Oberstufen-Chemiebuch Kontextorientiert/Die Entstehung des Lebens

Moleküle im Weltall

Aus Atomen werden Moleküle

Bisher haben wir immer nur einzelne Atome betrachtet, die sich mit Spektren im Weltall nachweisen lassen. Aber nicht nur einzelne Atome sondern auch Verbindungen konnten nachgewiesen werden. Die interstellare Materie besteht aus neutralem und ionisiertem Gas sowie aus interstellarem Staub.

Eine etwa 2 Lichtjahre große Molekülwolke im Carinanebel

Die chemische Zusammensetzung des Staubes lässt sich nur schätzen, aufgrund der Elementhäufigkeiten im interstellaren Gas. Man vermutet Silikate wie Pyroxene und Olivine (zwei Eisen-Magnesium-Silikate) , Kohlenstoff in Form von Graphit oder Fullerenen (Kohlenstoff-Bälle) oder verschiedene gefrorene Gase (wie Wassereis und CO₂-Eis).

Hauptbestandteil einer solchen Wolke ist aber auf jeden Fall molekularer Wasserstoff (H₂). Die Häufigkeit der anderen Moleküle ist jedoch mindestens um den Faktor 1000 niedriger als die Häufigkeit von H₂. Mit Hilfe von Spektren konnte man noch Kohlenmonoxid (CO), Hydroxyl-Radikale (OH), Cyan (CN), Wasser (H₂O), Blausäure (HCN) und sogar Alkohol (=Ethanol).

Wenn die Wolke dicht genug ist, können sich viele Arten von Molekülen bilden, bis hin zu Aminosäuren. Eine gewisse Dichte ist notwendig, um die Moleküle vor Strahlung zu schützen, die die Moleküle sonst wieder zerstören würde.

Aufgabe 1

Informiere dich über den Begriff "Radikal" und halte eine Definition fest

Aufgabe 2

Die Strukturformeln der erwähnten einfach Moleküle Kohlenmonoxid (CO), Wasser (H₂O), Blausäure (HCN) und Alkohol=Ethanol (C₂H₅OH) sind nach dem Kästchen gegeben. Wiederhole anhand der Beispiele folgendes:

• Was besagt die Edelgas-Regel? Ist sie bei diesen Molekülen erfüllt?
• In Molekülen erreichen Atome den Edelgas-Zustand durch das gemeinsame Benutzen der Elektronen, ohne Elektronen-Austausch.
  • Kontrolliere ob die Anzahl der Außenelektronen bei allen Molekülen der Anzahl der sichtbaren Elektronen entsprechen.
  • Kontrolliere, ob jedes Molekül die "richtige" Anzahl an Elektronen hat, also soviele wie es normalerweise hat.

Schreibe/Zeichne für die Aufgaben das Molekül etwas größer ab und halte die Beobachtungen durch Anmerkungen an dem Molekül fest.

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  Kohlenmonoxid

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  Wasser

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  Blausäure

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  Ethanol = Alkohol

Rosetta auf der Suche nach Sternenstaub

Bei der Erforschung interstellarer Molekülwolken hat man das Problem, dass man in absehbarer Zukunft nicht dorthin kommen wird, um zu sehen, welche Moleküle es dort wirklich gibt.

Da gibt es aber noch die Kometen, also Himmelkörper, die aus Eis, Staub und lockerem Gestein bestehen und sich in einer elliptischen Bahnen um die Sonne bewegen, wobei sich ein Teil der Bahn im Sonnensystem befindet während der andere Teil sich außerhalb des Sonnensystems liegt . Man kann sie vor allem dann sehen, wenn sie in der Nähe der Sonne sind und durch die Erwärmung sich mehr Gas und Staub löst, das durch die Einwirkung des Sonnenwindes bei ausreichender Nähe hell leuchten.

Diese Kometen sind in astronomischen Maßstäben recht nah und so gab es in den letzten Jahrzehnten einige Missionen, mit denen man versucht hat, die Bestandteile und den Aufbau von verschiedenen Kometen zu bestimmen. Am bekanntesten sind die folgenden Missionen:

• Vorbeiflug der Raumsonde Giotto am Halleyschen Kometen in 596 km Entfernung, später Vorbeiflug am Kometen Grigg-Skjellerup in 200 km (1985 - 1992).
• Die Raumsonde Stardust hatte das Ziel Partikel aus der Gashülle des Kometen Wild 2 einzufangen und ihn zur Erde zurückzubringen. Dazu wurde die Sonde in 240 km Entfernung durch den Schweif des Kometen geflogen. (1999-2011)
• Für die Mission Deep Impact wurde ein 372 kg schweres Projektil von der eigentlichen Sonde abgetrennt und man lies es auf den Kometen Temple 1 einschlagen, um das Innere des Komenten zu erforschen. Das durch den Aufprall herausgeschleuderte Material wurde mit den Instrumenten der Sonde sowie mit Teleskopen auf der Erde und im Weltraum untersucht. (2005 - 2013).
• Die Sonde Rosetta wurde von der ESA in komplizierten Manövern über eine langen Zeit auf die Bahn des Kometen Tschurjumow-Gerassimenko gebracht, umkreiste ihn dann fast zwei Jahre und warf den Lander Philae ab, um Material auf dem Kometen direkt zu untersuchen zu lassen. Philae landete weich auf dem Kometen, konnte aber nicht sofort einen stabilen Stand finden und blieb nach mehreren Hüpfern schließlich in dem schattigen Bereich einer Wand stehen. (2004-2016)

• Künstlerische Darstellungen der Raumsonden zur Kometenerforschung
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  Giotto

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  Deep Impact

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  Stardust

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  Rossetta

Das folgende Bild zeigt den Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko in sehr hoher Auflösung. Eine größere Darstellung erhält man, indem man das Bild anklickt und dann noch mal vergrößert.

Gerade die Rossetta-Mssion hatte für viel Aussehen gesorgt. Man erhielt große Mengen an Bildern in bester Auflösung von "Tschuri" (Tschurjumow-Gerassimenko). Dies wurde durch viele Videos und Berichte im Fernsehen und im Internet verbreitet und fand viele Fans, die fasziniert die Geschehnisse in so großer Entfernung verfolgten. Auch wenn die Mission von Philae nicht ganz erfolgreich war, kann man die gesamte Mission doch als erfolgreich ansehen, da die Manöver und die Kontaktaufnahme schon eine große Leistung darstellen, wenn an beachtet, wie viel Vorplanung und Vorbereitung notwendig war. Immerhin dauerte die Mission 12 Jahre und Rosetta wurde zwischendurch für 31 Monate in einen Winterschlaf, versetzt um Strom zu sparen. Da die Übertragung Funksignale mehr als 30 Minuten dauerte, war keine direkte Steuerung möglich. Die Abläufe wurden durch vorprogrammierte Sequenzen gesteuert, die man teilweise schon 12 Jahre vorher der Sonde mitgegeben hatte.

Filme zur Rosetta und Philae:

• Neunminütiger Videobericht des DLR über die Rosetta-Mission
• 10-minütiger Videobericht des DLR über die Philae-Mission

Moleküle chemisch betrachtet

Warum halten eigentlich Atome zusammen? Würden sie das nicht tun wollen, hätten wir meine Moleküle und damit auch nicht die Biomoleküle, aus denen wir bestehen.

→Wie Atome zusammenhalten

Leben künstlich erzeugen?

Stanley Miller war ein US-amerikanischer Biologe und Chemiker. Er gilt als Pionier der Suche nach dem Ursprung des Lebens. Nach ihm ist das Miller-Urey-Experiment benannt, einer der bekanntesten Versuche der Wissenschaft. Miller studierte an der University of California in Berkeley und später an der University of Chicago. Das Experiment führte er im Jahr 1953 noch als Student gemeinsam mit Harold Urey durch.

Es diente als Bestätigung der Vermutung, dass unter den Bedingungen, wie man sie in einer möglichen Uratmosphäre der Erde vermutete, eine Entstehung organischer Moleküle, wie sie heute bei Lebewesen vorkommen, per Zufall möglich ist. In sofern wollte Miller nicht wirklich Leben erschaffen sondern nur probieren, ob die ersten Schritte hin zu komplexeren Molekülen, ohne eine gezielte Synthese möglich wären.

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  Stanley Miller, mit dem Versuchsaufbau

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  Schematischer Versuchsaufbau des Miller-Urey-Experiments

Von dem eingesetzten Methan wurden etwa 18 % in Biomoleküle umgewandelt, aus dem Rest entstand eine teerartige Masse. Die fünf an häufigsten entstandenen Moleküle waren:

• Ameisensäure H-COOH
• Glycin NH₂–CH₂–COOH (Aminosäure, die in Proteinen enthalten ist)
• Glycolsäure HO–CH₂–COOH
• Alanin CH₃–CH(NH₂)–COOH (Aminosäure, die in Proteinen enthalten ist)
• Milchsäure CH₃–CH(OH)–COOH

Als weitere Aminosäuren entstanden in nennenswerten Mengen noch Glutaminsäure und Asparaginsäure.

Die Form von Molekülen

Bei Molekülen aus zwei Atomen gibt es nur eine Möglichkeit, wie diese zwei Moleküle angeordnet werden. Ab drei Atomen gibt es schon zwei Möglichkeiten nämlich gestreckt oder gewinkelt. Das das nicht egal ist, solltet ihr schon in der Mittelstufe gelernt haben. So bildet das gewinkelte Wasser-Molekül H₂O einen Dipol, was mit zu der hohen Siedetemperatur des Wasser beiträgt. Das Kohlendioxid CO₂ dagegen ist gestreckt und so kann sich trotz Polarisierung ein Dipol ausbilden.

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  Rot bedeutet negativ polarisiert, blau positiv polarisiert. Es bildet sich ein Dipol aus.

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  Die negative Polarität der Sauerstoffatome schließt die positive Polarisierung des Kohlenstoffatoms vollständig ein.

Dieser Unterscheide machet das Wasser zu einer Flüssigkeit, in der sich bei "normalen" Temperaturen Leben entwickeln konnte. Denn in Flüssigkeiten treffen sich Teilchen eher und können intensiver interagieren, als wenn sie im gasförmigen Zustand sind.

Die Anziehung von gewinkelten OH-Gruppen zu anderen polarisierten Gruppierungen ist die wichtige Voraussetzung für die Anziehung der DNA-Stränge und damit für unsere genetische Grundlage. Viele Reaktionen, nicht nur im Körper beruhen auf der Anziehung von polarisierten Gruppierungen. Daher sind die Struktur und die vorhandenen Winkel von besonders wichtiger Bedeutung.

Wie sich die Struktur der Moleküle begründen lässt wollen wir nun etwas genauer betrachten. Mehr dazu auf der Unterseite:

→Molekül-Geometrie

Aliens - Wesen aus Silizium?

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Seit einem Vorfall in Rosswell (New Mexico) sehen für viele Alien so aus!

Für uns ist es ganz normal, dass wir die "organische Chemie" mit der Kohlenwasserstoff-Chemie gleichsetzen. Die ganze Natur und ihre Moleküle sind zu mehr als 99% aus Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff-, Schwefel- und Phosphor-Atomen zusammengesetzt. Gerade die Kohlenstoffatome, mit ihren vier Außenelektronen und nahezu beliebig langen Kohlenstoffketten, ermöglichen eine unglaubliche Anzahl an Verbindungen. Im Jahre 2012 waren etwa 40 Millionen organische Verbindungen bekannt.

Warum sollte es dann nicht Wesen aus Silicium geben, denn Silicium-Atome haben ja gleich viele Außenelektronen wie die Kohlenstoff-Atome? Man könnte also vermuten, dass es alle Kohlenwasserstoff-Verbindungen auch in einer Silizium-Veriante gibt? Tatsächlich gibt es auch Verbindungen aus Kohlenstoff und Wasserstoff, die Silane, allerdings gibt es da ein Problem ...

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  Silan ("-an" wie Alkan, nur mit Silicium) → entzündet sich an der Luft selbst, es entstehen Siliciumdioxid und Wasserdampf, kann nicht gelöscht werden

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  Hexasilan, ist eine instabile farblose Flüssigkeit, die mit Wasser reagiert. Thermisch instabil, zersetzt sich unter Wasserstofffreisetzung

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  Aber: Das flüssige Tetramethylsilan ist chemisch weitgehend inert.

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  Polydimethylsiloxan ist eine farblose, durchsichtige und ölige Flüssigkeit, als ungiftig und chemisch inert gilt, ...

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  das ganze 3-dimensional entspricht dem Silikon.

Wenn, dann kann man Silicium-Leben sicher nicht direkt aus unsere organischen Molekülen herleiten! Grund für die Instabilität der Silane ist die kleinere Elektronegativität von Silicium, so dass die Si-H-Bindungen stärker polarisiert sind und außerdem Wasserstoff-Atome negative Teilladungen haben. Dadurch reagiert die H-Atome der Silane mit den positiv polarisierten H-Atomen von Wasser. Außerdem ist die Stabiliät der Si-H Bindungen deutlich geringer als die der C-H Bindungen. Dadurch sind die Silane thermisch weniger stabil als Alkane.

Zum Weiterlesen:

• Aliens aus Säure und Silizium - Müssen Außerirdische wie wir funktionieren? Interessanter Artikel, der auf mögliche Fehler eingeht, die passieren, wenn man irdische Maßstäbe bei der Suche nach Leben anlegt.

Statt den Kohlenstoff durch Silicium zu ersetzen, könnte man natürlich auch andere Atome ersetzen. So hat man tatsächlich Bakterien gefunden, die bei Abwesenheit von Phosphor sich einfach vorhandenes Arsen nehmen, dass ja in der gleichen Hauptgruppe wie Phosphor steht.

• Die "Arsen-Urzelle"

Bedeutung verschiedener Bindungsarten

Die Chemie hat bisher nur die Voraussetzungen für die Biologie geliefert. Weiter werden wir auch nicht gehen, denn die dort eventuell auftretenden chemischen Vorgänge sind erst einmal zu kompliziert.

Wichtig aber für die Funktionalität, wie schon am Beispiel von Wasser und Kohlendioxid verdeutlicht, ist die Interaktion der verschiedenen Arten von Teilchen in Stoffen. Die Stabilität der Bindungen macht ein Silan basiertes Leben dagegen ja eher unwahrscheinlich. Aber nicht jeder (chemischer) Stoff besteht ja aus Molekülen.

Um diese Unterschiede, die uns immer wieder in Chemie beschäftigen werden, genauer zu betrachten, sollen fünf durchaus bekannte Stoffe genauer untersucht werden. Die Überlegungen, die dabei wichtig sind, sind grundlegend für die Chemie.

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  Methan

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  Natrium

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  Natriumchlorid

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  Diamant

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  Wasser

Aufgabe 3

Suche zu den fünf gegebenen Stoffen folgende Eigenschaften aus den verlinkten Wikipedia-Artikeln heraus oder suche nach anderen Informations-Quellen.

• Was sind die kleinsten Teilchen? Wie hängen die Atome zusammen?
• Siedetemperaturen
• Wasserlöslichkeit
• Stromleitfähigkeit