Die Regeln der Chemie auf Titan, dem größten Mond des Saturn, könnten neu geschrieben werden. Mit der Konsequenz, dass auch die Chemie des Lebens neu geschrieben werden müsste.
Eine unerwartete Entdeckung zeigt, wie gefrorene Kristalle einer giftigen Verbindung, Cyanwasserstoff, sich mit flüssigen Kohlenwasserstoffen wie Methan und Ethan vermischen können und dabei stabile Strukturen unter extremen Bedingungen bilden. Diese bisher für unmöglich gehaltene Wechselwirkung eröffnet neue Perspektiven auf die präbiotische Chemie im Sonnensystem und darüber hinaus.
Blick auf Titan, den größten Mond des Saturn, jenseits der Ringe des Planeten. Der kleine Mond Epimetheus ist im Vordergrund sichtbar.
Bildnachweis: NASA/JPL/Space Science Institute.
Experimente am Jet Propulsion Laboratory der NASA, kombiniert mit Computersimulationen der Chalmers University of Technology in Schweden, ermöglichten die Beobachtung dieses überraschenden Phänomens. Die Forscher arbeiteten bei Temperaturen nahe denen auf Titan, also etwa -180 °C, wo Cyanwasserstoff in Form fester Kristalle vorliegt.
Im Labor stellten sie fest, dass Methan und Ethan, obwohl unpolar, in die Kristallstruktur von Cyanwasserstoff eindringen und sogenannte "Co-Kristalle" bilden können. Diese unerwartete Stabilität stellt das chemische Prinzip in Frage, dass sich polare und unpolare Substanzen nicht mischen.
Cyanwasserstoff ist ein polares Molekül, was bedeutet, dass es eine positiv geladene und eine negativ geladene Seite besitzt, die normalerweise Bindungen zu anderen polaren Molekülen begünstigt. Im Gegensatz dazu sind Methan und Ethan unpolare Kohlenwasserstoffe mit einer symmetrischen Verteilung der elektrischen Ladungen. Auf der Erde würde dieser Unterschied erklären, warum sich Öl und Wasser nicht mischen. Doch auf Titan zeigten die Simulationen, dass diese Verbindungen sich verbinden und stabile hybride Kristallstrukturen in der eisigen Umgebung des Mondes bilden können.
Diese Entdeckung hat große Auswirkungen auf das Verständnis der präbiotischen Chemie, also der chemischen Reaktionen, die der Entstehung des Lebens vorausgegangen sein könnten. Cyanwasserstoff ist ein Schlüsselvorläufer für Aminosäuren, die Bausteine der Proteine, und für die Nukleobasen von RNA und DNA. Obwohl er für das heutige Leben giftig ist, könnte er eine essentielle Rolle bei der Bildung der ersten biologischen Moleküle auf der frühen Erde gespielt haben. Titan mit seinen Kohlenwasserstoff-Seen und seiner stickstoffreichen Atmosphäre bietet ein natürliches Labor, um diese Prozesse zu studieren.
Die Dragonfly-Mission der NASA, die voraussichtlich 2034 auf Titan ankommen soll, wird diese Ergebnisse überprüfen, indem sie Proben von Cyanwasserstoff-Eis von der Oberfläche entnimmt. Diese Mission, ausgestattet mit einem Rotorcraft, wird verschiedene Standorte erkunden, um die Chemie dieses Mondes zu analysieren. Die Forscher hoffen so, weitere unerwartete Wechselwirkungen zwischen polaren und unpolaren Molekülen zu entdecken und unser Verständnis eisiger Umgebungen im Universum zu erweitern.
Polare und unpolare Moleküle
Polare Moleküle wie Cyanwasserstoff haben eine ungleiche Verteilung der elektrischen Ladungen, wodurch ein positiver und ein negativer Pol entstehen. Diese Polarität begünstigt Wechselwirkungen mit anderen polaren Molekülen durch elektrostatische Anziehung, was erklärt, warum sie sich oft in polaren Lösungsmitteln wie Wasser auflösen.
Unpolare Moleküle wie Methan und Ethan haben eine symmetrische Ladungsverteilung, was sie wenig kompatibel mit polaren Substanzen macht. Im Allgemeinen ziehen sie es vor, sich mit anderen unpolaren Molekülen zu verbinden, ein Prinzip, das mit dem Sprichwort "Gleich und gleich gesellt sich gern" zusammengefasst wird.
Auf Titan stellt die Entdeckung von Mischungen dieser beiden Molekültypen diese Regel in Frage. Die extrem niedrigen Temperaturen von etwa -180 °C ermöglichen es Methan und Ethan, in die Cyanwasserstoff-Kristalle einzudringen und stabile Co-Kristalle zu bilden. Diese Wechselwirkung wird durch die Kristallstruktur erleichtert, die unpolare Moleküle in ihren Zwischenräumen aufnehmen kann.
Diese Ausnahme ebnet den Weg für neue Forschungen zu molekularen Mischungen in kalten Umgebungen wie interstellaren Wolken oder Kometen, wo ähnliche Reaktionen stattfinden könnten.
Die präbiotische Chemie und die Ursprünge des Lebens
Die präbiotische Chemie untersucht die chemischen Reaktionen, die vor etwa 4 Milliarden Jahren zur Entstehung des Lebens auf der Erde geführt haben könnten. Sie konzentriert sich auf die Bildung komplexer organischer Moleküle aus einfachen Verbindungen unter natürlichen Bedingungen.
Cyanwasserstoff gilt als ein wichtiger Vorläufer in diesem Prozess. Er kann mit anderen Molekülen reagieren, um Aminosäuren zu bilden, die die Grundbausteine der Proteine und essentiell für das Leben sind. Ebenso ist er an der Synthese von Nukleobasen beteiligt, den Bestandteilen von RNA und DNA.
Titan mit seinen Kohlenwasserstoff-Seen und seiner stickstoffreichen Atmosphäre ähnelt einer vereisten Version der frühen Erde. Die Wechselwirkungen zwischen Cyanwasserstoff und Kohlenwasserstoffen könnten dort Schlüsselschritte der präbiotischen Chemie simulieren, trotz der lebensfeindlichen Temperaturen.
Indem sie diese Mechanismen auf Titan verstehen, hoffen Wissenschaftler aufzuklären, wie das Leben auf der Erde entstehen konnte und ob ähnliche Prozesse anderswo im Universum möglich sind, beispielsweise auf Exoplaneten oder anderen Eismonden.
Quelle: PNAS