur Auswahl stehen auf der einen Seite vier verschiedene RNA-Basen und auf der an-deren Seite 20 verschiedene Aminosäuren. Um die Sequenz der einen Klasse von Verbindungen eindeutig in die Sequenz der anderen Klasse zu übertragen, müssen mehrere RNA-Basen für jeweils eine Aminosäure bereitgehalten werden. Wie viele das mindestens sein müssen, lässt sich leicht errechnen:

Für jeweils eine RNA-Base ergeben sich nur 4^1 = 4 mögliche verschiedene Aminosäuren.
Für jeweils zwei RNA-Basen ergeben sich 4^2 = 16 mögliche verschiedene Aminosäuren – immer noch zuwenig!
Für jeweils drei RNA-Basen ergeben sich 4^3 = 64 mögliche verschiedene Aminosäuren, was in vollem Maße ausreichend ist, um 20 verschiedene Aminosäuren darzustellen.

Damit die Aminosäuren mit Hilfe des Ribosoms auf der Basis des mRNA-Strangs entsprechend der Basensequenz in der richtigen Abfolge miteinander verknüpft werden können, müssen sie zuvor mit einer anderen Sorte von RNA, der tRNA (transferRNA oder Transport-RNA) verbunden werden, die aufgrund des Prinzips der komplementären Basenpaarung in der Lage ist, an den mRNA-Strang eindeutig eine Bindung einzugehen. Dieser Schritt, die Aminosäureaktivierung, erfolgt mit Hilfe besonderer Enzyme, die einerseits Aminosäuren eindeutig erkennen und andererseits die zugehörige tRNA. Die nunmehr beladenen tRNAs gelangen zum Ribosom, wo sie – entsprechend der passenden Dreiergruppe – mit der mRNA eine kurzfristige Bindung eingeht. Während dieser Bindungszeit wird die zuvor bereits hergestellte Aminosäurekette an die Aminosäure gebunden. Danach wird die frei gewordene tRNA entladen und das Ribosom wandert den nächsten Dreierschritt auf der mRNA entlang, wo wiederum eine weitere beladene tRNA angedockt ist.

Auf diese Weise gelingt es, die Basensequenz der mRNA in eine Aminosäuresequenz zu übertragen, wobei die Basensequenz als Vorlage dient. Dieser Übertragungsvorgang wird als Translation (Übersetzung) bezeichnet. Wenn schließlich auf der mRNA ein Abschnitt erreicht wird, wo keine passende beladene tRNA andocken kann, erfolgt der Abbruch der Proteinbiosynthese. Das entstandene Polypeptid löst sich vom Ribosom und kann entweder direkt als Protein verwendet werden oder es wird noch mit zusätzlichen Bestandteilen verknüpft, damit es als Proteid für eine bestimmte Funktion geeignet ist (processing).

Bei der Basensequenz stehen immer drei Basen (Triplett) für eine Aminosäure. Da es mehr Tripletts als Aminosäuren gibt, sind einige Aminosäuren überrepräsentiert. Insgesamt stehen für die 20 Aminosäuren 61 verschiedene Tripletts zur Verfügung, was dazu führt, dass die meisten Aminosäuren mit zwei oder vier Tripletts repräsentiert werden, so dass sich ein Durchschnitt von etwa drei Tripletts pro Aminosäure ergibt. Drei von 64 Tripletts sind unbelegt, das heißt, für sie gibt es keine beladenen tRNAs, die an die mRNA binden können. Diese drei Tripletts bewirken den Abbruch der Proteinbiosynthese. Aus all dem lässt sich ein mathematischer Zusammenhang ableiten, mit dessen Hilfe sich die Anzahl der repräsentierten Aminosäuren durch Translation bestimmen lässt:

Allgemeine Translationsgleichung: [(a^b) – c]/d = e

a = Anzahl der verfügbaren Basen in der Vorlage
b = Anzahl der Basen, die eine Aminosäure repräsentieren
c = Anzahl der nicht repräsentierenden Basenkombinationen (muss mindestens 1 sein!)
d = Anzahl der durchschnittlichen Basenkombinationen pro Aminosäure
e = Anzahl der repräsentierten Aminosäuren

Wenn man die bekannten Werte einsetzt, ergibt sich:

[(4^3) – 3]/3 = 20,333…

Da nur ganzzahlige Werte für e erlaubt sind, muss grundsätzlich abgerundet werden, so dass sich der Wert 20 ergibt.

Es ist nun interessant, zu untersuchen, was passiert, wenn man die einzusetzenden Werte verändert. Daraus lassen sich Schlussfolgerungen ableiten, die generell auf hypothetische Lebewesen übertragbar sind.

Beispielsweise könnte man annehmen, dass nicht vier Basen, sondern mehr oder weniger zur Verfügung stehen. Da das Prinzip der komplementären Basenpaarung gilt, sind nur geradzahlige Werte für a zulässig, also 2; 4; 6; 8; … Um 20 Aminosäuren repräsentieren zu können, benötigt man:

Für 2 Basen eine Kombination mit 5 Basen, also 2^5 = 32;
Für 4 Basen eine Kombination mit 3 Basen, also 4^3 = 64;
Für 6 Basen eine Kombination mit 2 Basen, also 6^2 = 36;
Für 8 Basen eine Kombination mit 2 Basen, also 8^2 = 64.

Es wird deutlich, dass Vorlagestränge mit 2 verfügbaren Basen eine zu große Zahl von Bindungen für eine Aminosäure bereithalten muss. Zu bedenken ist, dass viele Bindungen zugleich viel Zeitaufwand bedeuten, um a) die passende Kombination zu finden und b) die Bindungen zu knüpfen und wieder zu lösen. Folglich wäre eine Proteinbiosynthese auf dieser Basis zu langsam und damit zu wenig effizient. Weiterhin ist zu bedenken, dass der mRNA-Strang bei umfangreichen Peptidketten so lang wird, dass er anfälliger für Brüche ist. Das erfordert eine zusätzliche Sicherung, die zudem einen zusätzlichen Aufwand bedeutet, der zu lasten der Effizienz des übrigen Stoffwechsels geht. Die Zahl von 4 verfügbaren Basen stellt damit ein praktikables Mindestmaß dar.

Denkbar wären jedoch auch Vorlagestränge mit 6 verfügbaren Basen. In der Tat gibt es zwei Basen, die dafür geeignet wären, komplementäre Paarungen auszubilden. Es handelt sich dabei um Xanthin und um Diaminopyrimidin. Beide Basen werden im Stoffwechsel gebildet und umgesetzt und wären folglich verfügbar, aber dennoch werden sie nicht für die Translation genutzt. Die Gründe dafür ergeben sich aus folgenden Überlegungen:

Bei sechs verfügbaren Basen genügen bereits Zweierkombinationen, um 20 Aminosäuren zu repräsentieren. Insofern scheinen hier die Dinge einfacher zu liegen als bei der praktizierten Variante mit vier Basen in Dreierkombinationen. Allerdings würden dann viele Aminosäuren nur mit einer einzigen Zweierkombination repräsentiert werden, was wenig Spielraum für Optimierungen lässt. Gerade weil das gebräuchliche Translationsschema die meisten Aminosäuren durch zwei oder vier Tripletts repräsentiert, wirken sich Veränderungen in der Basensequenz nicht unbedingt auf die Aminosäuresequenz aus. Hier ist die Fehlertoleranz größer und damit die Gefahr schädlicher Veränderungen geringer als wenn eine erhebliche Anzahl von Aminosäuren nur durch ein einziges Triplett repräsentiert wäre.

Würde man bei sechs verfügbaren Basen auf größere Fehlertoleranz Wert legen und wenigstens durchschnittlich zwei Kombinationen pro Aminosäure zugrundelegen, ergäbe sich dieser Wert für e:

[(6^2) – 1]/2 = 17,5 also 17 Aminosäuren

In diesem Fall würde die sechsbasige Variante nicht ausreichen, um 20 Aminosäuren zu repräsentieren.

Dann bliebe noch die Möglichkeit, dass eine sechsbasige Variante mit Tripletts funktionieren könnte, wie es bei der vierbasigen Variante der Fall ist. Schnell wird deutlich, dass dies unpraktikabel ist, denn es ergeben sich 6^3 = 216 verschiedene Tripletts, die – abgesehen von einigen wenigen, die unbelegt bleiben müssen, um den Syntheseabbruch zu bewirken – dann auch mit entsprechend beladenen tRNAs verbunden werden müssen. Bei 20 Aminosäuren ergeben sich dann durchschnittlich 10 Tripletts pro Aminosäure, was die Fehlertoleranz so ausweitet, dass Veränderungen in der Basensequenz nur noch äußerst selten zu Veränderungen in der Aminosäuresequenz führen. Das hat wiederum zur Folge, dass die Lebewesen im Laufe der Generationen eine zu geringe Variabilität aufweisen, um sich an veränderte Umweltbedingungen anpassen zu können. Das bedeutet, dass Lebewesen mit sechsbasigen Tripletts als Vorlage zur Proteinsynthese aufgrund zu hoher Uniformität aussterben würden.

Aus den genannten Gründen haben sich in der Evolution sechsbasige RNAs – sollte es sie je gegeben haben – nicht durchgesetzt. Die vierbasige Variante erwies sich hier einerseits als fehlertolerant genug aber andererseits zugleich auch als flexibel genug, um relative Artkonstanz mit Variabilität in praktikablem Ausmaß zu kombinieren, so dass eine Evolution möglich wurde.

Bleibt noch die Variante mit acht Basen: Hier könnten Zweierkombinationen ebenso für 20 Amino-säuren geeignet sein wie vierbasige Tripletts, weil hier wie da 64 verschiedene Kombinationen möglich sind. Allerdings sind acht Basen für komplementäre Basenpaarungen schwerer zu finden als vier Basen, so dass die Evolution in Gang kam, nachdem vier geeignete Basen gefunden waren. Achtbasige Varianten hatten folglich keine Chance, jemals zu entstehen, weil die Entwicklung der gleichermaßen fitten vierbasigen Varianten ihnen davoneilte.

Aus diesen Überlegungen lässt sich schlussfolgern, dass auch außerirdische Lebewesen ihre Proteine mit Hilfe von Tripletts vierbasiger Vorlagestränge synthetisieren, wobei zu bedenken ist, dass die dort verwendeten Aminosäuren zum Teil andere sein werden als die, die hier verwendet werden. Außerdem ist zu erwarten, dass die RNA-Basen – wenn es die gleichen sind (es kann aber auch Xanthin und Diaminopyrimidin sein!) – nicht notwendigerweise mit Phosphat und Ribose verknüpft sind, sondern mit anderen Brückenstoffen (Beispielsweise in Gestalt von Peptidbindungen als PNA!). Dennoch dürfte das Prinzip der komplementären Basenpaarung als universell anzusehen sein, um praktikable Aminosäuresequenzen zu konservieren und zu reproduzieren.
Mahananda ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 10.02.2013, 19:50   #2
Universalist
 
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Standard Universelle Biochemie

Danke für diesen sehr beeindruckenden und interessanten Beitrag zum Thema Biochemie.

Wer weiter als mit Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin in der Materie drin steckt, hat glaube ich mehr vom Thema. Regt zum Selbststudium an, um hier mitreden/kommentieren zu können.

Ich mag es wenn sich jemand wie Mahananda hier die Mühe macht und hier etwas sehr gutes zum Thema beiträgt.

Wie die Brückenstoffe außerhalb der Erde aussehen und wie sie beschaffen sein könnten, dafür haben wir hiermit einen sehr guten Ansatz.

Danke.

Universalist ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 14.03.2013, 14:25   #3
Mahananda
 
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Ein etwas länger gewordener Nachtrag dazu:

Mit der allgemeinen Translationsgleichung lässt sich noch anderweitig herumspielen. Stelle ich sie nach d um, ergibt sich:

[(a^b) – c]/e = d

Setze ich die Werte für den gebräuchlichen genetischen Code ein, erhält man:

[(4^3) – 3]/20 = 3,05

Der Wert nahe 3 bedeutet, dass etwa die Hälfte der Viererfenster der Code-Tabelle zweigeteilt ist und die andere Hälfte erhalten geblieben ist. Was ich damit meine, lässt sich erkennen, wenn man sich die Code-Tabelle ansieht.

Hier ist eine gebräuchliche Darstellung in der UCAG-Abfolge der mRNA-Basen. Man erkennt deutlich, dass sich die codierten Aminosäuren in Gruppen sortieren, die durch die jeweils erste und zweite Base vorgegeben sind. Ein Viererfenster ist z.B. der Bereich oben links in der Tabelle. Die erste Base ist U und die zweite Base ist U. Die dritte Base umfasst alle vier Möglichkeiten, also U,C,A und G.

Dieses Viererfenster ist zweigeteilt. Die obere Hälfte codiert für die Aminosäure Phenylalanin und die untere Hälfte für Leucin. Interessant ist nun, dass die Zweiteilung darauf zurückzuführen ist, dass die dritte Base entweder ein Pyrimidin darstellt (U oder C) oder ein Purin (A oder G). Folglich hat hier die Selektion dazu geführt, dass die bereitstellende tRNA im Verlauf der Beladung mit "ihrer" Aminosäure nach Purin oder Pyrimidin unterschieden wird.

Interessanterweise häufen sich solche Zweiteilungen in der Spalte, wo die zweite Base ein A ist bzw. in der Zeile, wo die erste Base ein U ist. Hier spielt offensichtlich der Umstand eine Rolle, dass die Basenpaarung zwischen A und U nur zwei Wasserstoffbrückenbindungen aufweist, so dass hier eine geringere Stabilität vorhanden ist als zwischen G und C, die drei Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen. Die geringere Stabilität führte offenbar zu einer größeren Variabilität bei der Beladung mit Aminosäuren, so dass hierbei die Zahl der codierten Aminosäuren erweitert werden konnte.

Da die G-C-Basenpaarung stabiler ist, blieben hier die Viererfenster bevorzugt erhalten, so dass wir hier meist nur eine Aminosäure codiert finden. Aus dem d-Wert von nahe 3 hatte ich abgeleitet, dass etwa die Hälfte der Viererfenster komplett und die andere Hälfte zweigeteilt ist. Zählt man in der Code-Tabelle nach, erhalten wir exakt die Hälfte, nämlich 8 von 16 Viererfenstern, die nur für eine einzige Aminosäure codieren.

Es sind dies:

- das UC-Fenster für Serin,

- das CU-Fenster für Leucin,

- das CC-Fenster für Prolin,

- das CG-Fenster für Arginin,

- das AC-Fenster für Threonin,

- das GU-Fenster für Valin,

- das GC-Fenster für Alanin,

- das GG-Fenster für Glycin.


Sechs von acht Fenstern sind nach oben beschriebenem Pyrimidin/Purin-Muster zweigeteilt:


- das UU-Fenster für Phenylalanin und Leucin,

- das UA-Fenster für Tyrosin und STOP

- das CA-Fenster für Histidin und Glutamin,

- das AA-Fenster für Asparagin und Lysin,

- das AG-Fenster für Serin und Arginin.

- das GA-Fenster für Asparaginsäure und Glutaminsäure.

Die übrigen zwei Fenster sind sehr aufschlussreich, weil deren Einteilung vom Pyrimidin/Purin-Muster abweicht. Es handelt sich einerseits um das AU-Fenster mit dreimal Isoleucin und einmal Methionin sowie um das UG-Fenster mit Cystein, das dem Pyrimidin/Purin-Muster entspricht (die dritte Base ist ein Pyrimidin!) und dem wiederum zweigeteilten Bereich mit einem Purin als dritter Base, wobei zum einen eine Leerstelle als STOP-Codon vorhanden ist und zum anderen die Aminosäure Tryptophan codiert wird.

Aufschlussreich sind diese beiden ungewöhnlich eingeteilten Viererfenster deshalb, weil sie Rückschlüsse zur möglichen Code-Evolution erlauben. Man kann nun spekulieren, ob die beiden Einzelvertreter Methionin und Tryptophan Neuerwerbungen oder Relikte aus Code-Vorläufern darstellen.

Wenn es sich um Neuerwerbungen handelt, dann zeigt sich, wie die Code-Evolution vonstatten ging: Zufällig wurde eine tRNA fehlbeladen, weil das zugehörige Enzym infolge einer Mutation so verändert war, dass es z.B. Methionin statt Isoleucin an sich band. Da sich dies als vorteilhaft erwies, setzte sich diese Mutation durch und verdrängte die übrigen Varianten, die diese Mutation nicht aufwiesen. Analog dazu ist der Fall bei Tryptophan denkbar, wo eine tRNA zur Verfügung stand, die vorher nicht beladen wurde und ursprünglich als STOP-Signal diente.

Diese Erklärung hat allerdings einen Haken: Methionin (bei Bakterien auch eine chemische Abwandlung davon - Formyl-Methionin!) steht immer als erste Aminosäure in der synthetisierten Aminosäurekette, weil das AUG-Triplett als Startcodon dient. Das macht auch Sinn, denn Methionin wird als Ausgangsstoff für die Anlagerung von Methylgruppen an reaktive Molekülreste verwendet, um sie vor Abbau zu schützen. Die frisch synthetisierte Aminosäurekette wird also durch Methionin vor dem Abbau durch Enzyme geschützt. Später wird dieser Schutz nicht benötigt und das Methionin wird abgespalten.

Wenn Methionin so eine zentrale Rolle innehat (und die zugehörige tRNA!), ist es plausibler, dass es sich hierbei um ein Relikt handelt, das im Verlauf der Code-Evolution als unverzichtbarer Bestandteil übrig geblieben ist. Das bedeutet wiederum, dass möglicherweise das gesamte AU-Viererfenster ursprünglich für Methionin codierte und später erst - bis auf ein einzelnes Triplett - durch Isoleucin besetzt wurde. Dieses eine Triplett blieb deshalb übrig, weil Methionin stets als Start benötigt wurde. Anderenfalls wäre es vermutlich völlig verdrängt worden.

Ähnlich gestalten sich die Verhältnisse bei Tryptophan. Möglicherweise war das Viererfenster ursprünglich nach dem Pyrimidin/Purin-Muster zweigeteilt, mit Cystein und Tryptophan in zweifacher Codierung. Durch eine Mutation ging jedoch ein Enzym verloren, das Tryptophan mit einer der beiden tRNA verband, so dass ein weiteres STOP-Signal entstand.

Aus alledem lässt sich ableiten, dass die Code-Evolution vermutlich so ablief, dass zunächst komplette Viererfenster vorhanden waren, wobei eins davon unbelegt blieb und vier STOP-Codons enthielt. Diese Situation entspricht einem Dublett-Code mit Komma. Das heißt: Die erste und zweite Base der mRNA legte die codierte Aminosäure fest. Die dritte Base hatte keine Bedeutung. Der Umfang der codierten Aminosäuren belief sich auf maximal 15, so dass sich als d-Wert ergibt:

[(a^b) – c]/e = d

[(4^3) – 4]/15 = 4

Die Anzahl der Leerstellen und die Anzahl der Codons pro Aminosäure entspricht der Anzahl der verfügbaren Basen.

Mit der Nutzung der zerbrechlicheren A-U-Paarung für die Erweiterung der Variationsvielfalt zur Beladung mit weiteren Aminosäuren, reduzierte sich die Anzahl der Leerstellen auf zwei und die Viererfenster wurden bevorzugt nach dem Pyrimidin/Purin-Muster zweigeteilt, die als erste bzw. zweite Base ein A und/oder ein U aufwiesen. Die Start-Aminosäure Methionin wurde auf ein einzelnes Codon reduziert und die Aminosäure Tryptophan erodierte durch Mutation der zugehörigen Enzyme ebenfalls auf ein einziges Codon, wobei ein zusätzliches STOP-Codon entstand.

Alles in allem ein recht durchschaubares Szenario. Es dürfte allerdings schwierig sein, es experimentell mit Datenmaterial zu belegen bzw. zu widerlegen. Trotzdem macht es Spaß, mit der allgemeinen Translationsgleichung ein wenig herumzuspielen und zu schauen, was dabei herauskommt. Ich hoffe, ich habe damit niemanden überfordert. Auch wenn man zunächst vielleicht recht wenig verstanden hat, ist hoffentlich nachvollziehbar geworden, dass eine spekulative Spielerei auf solidem wissenschaftlichen Fundament durchaus ein Vergnügen sein kann. In diesem Sinne ...

Viel Spaß beim Lesen und Nachlesen!
Mahananda ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 10.07.2013, 12:56   #4
Mahananda
 
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Es wird immer wieder gern gefragt, ob es nicht auch Leben geben könnte, das ganz anders funktioniert als das auf der Erde. Ich denke, dass man mittlerweile sehr gut begründen kann, warum Leben auf der Erde vergleichbar ist mit Leben anderswo (falls es das gibt). Dazu habe ich eine kleine Abhandlung verfasst, die ich denjenigen nicht vorenthalten möchte, die sich für dieses Thema interessieren. Um es nicht so ganz trocken erscheinen zu lassen, habe ich einige Fragen als Zwischenüberschriften eingebaut. Leider konnte ich auf einige Fachbegriffe nicht gänzlich verzichten. Ich hoffe, ich habe sie hinreichend gut erklärt, damit der Text verständlich bleibt.

Der folgende Text gibt zunächst einen ersten groben Überblick über die Gründe, warum Leben generell auf Kohlenstoffchemie in Wasser basiert. Weitere Fortsetzungen werde ich in unregelmäßigen Abständen hier ergänzen, in denen es um Detailfragen geht, wie z.B. Alternativen zu Kohlenstoff oder Alternativen zu Wasser - und natürlich, warum sie nicht gangbar sind.

Viel Spaß beim Lesen!

Warum funktioniert Leben auf der Grundlage von Kohlenstoffchemie und Wasser?

Wie funktionieren Lebewesen?

Lebewesen funktionieren, weil komplizierte Stoffwechselprozesse organisiert ablaufen. Dieser organisierte Ablauf gewährleistet Kontinuität in Bezug auf Selbsterhaltung und Fortpflanzung. Damit bei der komplexen Struktur der Abläufe nichts durcheinander kommt, benötigt man hochspezifische Moleküle, die als Katalysatoren nur jeweils ganz bestimmte Reaktionen ablaufen lassen, ohne das Umfeld ins Chaos zu stürzen.

Solche Biokatalysatoren (auch Enzyme genannt) bestehen in der Regel aus kettenförmigen Aneinanderreihungen von Aminosäuren (Polypeptide). Diese sind knäuelartig gefaltet, wobei in taschenartigen Vertiefungen hochspezifisch andere Moleküle zeitweilig gebunden und miteinander zur Reaktion gebracht werden können. Dabei ist die Abfolge der Aminosäuren wesentlich für die richtige Faltung der Polypeptidkette.

Die richtige Abfolge der Aminosäuren wird über die Proteinbiosynthese gewährleistet. Dabei dient ein mRNA-Strang als Vorlage für die Aneinanderreihung der Aminosäuren. Der genetische Code drückt aus, welche RNA-Nukleotid-Tripletts welcher Aminosäure entsprechen. Der Vorgang der Übersetzung von mRNA in ein Polypeptid wird als Translation bezeichnet. Man kann die Translation durchaus als innersten Kernprozess des Lebens auffassen, da über diesen Schritt die Biokatalysatoren bereit gestellt werden, die für das Funktionieren jedes Lebewesens benötigt werden.

Die Verwendung von mRNA als Vorlage für die Translation verweist auf die zweite Molekülklasse, die für das Funktionieren von Lebewesen von fundamentaler Bedeutung ist. Es handelt sich um die Nukleinsäuren RNA und DNA. Diese sind in der Lage (unter Mithilfe von Enzymen), sich über das Prinzip der komplementären Basenpaarung zu verdoppeln.

Auf diese Weise kann eine DNA-Doppelhelix (die die Erbsubstanz bildet), im Verlauf der Zellteilung in die zwei Einzelstränge aufgetrennt werden. Danach bildet jeder der beiden Einzelstränge die Vorlage für die Anlagerung des passenden Gegenstückes. Am Ende haben sich zwei identische Doppelhelices gebildet, von denen jede jeweils in einer Tochterzelle enthalten ist.

Nach erfolgter Zellteilung dient die DNA als Vorlage für die Bildung der mRNA, die wiederum als Vorlage für die Translation dient, aus der die vielen vielfältigen Biokatalysatoren entspringen, die im Zellstoffwechsel benötigt werden. Die vielfältigen Wechselwirkungen gestalten sich in einer Zelle erheblich komplizierter als ich das hier dargestellt habe, aber mir ging es nur um die Darstellung des Prinzips, das sich in Gestalt der Lebewesen manifestiert.

Welche chemischen Bindungstypen sind für eine Biochemie geeignet?

Der längere Exkurs war notwendig, um auf die Titelfrage zurückzukommen. Polypeptide (Enzyme und andere Proteine) sowie Nukleinsäuren, aber auch die noch nicht erwähnten Lipide (Verbindungen mit Glycerol und Fettsäuren, die z.B. die Zellmembranen bilden) und Saccharide (Zucker, Stärke, Cellulose u.a. Gerüst- und Speicherstoffe), zeichnen sich dadurch aus, dass sie als Einzelmoleküle abgrenzbar sind.

Die Ursache dafür ist, dass zwischen den einzelnen Atomen jedes Moleküls Atombindungen vorhanden sind. Atombindungen kommen dadurch zustande, dass sich Elektronenpaare ausbilden, die wie eine Art Klebstoff wirken. Bemerkenswert ist nun, dass Atombindungen nur zwischen Nichtmetallen auftreten. Metalle bilden Metallbindungen aus, die zu einem Metallgitter führen. Innerhalb eines Metallgitters befinden sich frei bewegliche Elektronen. Aus diesem Grund leiten Metalle den elektrischen Strom sehr gut.

Verbindungen zwischen Metallen und Nichtmetallen sind in der Regel Ionenbindungen. Hierbei geben Metalle ihre Außenelektronen ab und verwandeln sich in positiv geladene Ionen (weil die positive Kernladung nicht mehr vollständig durch die negativ geladenen Elektronen der Hülle ausgeglichen werden). Im Gegenzug nimmt das Nichtmetall die abgeebenen Elektronen auf und verwandelt sich in ein negativ geladenes Ion (weil nunmehr überzählige Elektronen anwesend sind).

Metallbindungen und Ionenbindungen sind ungerichtet. Das bedeutet, ein Metallatom zieht mehrere weitere Metallatome an, so dass die bereits erwähnten Metallgitter entstehen. Dieses Metallgitter wächst potenziell unbegrenzt weiter, so dass riesige Kristalle entstehen, die man mit Hilfe bestimmter Ätztechniken sichtbar machen kann. Ebenso neigen Ionenbindungen zur Kristallbildung.

Nachteil der Kristallbildung in Bezug auf eine mögliche Biochemie ist, dass die Verknüpfung von Seitenketten nicht möglich ist, wie sie z.B. Polypeptide aufweisen. Folglich lassen sich auf der Basis von Metallbindungen und Ionenbindungen keine Biokatalysatoren bilden. Für eine funktionierende Biochemie sind daher lediglich Atombindungen geeignet. Da Atombindungen nur zwischen Nichtmetallen auftreten, lässt sich aus dem weiten Spektrum des Periodensystems der Elemente der größte Teil aussortieren, der wegen seines Metallcharakters nicht in Frage kommt.

Welche Elemente sind für eine Biochemie geeignet?

Nichtmetalle befinden sich im Periodensystem der Elemente in der rechten oberen Ecke der Hauptgruppen. Man kann sich eine Linie denken, die zwischen Bor in der 3. Hauptgruppe und Astat in der 7. Hauptgruppe diagonal verläuft. Alles was sich rechts davon befindet, besitzt Nichtmetallcharakter. Sortiert nach Hauptgruppen sind dies:

3. Hauptgruppe: Bor;
4. Hauptgruppe: Kohlenstoff, Silizium;
5. Hauptgruppe: Stickstoff, Phosphor, Arsen;
6. Hauptgruppe: Sauerstoff, Schwefel, Selen;
7. Hauptgruppe: Fluor, Chlor, Brom, Iod;
8. Hauptgruppe: Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon

Die radioaktiven Elemente lasse ich hierbei außen vor. Aussondern kann man weiterhin die komplette 8. Hauptgruppe der Edelgase, die keine Bindungen eingehen sowie die komplette 7. Hauptgruppe der Halogene, die bevorzugt Ionenbindungen eingehen.

Damit verbleiben: B, C, Si, N, P, As, O, S und Se als Elemente, die Grundlage einer Biochemie sein können. Alle diese Elemente sind zugleich in der Lage, mit Wasserstoff – dem häufigsten Element im Kosmos – Atombindungen einzugehen. Wasserstoff befindet sich in der 1. Hauptgruppe über den Alkalimetallen, da es wie diese über ein einzelnes Außenelektron verfügt, aber selber als Gas keine metallischen Eigenschaften aufweist.

Wie verfügbar sind diese Elemente im Kosmos?

Sortiert man die Elemente nach ihrer kosmischen Häufigkeit, ergibt sich für die zehn häufigsten Elemente in absteigender Reihenfolge:

Wasserstoff, Helium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon, Stickstoff, Silizium, Magnesium, Schwefel, Argon.

Mit Ausnahme von Magnesium und den Edelgasen Helium, Neon und Argon finden sich hier sechs der zehn Nichtmetalle wieder, die für eine Biochemie in Frage kommen. Diese Elementeverteilung spiegelt sich natürlich auch in den Gas- und Staubscheiben wieder, aus denen Sterne und Planeten entstehen. Folglich ist damit zu rechnen, dass Planeten, die nicht so groß sind, dass sie sich zu Gasriesen (Jupiterartige) oder Eisriesen (Neptunartige) entwickeln, in etwa gleiche Ausgangsbedingungen aufweisen wie die Erde.

Erdähnliche (terrestrische) Planeten verfügen über einen Eisenkern und einen Silikatmantel mit einer Silikatkruste. Silizium besitzt eine viel größere Neigung, sich mit Sauerstoff zu Silikaten zu verbinden als mit Wasserstoff oder mit anderen Elementen. Folglich fällt Silizium als mögliches Element für eine Biochemie aus. Einmal als Silikat gebunden, bildet es Kristalle hoher chemischer und physikalischer Stabilität (Quarz als Siliziumdioxid schmilzt erst bei 1470 Grad Celsius und wird chemisch nur von konzentrierter Fluss-Säure angegriffen, die jedoch auf Planetenoberflächen nicht anzutreffen ist!).

Wie reagieren die verschiedenen Elemente miteinander?

Gehen wir die Liste der häufigsten Elemente durch, zeigt sich, was chemisch in den Gas- und Staubscheiben abläuft:

Da ist zunächst Wasserstoff, der sich die Bindungspartner nach absteigender Verfügbarkeit aussucht. Also:

Wasserstoff + Sauerstoff = Wasser;
Wasserstoff + Kohlenstoff = Methan;
Wasserstoff + Stickstoff = Ammoniak;
Wasserstoff + Silizium = Silan;
Wasserstoff + Magnesium = Magnesiumhydrid;
Wasserstoff + Schwefel = Schwefelwasserstoff.

Die verschiedenen Zwischenprodukte reagieren miteinander – insbesondere während der Planetenentstehung, aber auch noch danach.

Wasser bleibt relativ stabil. Es dient neben Eisen und Silikat als einer der fundamentalen Planetenbaustoffe und ist überall vertreten, wo es kondensierte Körper gibt (Staubkörner, Asteroiden, Kometen, Planeten, Monde).

Methan ist ebenfalls recht stabil und fällt zunächst als Atmosphärengas an, bevor es später durch Sternstrahlung zersetzt wird (vergleiche dazu die Vorgänge auf dem Saturnmond Titan!).

Ebenso trifft dies auf Ammoniak zu. Mit dem Auskondensieren des Wassers in der Atmosphäre löst sich Ammoniak darin und reichert sich später in der Hydrosphäre an. Ammoniak in der Atmosphäre wird später in die Elemente gespalten, so dass Stickstoff in der Atmosphäre zunehmend dominant wird, während Wasserstoff in den umgebenden Raum entweicht und dem Planeten verloren geht.

Silan ist im Beisein von Wasser äußerst instabil und zersetzt sich, indem es dem Wasser den Sauerstoff entreißt und Siliziumdioxid bildet. Es ist unwahrscheinlich, dass sich Silan im Verlauf der Planetenentstehung anreichern kann.

Magnesiumhydrid bildet im Beisein von Wasser Magnesiumhydroxid und reagiert mit gelösten Halogen-Ionen (z.B. Chlorid) zu Salzen, welche im Wasser als Lösung vorliegen.

Schwefelwasserstoff reichert sich in der Atmosphäre als Gas an und reagiert mit dort vorhandenem Methan und Ammoniak zu komplexeren Verbindungen (z.B. Thio-Ether, aber auch Aminosäuren wie Methionin oder Cystein).

Was folgt daraus für eine universelle Biochemie?

Wie man sieht, ist die chemisch wahrscheinlichste Ausgangssituation auf terrestrischen Planeten vergleichbar mit der, die man für die Urerde voraussetzt. Für Alternativen ist nicht viel Raum. Je nach konkret gegebener Elementeverteilung sind zwar prozentuale Abweichungen im Mischungsverhältnis möglich, aber die chemischen Grundbestandteile, die als Startbasis für biochemische Synthesen im Sinne einer chemischen Evolution dienen, unterscheiden sich nicht wesentlich voneinander.

Folglich muss man davon ausgehen, dass grundsätzlich und generell auch auf anderen dafür geeigneten Planeten eine chemische Evolution abläuft, die sich als Kohlenstoffchemie in Wasser darstellt. Ob eine chemische Evolution zwangsläufig in eine biologische Evolution übergeht, ist eine noch ungelöste Frage, aber wenn dies geschieht, dann funktionieren fremde Lebewesen auf einer vergleichbaren Biochemie wie irdische Lebewesen.

Als Alternativen zu Kohlenstoffchemie und Wasser werden gern immer wieder Siliziumchemie und Ammoniak (oder Methan oder Methanol oder sogar Schwefelsäure) genannt. Angesichts der Dominanz von Wasser und der Neigung von Silizium, Silikate zu bilden, die als Gestein anfallen, dürfte das nirgends Realität sein. Detailliertere Begründungen dafür folgen demnächst ...
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Alt 11.07.2013, 11:24   #5
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Sehr schön, danke!
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Alt 11.07.2013, 19:27   #6
Mahananda
 
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Wie bereits erwähnt, wird immer wieder Silizium als Alternative zu Kohlenstoff genannt. Dazu ist Folgendes zu sagen:

Silizium steht direkt unter Kohlenstoff in der Kohlenstoffgruppe. Hier wird die Kohlenstoffgruppe des Periodensystems der Elemente vorgestellt. Interessant ist hier insbesondere dieser Abschnitt zur Kettenbildung, weil diese Eigenschaft für eine Biochemie wichtig ist.

Während bei Kohlenstoff Ketten praktisch unbegrenzt lang werden können, funktioniert das bei Silizium bereits nicht mehr. Im Artikel über Silane steht bezüglich der Eigenschaften, dass es sich hierbei um sehr instabile Substanzen handelt, die alle die Tendenz haben, sich zu Kieselsäure bzw. Siliziumdioxid umzusetzen und damit ihre Fähigkeit, Biopolymere zu bilden, verlieren.

Aus diesen Gründen scheidet Silizium als strukturbildendes Bioelement grundsätzlich aus. Lebewesen auf der Grundlage einer Siliziumchemie kann es aufgrund der chemischen Eigenschaften von Silizium nicht geben. Hinzu kommt, dass Kohlenstoff viel häufiger im Kosmos vorkommt, so dass es auf Planetenoberflächen in Gestalt von Methan und/oder Kohlenstoffdioxid überall präsent ist. Zu erwarten ist daher, dass Kohlenstoff in Konkurrenz zu Silizium diesem IMMER den Rang abläuft, wenn eine chemische Evolution einsetzt.
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Alt 12.07.2013, 22:12   #7
Mahananda
 
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Der nächste Kandidat auf meiner Liste der Alternativen zu Kohlenstoff ist Bor. Es befindet sich im Periodensystem der Elemente links vom Kohlenstoff und führt die 3. Hauptgruppe als sogenanntes "Halbmetall" an. Da es lediglich drei Außenelektronen hat und dafür fünf zu besetzende Leerstellen in der Außenschale der Atomhülle, besitzt es die Tendenz, eher die drei Außenelektronen nach Art einer Ionenbindung abzugeben, als fünf weitere Elektronen aufzunehmen. Daher ist der Nichtmetallcharakter von Bor eher grenzwertig in Richtung der benachbarten 2. Hauptgruppe der Erdalkalimetalle als in Richtung der 4. Hauptgruppe der Kohlenstoffgruppe.

Dennoch zeigt Bor einige interessante Eigenschaften, die in Richtung Kettenbildung sowie komplexere Molekülstrukturen hindeuten. Diese möchte ich nunmehr etwas näher beleuchten.

In der Wikipedia kann man nachlesen:

Zitat:
Eine wichtige Forschungsdisziplin der heutigen anorganischen Chemie ist die der Verbindungen des Bors mit Wasserstoff (Borane), sowie mit Wasserstoff und Stickstoff, die den Kohlenwasserstoffen ähneln (isoelektronisch), z. B. Borazol B3N3H6 („anorganisches Benzol“). Eine Reihe organischer Borverbindungen sind bekannt, beispielsweise Boronsäuren.
Schauen wir uns die Borane etwas genauer an. Diese sind gar nicht so instabil wie die Silane und können durchaus auch Verzweigungen ausbilden, was sie für eine potenzielle Biochemie interessant macht. Allerdings:

Zitat:
Diese Stabilität beruht hauptsächlich auf sterischen Effekten, hoher Symmetrie und darauf, dass die geschlossenen Käfigstrukturen der closo-Borane ohne verbrückende Wasserstoffe aufgebaut sind.
Hohe Symmetrie und geschlossene Käfigstrukturen erinnern doch sehr an Kristalle - also eigentlich das genaue Gegenteil, was für Biopolymere benötigt wird. Diese sind nämlich aperiodisch und linear - und damit weder symmetrisch noch in sich geschlossen. Der Verweis auf fehlende Wasserstoffbrücken lässt die aufkeimende Hoffnung in Bezug auf mögliche Bor-basierte Biochemien wieder auf Null sinken, denn die Reproduktion solcher stabilen Molekülkäfige bedarf einer Vorlage - und diese muss irgendwie mit Substraten interagieren, damit sie sich in der gewünschten Form ordnen. Bei Peptiden und Nukleinsäuren geschieht dies - über Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen RNA-Nukleotiden!

Die zweite interessante Borverbindung ist das Borazin. Es ähnelt stark dem Benzen und besitzt ebenfalls das Potenzial, Seitengruppen anzulagern und somit komplexere Verbindungen zu bilden. Allerdings gibt es hierbei ein entscheidendes Hindernis:

Zitat:
In Wasser zersetzt sich Borazin zu Borsäure, Ammoniak und Wasserstoff.
Da Wasser auf Planetenoberflächen allgegenwärtig ist, entfällt somit auch Borazin als mögliche Grundlage für eine auf Bor basierende Biochemie. Borsäure als Reaktionsprodukt reagiert mit Alkalimetallen und Erdalkalimetallen zu Boraten, die sich dann als Mineral in Sedimenten anreichern, so dass Bor als potenziell zu komplexeren Molekülen geeignetem Element für eine Biochemie herausfällt.

Boronsäuren schließlich, sind Verbindungen von Borsäure mit organischen Resten, die eine Kohlenstoffchemie bereits voraussetzen, so dass diese allenfalls eine randständige Bedeutung in einer Biochemie einnehmen können, nachdem sie sich in Gestalt einer Kohlenstoffchemie in Wasser etabliert hat.

Von daher bleibt als Fazit, dass trotz einiger interessanter Eigenschaften und Potenziale, Bor keine gangbare Alternative zu Kohlenstoff ist.
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Alt 14.07.2013, 00:14   #8
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Zitat:
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...

Aus diesen Gründen scheidet Silizium als strukturbildendes Bioelement grundsätzlich aus. Lebewesen auf der Grundlage einer Siliziumchemie kann es aufgrund der chemischen Eigenschaften von Silizium nicht geben.
...
Was ist dann mit Arachnoidiscus ehrenbergi?
http://www.ebiomedia.com/a-wheel-of-...hrenbergi.html

Zitat:
One distinguishing feature of the group is the protective covering, or frustule, made of silicon dioxide which the individual cells secrete by collecting silica ions out of the water.
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Alt 14.07.2013, 10:47   #9
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Hallo Iapetuswirt,

Hier wird erwähnt, dass Silizium in Lebewesen zwar verwertet wird, aber das in einem so marginalen Umfang, dass darauf keine eigenständige Biochemie in Konkurrenz zu Kohlenstoff aufgebaut werden könnte.

"Strukturbildend" in Bezug auf eine Biochemie bedeutet hier nicht, dass sich z.B. Zellgerüste herstellen lassen, sondern dass das molekulare Grundgerüst für Biopolymere, wie z.B. Proteine oder Nukleinsäuren, durch ein bzw. einige wenige chemische(s) Element(e) gebildet wird. Und bei den molekularen Grundgerüsten spielt Silizium überhaupt keine Rolle.

Kieselalgen sehen übrigens tatsächlich sehr hübsch aus, wovon man sich hier überzeugen lassen kann.

Viele Grüße!
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Alt 14.07.2013, 11:00   #10
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Sehe ich ja ähnlich. Allerdings ist durchaus zu beachten, dass diese Algen Silizium aus der Umwelt aufnehmen und zu Strukturen nutzen, die einen wesentlichen Teil ihres Körpers ausmachen.

Andererseits darf das nicht überbewertet werden, denn sie polymerisieren das Silizium ja nicht. Gäbe es Algen mit Sillikonhüllen, dann wäre das etwas anderes.
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Alt 14.07.2013, 11:06   #11
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Nun ja, der "wesentliche" Teil besteht darin, die Zellwände zu versteifen. Prozentual kommt da zwar einiges an Masse zusammen, aber wie Du selbst schon sagst, wird Silizium biochemisch nicht integriert, sondern lediglich als Siliziumdioxid ausgeschieden und auf der Zelloberfläche abgelagert. Im Zellstoffwechsel selbst verbleibt das Silizium ja nicht, weil es wegen seiner hohen Affinität zu Sauerstoff sofort in die chemisch inerte Oxidform übergeht.
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Alt 17.07.2013, 13:41   #12
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Lebewesen - ein geordnetes Chaos aus Baustoffen, Klebstoffen und Treibstoffen

Die folgenden sechs Elemente konstituieren die molekulare Basis des irdischen Lebens. Es handelt sich dabei um:

Kohlenstoff (C),
Wasserstoff (H),
Sauerstoff (O),
Stickstoff (N),
Schwefel (S) und
Phosphor (P).

Die ersten drei Elemente (C,H,O) dienen vorrangig dazu, Ketten zu erzeugen (insbesondere C), zu verzweigen (insbesondere O) sowie freistehende Kettenreste abzusättigen (insbesondere H). Charakteristische Verbindungen, in denen nur diese drei Elemente vorkommen, sind:

Kohlenwasserstoffe (Alkane, Alkene, Alkine),
Alkanole (Kohlenwasserstoffe mit -OH-Gruppe),
Alkanale (Kohlenwasserstoffe mit -CHO-Gruppe),
Alkansäuren (Kohlenwasserstoffe mit -COOH-Gruppe),
Aromaten (Abkömmlinge des Benzens).

Aus Alkanalen und Alkanolen leiten sich u.a. Kohlenhydrate, wie Zucker, Stärke oder Zellulose ab. Alkansäuren bilden mit dem dreiwertigen Alkanol Glycerol (ein Kohlenwasserstoff - Propan - mit drei -OH-Gruppen, darum auch Propan-tri-ol!) die Grundlage für Fette. Andere Glycerol-Abkömmlinge (Lipide) sind die Bausteine der Membranen, die sich in jeder Zelle finden.

Stickstoff ist entweder Bestandteil in Kohlenstoffketten, wo er eine Stabilisierung dieser Ketten bewirkt, oder er findet sich in Seitengruppen, bevorzugt als Aminogruppe -NH2, wie z.B. in Aminosäuren. Da die Aminogruppe eher dazu neigt, ein Elektron abzugeben und die -COOH-Gruppe dazu neigt, ein Elektron aufzunehmen, sind Aminosäuren sowohl positiv als auch negativ geladen, stellen also einen Dipol dar.

Bei der Verkettung von Aminosäuren zu Peptiden, entsteht folglich unter Wasserabspaltung immer die charakteristische Peptidbindung -CONH-
nach folgendem Reaktionsschema:

H2N-CH(R)-COOH + H2N-CH(R)-COOH --> H2N-CH(R)-CONH-CH(R)-COOH + H2O

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass C,H,O und N das Grundbaumaterial für Biopolymere darstellt.

Schwefel dient als "Klebstoff" in Gestalt von Disulfidbrücken. Insbesondere Peptidketten in Proteinen werden auf diese Weise zusammengehalten.

Phosphor dagegen ist in Gestalt von ATP der universelle "Treibstoff" in jeder Zelle.

Alle sechs Elemente zusammen stellen die Basis für jedes Leben dar.
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Alt 17.07.2013, 18:36   #13
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Übersicht zu den bisher gefundenen interstellaren bzw. intergalaktischen Molekülen

Je komplexer Moleküle im All werden, um so kohlenstoffhaltiger werden sie. Wie man sich hier informieren kann, ergibt sich aus rein chemischen Gesichtspunkten eine Tendenz zur Kohlenstoffchemie, wenn es darum geht, komplexe Moleküle entstehen zu lassen. Aus diesem Grund ist zu erwarten, dass - wenn irgendwo anders Leben entsteht - dieses auf der Grundlage einer Kohlenstoffchemie funktionieren wird.
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Alt 26.07.2013, 12:22   #14
Mahananda
 
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Hier wieder eine Fortsetzung meiner losen Folge von Aufsätzen zum Thema "universelle Biochemie": Diesmal geht es um den Zusammenhang zwischen Planetenentwicklung und chemischer Evolution. Der erste Teil beschreibt den Ablauf der Planetenentstehung und die hauptsächlichen chemischen Reaktionen, die dabei ablaufen. Der besondere Schwerpunkt liegt hierbei auf die Entwicklung der Atmosphäre im Zusammenhang mit Sternstrahlung und Krustenabkühlung. In einem zweiten Teil, der demnächst folgt, werde ich alternative Szenarien diskutieren, die entweder zu ähnlichen oder zu völlig anderen Endzuständen führen. Viel Spaß beim Lesen!


Über den Zusammenhang zwischen Planetenentwicklung und Chemischer Evolution

Planeten entstehen als Begleitprodukt der Sternentstehung. Die Gas- und Staubwolke, aus der Stern(e) und Planeten hervorgehen, ist mit verschiedenen Elementen unterschiedlicher Häufigkeit angereichert. Den weitaus größten Teil nehmen zu etwa 88 Prozent Wasserstoff und zu etwa 10 Prozent Helium ein. Lediglich etwa 2 Prozent entfallen auf die übrigen Elemente, wobei die nächsthäufigen Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff sind – Elemente also, die auch in Lebewesen in großen Mengen vorkommen. Von daher liegt der Schluss nahe, dass Leben wegen der häufigen Präsenz der vier Bio-Elemente C,H,O und N im Kosmos, zugleich ebenso häufig verteilt sein muss.

Dem ist leider nicht so, denn der Entstehung von Lebewesen geht stets eine chemische Evolution voraus, in der immer komplizierter werdende Reaktionen immer komplizierter werdende Moleküle hervorbringen, die ihrerseits wieder noch kompliziertere Reaktionen ermöglichen. Damit eine chemische Evolution ablaufen kann, müssen die planetologischen Ausgangsbedingungen so beschaffen sein, dass zum einen genügend Ausgangsmaterial zur Verfügung steht, das komplexer werden kann, und zum anderen müssen diese Ausgangsbedingungen hinreichend lange stabil sein, um den Übergang von einer chemischen Evolution in eine biologische zu ermöglichen.

Um abschätzen zu können, welche Voraussetzungen sich auf einem Planeten bieten, ist es nötig, sich mit der während der Planetenentstehung ablaufenden Chemie zu beschäftigen. Ausgangspunkt ist hierbei die protoplanetare Scheibe, die sich diskusförmig um den entstehenden Stern erstreckt, den der spätere Planet dann umläuft. Innerhalb der Scheibe laufen bereits eine Vielzahl von chemischen Reaktionen ab. Energiequellen sind hierbei die verschiedenen Strahlungsarten, die vom Protostern ausgesandt werden (von Röntgenstrahlung bis Infrarotstrahlung ist alles dabei), elektrische Entladungen innerhalb der Scheibe sowie Kollisionsenergie während der Phase der Zusammenballung von Staubteilchen zu Planetesimals (etwa metergroße Brocken).

Wegen der übergroßen Präsenz von Wasserstoff verbinden sich die 2 Prozent Restelemente bevorzugt mit diesem und bilden Hydride. Da nach Helium (das als Edelgas keine Bindungen eingeht) Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff die häufigsten Elemente sind, entstehen bevorzugt Wasser (H2O), Methan (CH4) und Ammoniak (NH3). Da innerhalb der Scheibe auch Turbulenzen stattfinden, sind auch weitere Kombinationen möglich.

Beispielsweise bindet sich Sauerstoff auch an das ebenfalls vorhandene Silizium und bildet Silikate, die dann in der Folge als Planetenbaustoff zur Verfügung stehen. Eventuell entstandenes Silan (SiH4) reagiert mit Wassermolekülen zu Siliziumdioxid (SiO2) und Wasserstoff, der dann als Reaktionspartner für andere Kombinationen zur Verfügung steht, während SiO2 als Silikat stabil bleibt.

Gleichung: SiH4 + 2H2O = SiO2 + 4 H2

Dennoch bleibt ein nennenswerter Anteil von Wasser, Methan und Ammoniak auch während und nach der Planetenentstehung erhalten und sammelt sich als Gas in der ersten Atmosphäre an. Darüber hinaus verbleibt ein erheblicher Anteil von Wasserstoff und Helium, der sich ebenfalls in der Atmosphäre anreichert.

Je nach Masse und Entfernung zum Stern entscheidet sich, ob der Anteil an Wasserstoff und Helium in der Atmosphäre des Planeten verbleibt oder nicht. Für entfernte Planeten kann man die Untergrenze mit etwa 10 Erdmassen angeben. Alle Planeten, die masseärmer sind, verlieren innerhalb von 100 Millionen Jahre Wasserstoff und Helium.

Für sternnähere Planeten erhöht sich die Untergrenze wegen des größeren Energieeintrags in die Atmosphäre durch die Sternstrahlung auf etwa 15 Erdmassen. Die Gasteilchen erhalten wegen der größeren Nähe zum Stern eine höhere Geschwindigkeit und entweichen daher schneller.

Auf massereichen Planeten stellen sich langfristig Verhältnisse ein, wie wir sie von Uranus und Neptun kennen. Da mengenmäßig sehr viel Gas auf dem Planeten verbleibt, ergibt sich ein hoher Atmosphärendruck, der – je tiefer man kommt – chemische Verbindungen zerbrechen lässt, so dass eine komplizierter werdende chemische Evolution nicht in Gang kommen kann. Der Übergang zur Hydrosphäre erfolgt bei so hohen Drücken kontinuierlich, so dass es keine Wasseroberfläche gibt. Ebenso kontinuierlich erfolgt der Übergang von der Hydrosphäre in die Kryosphäre, die aus ultradichtem Eis besteht, welches auf dem Silikatkern aufliegt.

Damit ein Planet eine chemische Evolution gewährleisten kann, muss er also seinen Vorrat an Wasserstoff und Helium an den umgebenden Raum abgeben. Dies gelingt – wie bereits erwähnt – wenn er eine als kritisch zu bewertende Grenze unterschreitet. Dann verbleiben die schon erwähnten Gase Wasserdampf, Methan und Ammoniak sowie Spuren von Schwefelwasserstoff als Atmosphäre auf dem Planeten. Wie läuft hier nun die weitere Entwicklung ab?

Zu berücksichtigen ist, dass die Oberfläche des Planeten aus einem Mischmasch von Silikaten mit Metalloxiden (Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Calciumoxid) und Metallen besteht – vorrangig Eisen, welches eine hohe Dichte hat. Da die Planetenbildung über den Zusammenprall vieler kleinerer Körper vonstatten geht, die dann ineinander verschmelzen, ist zunächst der Planetenkörper aufgeschmolzen.

Wegen der größeren Dichte sinkt das Eisen in den Kern und die Mischung aus Metalloxiden und Silikaten lagert sich darüber als Mantel ab. Innerhalb des Mantelmaterials laufen weitere Reaktionen ab, die zu einer Differenzierung zwischen unterem Mantel (SiMa-Schicht = Silizium + Magnesium) und oberem Mantel (SiAl-Schicht = Silizium + Aluminium) führen. Doch auch Eisenoxide sind im Mantel stets präsent.

Auf dieser geschmolzenen Oberfläche kann Wasser noch nicht auskondensieren, so dass es als Gas in der Atmosphäre verbleibt. Erst wenn die Oberfläche hinreichend abgekühlt ist, kann Wasser abregnen und sich in Vertiefungen sammeln. Bis dahin ist Wasser als Atmosphärengas der Sternstrahlung ausgesetzt, die zum einen elektromagnetisch ist (wie bereits erwähnt – von Röntgenstrahlung bis Infrarot ist alles dabei!) und zum anderen als Teilchenstrahlung vorliegt (Sternwind bzw. Sonnenwind). Dieser Strahlungseintrag führt dazu, dass sich die Atmosphärengase in Bruchstücke zersetzen, die sich dann nachfolgend neu kombinieren.

Methan wird beispielsweise in Radikale zersetzt, die dann miteinander zu neuen Kohlenwasserstoffen reagieren. Hier zum Beispiel zu Ethin und Wasserstoff:

Gleichung: 2 CH4 + Energie = C2H2 + H2

Ethin als ungesättigte Verbindung ist sehr reaktionsfreudig und setzt sich mit Methan u.a. zu Ethen um:

Gleichung: C2H2 + 2 CH4 = 2 C2H4 + H2

Zu beachten ist hier, dass stets Wasserstoff freigesetzt wird. Und da Wasserstoff wegen der geringen Gravitation des Planeten nicht gehalten werden kann, entweicht er über kurz oder lang in den umgebenden Raum.

Mit Ammoniak sieht es nicht besser aus. Hier entstehen keine Radikale, sondern molekularer Stickstoff, der sehr reaktionsträge ist:

Gleichung: 2 NH3 + Energie = N2 + 3 H2

Und schließlich Wasser:

Gleichung: 2 H2O + Energie = O2 + 2 H2

Sauerstoff ist im Unterschied zu Stickstoff äußerst reaktionsfreudig und setzt sich gern mit Methan oder Ammoniak um:

Gleichung: CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O

Gleichung: 4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O

Auch mit Schwefelwasserstoff reagiert Sauerstoff entweder zu elementarem Schwefel oder weiter mit diesem zu Schwefeloxiden:

Gleichung: 2 H2S + O2 = 2S + 2 H2O

Gleichung: S + O2 = SO2 und 2 SO2 + O2 = 2 SO3

Der Verlust an Wasser durch Wasserspaltung wird durch die Reaktionsfreudigkeit des entstehenden Sauerstoffs wieder ausgeglichen, so lange andere Hydride als Reaktionspartner zur Verfügung stehen. Gehen die Hydride aber zur Neige, kann der notwendige Wasserstoff zur Wasserneubildung nicht ersetzt werden, weil dieser ja – wie oben gezeigt – kontinuierlich infolge des Zerfalls der anderen Hydride in den interplanetaren Raum entwichen ist. Also verbleiben nach hinreichend langer Zeit folgende Gase in der Atmosphäre:

Aus Methan wird Kohlenstoffdioxid;

Aus Ammoniak wird molekularer Stickstoff;

Aus Wasser wird entweder wieder nur Wasser oder bei fortgesetzter Wasserspaltung reichert sich Sauerstoff irgendwann an und reagiert mit den Metallverbindungen auf der Oberfläche des Planeten, während der freigesetzte Wasserstoff entweicht. Teile des atmosphärischen Wassers reagieren mit den entstandenen Schwefeloxiden zu Schwefelsäure, die chemisch sehr stabil ist.

Diese skizzierte Entwicklung der Atmosphäre kann anders verlaufen, wenn die Abkühlung der Planetenoberfläche schnell genug erfolgt. Gelingt dies nicht, erhalten wir als Endzustand die gleichen Verhältnisse, die man heute auf der Venus vorfindet: Eine Atmosphäre, in der CO2 und N2 dominieren mit Wasserresten, die in Gestalt von Schwefelsäurewolken über der überhitzten Atmosphäre treiben.


Fortsetzung folgt ...
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Alt 26.07.2013, 15:55   #15
Mahananda
 
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Über den Zusammenhang ... Teil 2:

Welche Entwicklungen laufen ab, wenn die Oberfläche des Planeten schneller abkühlt?

In diesem Fall beginnt es für lange Zeit zu regnen, wenn das Wasser als Atmosphärenbestandteil mit dem höchsten Siedepunkt auskondensiert. Das Niederschlagswasser sammelt sich in Vertiefungen und bildet nach und nach Seen, Meere, Ozeane und schließlich einen einzigen Ozean, der die gesamte Planetenoberfläche als Hydrosphäre bedeckt – vorausgesetzt, es ist genügend Wasser übrig geblieben, dass sich nach der Wasserspaltung regeneriert hat. Anderenfalls bleiben Teile der Oberfläche trocken, wie es bei der Erde der Fall ist.

Die Grenzen, innerhalb deren Landflächen auf der Oberfläche des Planeten verbleiben, sind übrigens recht eng gesteckt. Auf der Erde macht das Wasser etwa 0,45 Promille der Gesamtmasse aus. Diese knapp 1,5 Milliarden Kubikkilometer Wasser ergeben – gleichmäßig auf einer eben gedachten Erdoberfläche verteilt – eine durchschnittliche Wassertiefe von etwa 3 km. Verdoppelt man diese Menge, gelangt man zu einer durchschnittlichen Wassertiefe von etwa 6 km. In diesem Fall wäre die Erde bis zu einer Höhe von 3000 Meter über dem heutigen Meeresspiegel überflutet. Nur die Hochgebirgsketten würden als Inselbögen darüber hinausragen.

Lässt man die durchschnittliche Wassertiefe noch weiter steigen, wird es für Landerhebungen zunehmend knapper, die Wasseroberfläche zu durchschneiden. Insofern – weil einzelne Berge auf der Erde nicht höher werden können als 9 bis 10 km - kann man die Obergrenze der Wassermenge mit maximal 1,3 Promille der Gesamtmasse angeben, die ein Planet von Erdgröße und Erdmasse haben darf, damit wenigstens Inseln als Festland zur Verfügung stehen.

Die Untergrenze für einen Ozean, der u.a. Gezeiten aufweisen soll, lässt sich analog ermitteln. Nehmen wir an, die durchschnittliche Wassertiefe soll etwa 1 km betragen, dann teilt man die gegebenen 0,45 Promille durch 3 und erhält 0,15 Promille. Lassen wir noch etwas Spielraum nach unten, gelangen wir in die Nähe von 0,1 Promille der Gesamtmasse, die die Wassermenge mindestens aufweisen muss, damit auf einem Planeten von Erdgröße und Erdmasse Ozeane nennenswertem Ausmaßes entstehen können. Das Gesamtintervall beträgt also 1,3 – 0,1 = 1,2 Promille der Gesamtmasse der Erde.

Für sogenannte Super-Erden, die eine Masse von etwa 10 Erdmassen aufweisen, ergeben sich andere Werte, die noch enger gesteckt sind. Als Beispiel sei hier ein Planet gewählt, der 10 Erdmassen und eine Dichte von 7,0 t je Kubikmeter aufweist. Zum Vergleich: Die Erde hat eine Dichte von 5,5 t je Kubikmeter. Die größere Dichte der Super-Erde ergibt sich aus der größeren Verdichtung der Planetenmasse im Zentrum aufgrund der größeren Schwerkraft, die hier wirkt.

Eine größere Dichte zieht ein geringeres Volumen als das Zehnfache nach sich, so dass sich als Radius für eine Super-Erde der Wert r = 12.438 km ergibt, was etwa dem doppelten Erdradius entspricht. Das Volumen ist also etwa achtfach größer als das der Erde wegen 2^3 = 8.

Diese Supererde soll nun von einem 1 km tiefen Ozean bedeckt sein. Die Oberfläche beträgt pi mal Durchmesser zum Quadrat, also 1,944 Milliarden Quadratkilometer, was etwa der vierfachen Erdoberfläche entspricht, wegen 2^2 = 4.

Folglich umfasst die Wassermenge für einen flachen Ozean hier eben diese 1,944 Milliarden Kubikkilometer. Das ist etwa ein Drittel mehr als die Wassermenge der Erde und entspricht einem Masseanteil von 0,033 Promille der Gesamtmasse des Planeten. Mit etwas Spielraum lassen wir minimal 0,03 Promille zu.

Als Maximaltiefe sei ein Wert von 10 km angenommen. Dann ergibt sich ein Volumen von knapp 20 Milliarden Kubikkilometern, was etwa 0,33 Promille der Gesamtmasse entspricht. Das Gesamtintervall besitzt eine Größe von 0,33 – 0,03 = 0,3 Promille, so dass die Chance, dieses Intervall zu verfehlen, bei einer Super-Erde vier mal größer ist als bei einem Planeten von Erdgröße und Erdmasse.

Begründung: 1,2 Promille geteilt durch 0,3 Promille ist gleich 4.

Für die Bereitstellung günstiger Ausgangsbedingungen für eine chemische Evolution erweist sich die Menge des Niederschlagswassers als entscheidender Engpass. Wird das benötigte Intervall verfehlt, werden die Meere entweder zu flach, so dass keine Gezeiten auftreten. Diese sind jedoch nötig, um eine Durchmischung der herangewachsenen Polymere zu gewährleisten. Außerdem begünstigt ein periodisches Austrocknen während der Ebbephase das Aufkonzentrieren von Lösungen, was wiederum für das Stattfinden von Polykondensationsreaktionen nötig ist.

Gelangt zu viel Niederschlagswasser auf die Planetenoberfläche, stehen keine Landflächen zur Verfügung, wo sich in Uferregionen konzentriertere Lösungen bilden könnten, in denen dann die bereits erwähnte Polymerbildung abläuft. Entscheidend ist hier also das Ausmaß der bereits abgelaufenen Wasserspaltung, als sich das Wasser noch als Dampf in der Atmosphäre befand. Und das verweist angesichts der Chance, das geforderte Intervall zu verfehlen, auf den Glücksspielcharakter, der hier zum Tragen kommt.

Fortsetzung folgt ...

Geändert von Mahananda (26.07.2013 um 17:34 Uhr)
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Alt 26.07.2013, 20:57   #16
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Über den Zusammenhang ... Teil 3:

Nun zu den Auswirkungen des Abregnens auf die chemische Entwicklung der Atmosphäre und der Planetenoberfläche.

Wenn Wasser kondensiert, lösen sich in den Tropfen die noch in der Atmosphäre befindlichen Gase und wandeln sich zum Teil in Ionen um. Ammoniak ist sehr leicht löslich und bildet Ammonium-Ionen und Hydroxid-Ionen:

NH3 + H2O = NH4(+) + OH(-)

Methan bildet keine Ionen in Wasser.

Kohlenstoffdioxid reagiert teilweise mit Wasser und bildet Kohlensäure, die in Wasserstoff-Ionen und Carbonat-Ionen dissoziiert:

CO2 + H2O = H2CO3 und H2CO3 = 2H(+) + CO3(2-)

Stickstoff ist schwer löslich und bildet auch keine Ionen in Wasser.

Schwefelwasserstoff ist löslich und bildet Sulfid-Ionen:

H2S + H2O = 2H(+) + S(2-) + H2O

Ein Teil des Schwefelwasserstoffs könnte mit Sauerstoff aus der Wasserspaltung zu Schwefeloxiden reagiert haben. Auch diese sind löslich und bilden Sulfat-Ionen:

2 H2S + 2 O2 = SO3 + 2 H2O und SO3 + H2O = 2 H(+) + SO4(2-)

Ein geringer Teil des Stickstoffs könnte mit anfallendem Sauerstoff aus der Wasserspaltung zu Stickstoffoxiden reagieren, die sich dann in Wasser zu Nitrat-Ionen umsetzen:

N2O5 + H2O = 2 H(+) + 2 NO3(-)

Die beschriebenen Lösungen gelangen mit dem Regen auf die Oberfläche und setzen sich mit den dort vorhandenen Mineralien zu Salzen um. Die häufigsten Metalle sind Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium und liegen entweder als Silikat oder als Oxid vor. Natriumsilikat und Kaliumsilikat sind in Form von Wasserglas in Wasser leicht löslich. Sie setzen sich sehr leicht mit den anflutenden Säurerest-Ionen (Nitrate, Carbonate, Sulfate, aber auch Chloride und andere Halogenide) zu Salzen um, weil das Silikat-Ion sehr flüchtig ist und als Kieselsäure auskristallisiert.

Die meisten Ionen verbleiben in der Lösung, die sich zunehmend auf der Oberfläche ansammelt. Eine Ausnahme machen die Carbonat-Ionen. Sie bilden mit Magnesium und Calcium schwer lösliche Verbindungen, die als Kalkstein ausfällen und sich auf dem Grund der Wasserflächen ablagern. Auf diese Weise dünnt die Atmosphäre zunehmend aus, weil ihr der Hauptbestandteil – das Kohlenstoffdioxid – dauerhaft entzogen wird. Damit entfällt eine zentrale Komponente des Treibhauseffekts, so dass die Atmosphärentemperatur stetig sinkt. Das kann so weit gehen, dass der ganze Planet global vereist (Schneeball-Effekt).

Nun kommt es darauf an, ob der Planet eine Plattentektonik entwickelt oder nicht. Falls nicht, gelangen die ausgefällten Kalksteinmassen nicht in den oberen Silikatmantel, wo sie aufschmelzen und zu Silikat und Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden würden. Dann bleibt der Planet vereist. Falls doch, ist wieder der Wasseranteil pro Planetenmasse entscheidend. Wird die Obergrenze von etwa 1 Promille deutlich überschritten, gelangen die vulkanischen Gasausbrüche nicht in die Atmosphäre, sondern gehen in das Ozeanwasser in Lösung. Dann kann sich die Atmosphäre nicht wieder mit Kohlenstoffdioxid anreichern und die Vereisung bleibt bestehen.

Ein Zuviel an Wasser führt also langfristig zur Vereisung der Oberfläche, wenn der Strahlungseintrag durch den Stern gering genug ist. Ist der Strahlungseintrag höher, bleibt die Waseroberfläche flüssig und es findet beständig Verdunstung statt. Da es keine Landflächen und somit keine überseeischen Vulkane gibt, kann sich auf solchen Wasserwelten kein Silikat-Carbonat-Kreislauf bilden, der die Atmosphärentemperatur reguliert. Folglich kann eine Aufheizung der Atmosphäre nicht über vermehrte Carbonat-Bildung abgefedert werden, wie das auf der Erde geschieht.

Da irgendwann sämtliches CO2 aus der Atmosphäre verschwunden ist, verbleiben nur noch Stickstoff und Wasserdampf als Atmosphärengase. Da die Wasserspaltung nach wie vor stattfindet, weil eine schützende Ozonschicht fehlt, setzt sich der Stickstoff allmählich mit dem immer wieder anfallenden Sauerstoff zu Stickoxiden und in der Folge zu Nitrat-Ionen um, die mit dem Regen in den Ozean gelangen und dort dauerhaft verbleiben. Die Atmosphäre wird zunehmend durch Wasserdampf dominiert.

Wasserdampf ist allerdings ein wirksames Treibhausgas, so dass die Temperatur allmählich wieder ansteigt, was die Verdunstungsrate erhöht, so dass noch mehr Wasserdampf in der Atmosphäre ist, der die Temperaturen noch weiter ansteigen lässt … Kurz: Der Treibhauseffekt gerät aus dem Ruder und eskaliert so lange, bis sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen Energieeintrag durch Sternstrahlung und thermischer Abstrahlung in den umgebenden Raum eingepegelt hat.

Das geht dann so weit, dass das gesamte Wasser verkocht und sich an der Oberseite der Dampfatmosphäre als Wolkenschicht sammelt. Die zuvor gelösten Salze kristallisieren aus, die Plattentektonik kommt wegen des fehlenden Wassers wieder zum Erliegen und es stellen sich Verhältnisse ein, die sehr denen ähneln, die bereits auf der Venus vorliegen – nur noch extremer, was Druck und Temperatur betrifft!

Ein Planet, der das geforderte Promille-Intervall für den Wassergehalt nennenswert überschreitet, tendiert entweder zu einem Schneeball, wenn der Strahlungseintrag seitens des Sterns gering ist – oder zu einem Backofen mit dichter Wolkenschicht, wenn der Strahlungseintrag hoch genug ist, um eine Vereisung auszuschließen.

Ein Blick in das Sonnensystem schafft Klarheit:

Jenseits der solaren „Schneegrenze“, die bei etwa 3 Astronomischen Einheiten liegt (etwa 450 Millionen Kilometer Abstand von der Sonne) befinden sich die vier großen Jupitermonde Io, Europa, Ganymed und Callisto. Io hat infolge des heftigen Vulkanismus und der damit verbundenen Hitzeentwicklung sämtliches Wasser bereits verloren. Seine geringe Gravitation konnte den Wasserdampf nicht zurückhalten, so dass er heute eine trockene Oberfläche hat.

Europa, Ganymed und Callisto hingegen besitzen dicke Eismäntel, aber keine nennenswerte Atmosphäre, die einen Treibhauseffekt ausüben und bei hinreichender Dichte Wasser an der Oberfläche flüssig erhalten könnte. Wegen des niedrigen Strahlungseintrags hat sich hier ein dauerhafter Schneeball-Effekt entwickelt, der nicht mehr rückgängig zu machen ist, weil die verbliebenen Atmosphärengase, also im Wesentlichen Stickstoff, in den Raum entwichen sind.

Der Saturnmond Titan ist weit genug von der Sonne weg, dass der Strahlungsdruck der Sonne nicht ausreicht, um die Stickstoffatmosphäre mitzureißen. Auch bei Titan – er besteht zu etwa 50 Prozent aus Wasser in Gestalt von Eis – hat sich ein unumkehrbarer Schneeball-Effekt eingestellt. Immerhin gelangen über Kryovulkanismus hin und wieder nennenswerte Mengen Methan und Ammoniak in die Atmosphäre, aber diese werden zu Tholinen umgesetzt, die aus der Atmosphäre herabregnen und sich auf der Oberfläche ansammeln. Wegen des niedrigen Strahlungseintrags ist trotz nennenswerter Mengen von Methan der bewirkte Treibhauseffekt zu schwach, um das Eis aufzutauen.

Innerhalb der solaren „Schneegrenze“ befinden sich die vier terrestrischen Planeten Merkur, Venus, Erde und Mars. Merkur hatte das Pech, zu nahe an der Sonne dran zu sein. Eventuelle ursprüngliche Wasservorkommen wurden binnen sehr kurzer Zeit zersetzt, so dass gar nicht erst eine Hydrosphäre entstehen konnte. Die geringe Gravitation, gepaart mit dem hohen Strahlungsdruck der nahen Sonne, führte dazu, dass sich die ursprüngliche Atmosphäre in den umgebenden Raum verflüchtigte.

Die Venus hat das geforderte Promille an Restwassergehalt entweder deutlich über- oder unterschritten, so dass am Ende der thermische Gleichgewichtszustand herausgekommen ist, der bereits beschrieben wurde. Dass auf der Erde eine chemische Evolution stattfinden konnte, liegt zum einen an dem beschriebenen Umstand, dass nach der Abkühlung der Erdkruste gerade so viel Wasser übrig geblieben ist, dass Landflächen und damit Küstenlinien möglich waren. Begünstigend kam hinzu, dass der große Mond die Gezeiten verstärkt hat, was sich positiv auf die Polmerausbeute auswirkte. Schneeballperioden und Treibhausperioden konnten über die Plattentektonik und den damit einhergehenden Vulkanismus in ihren Auswirkungen eingegrenzt werden, so dass die Biosphäre dauerhaft erhalten blieb.

Der Mars hat das geforderte Promille-Limit offenbar deutlich unterschritten. Die geringe Gravitation konnte den Wasserdampf nicht halten, so dass die Atmosphäre nach und nach ausdünnte, bis der Gasdruck so weit sank, dass die verbliebenen Wasserflächen sublimierten. Aufgrund der größeren Entfernung zur Sonne, froren die im Boden befindlichen Wasservorkommen aus und bilden heute dicke Permafrostschichten. Sublimierter Wasserdampf gefror bevorzugt an den Polen und lagerte sich dort als Eiskappe ab.

In Exoplanetensystemen wird es ebenso sein, dass der Masseanteil des kondensierenden Restwassers der entscheidende Faktor ist (neben anderen, die bereits als „Habitable Zone“ bekannt sind), ob eine chemische Evolution auf einem Planeten in Gang kommen kann oder nicht. Es ist zu erwarten, dass die meisten Exoplaneten, die als „Zweite Erde“ durch die Medien gereicht werden, sich letztlich als „Venus-Zwillinge“ herausstellen, denn die Chance, das geforderte Promille an Restwasser zu überschreiten, ist etwa 1000fach größer, als es zu treffen.



So weit meine Ausführungen zu diesem Themenkomplex. In einem meiner weiteren Beiträge werde ich noch einmal genauer auf mögliche Biosolventien eingehen. Wasser ist zwar stets die erste Wahl, aber warum eventuelle Alternativen dazu schlechter sind, möchte ich etwas genauer begründen als das üblicherweise der Fall ist. Bis dahin ...
Mahananda ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 17.03.2015, 16:19   #17
Mahananda
 
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Beiträge: 284
Standard Ur-Sprung ins Leben

Hallo interessierte Mitleser,

einen Teil der Diskussion von hier habe ich in einigen Beiträgen für meinen Blog verwertet. Hier könnt ihr das alles (und noch einiges mehr!) noch einmal in Ruhe nachlesen:

https://ursprunginsleben.wordpress.com/

Viel Spaß dabei!
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Alt 18.03.2015, 06:40   #18
LEAM
 
Benutzerbild von LEAM
 
Dabei seit: 07.10.2011
Ort: auf der Durchreise
Beiträge: 799
Hi,

Zitat:
Zitat von Mahananda Beitrag anzeigen
einen Teil der Diskussion von hier habe ich in einigen Beiträgen für meinen Blog verwertet.
Danke. Per RSS Reader bin ich dabei. Da fummelt jedenfalls kein unsichtbarer Admin rum.
LEAM
LEAM ist offline   Mit Zitat antworten
Alt 24.03.2015, 16:19   #19
Mahananda
 
Dabei seit: 30.06.2009
Beiträge: 284
Hier geht es um das Thema "Information und Biologie". Viel Spaß beim Lesen!
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Alt 29.03.2015, 17:09   #20
Mahananda
 
Dabei seit: 30.06.2009
Beiträge: 284
Hier habe ich etwas über Stoffmengen und Umsatzraten auf der Urerde geschrieben.

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