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Es mag auf den ersten Blick nicht ersichtlich sein, aber Kohlenstoff ist ein grundlegendes Element des Lebens auf der Erde. DNA und RNA bestehen aus Kohlenstoff. Und natürlich nicht nur aus Kohlenstoff selbst, sondern Kohlenstoff kann sich mit anderen Molekülen zu langen Ketten verbinden, die für das Leben unerlässlich sind. Und nicht nur für das menschliche Leben, sondern für alles Leben – von Pflanzen und Pilzen über Säugetiere und Insekten bis hin zu allen anderen Lebewesen. Alles Leben auf unserem Planeten besteht aus kohlenstoffhaltiger Materie.
Rein technisch gesehen muss alles Leben auf Kohlenstoff basieren. Es ist zwar durchaus möglich, dass ein anderes Element Kohlenstoff beim Aufbau der Molekülketten, aus denen das Leben besteht, ersetzen könnte, aber das ist reine Theorie. Wir haben noch nie nicht-kohlenstoffbasierte Lebensformen beobachtet; wir betrachten sie meist als Science-Fiction und stellen sie uns als ziemlich bizarr dar.
Wenn alles Leben tatsächlich auf Kohlenstoff basiert, stellt sich die Frage: Warum? Was macht Kohlenstoff zum idealen Element für Leben? Und wie plausibel sind Theorien über andere Elemente? Welche Elemente könnten die Grundlage des Lebens bilden, und woher wissen wir das überhaupt? Finden wir es heraus!
Was ermöglicht es Kohlenstoff, Leben zu bilden?
Obwohl Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist und Sauerstoff für das Leben unerlässlich ist, bildet Kohlenstoff die Grundlage des Lebens und ist das wichtigste Element in diesem Prozess. Dies liegt an den einzigartigen Eigenschaften des Kohlenstoffs, die vielen anderen Elementen fehlen. Insbesondere ist Kohlenstoff ein hervorragender Partner und bildet leicht starke Bindungen mit anderen Elementen.
Aufgrund ihrer Stärke ermöglichen Kohlenstoffbindungen die Bildung hochkomplexer Moleküle. DNA ist beispielsweise ein extrem komplexes Molekül. Ihre Funktion beruht jedoch darauf, dass Kohlenstoffbindungen sie zusammenhalten. Sie bildet leicht lange Polymerketten, die die Existenz von DNA und Proteinen ermöglichen, da diese sehr große Längen erreichen können.
Die Summenformel der DNA lautet C₁₅H₃₁N₃O₁₃P₂. Wie Sie sehen, spielt Kohlenstoff eine zentrale Rolle im Molekül. Er ist hier mit Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor verbunden. Dies sind die grundlegenden Elemente des Lebens. Alles andere baut auf ihnen auf; Kohlenstoff bildet somit ein Gerüst oder Skelett, auf dem das Leben basiert.
Unsere Welt ist buchstäblich von Kohlenstoff durchdrungen, insbesondere im Vergleich zu vielen anderen Elementen. Kohlenstoff ist das vierthäufigste Element im gesamten Universum. Die ersten drei sind Wasserstoff, Helium und Sauerstoff, die alle Gase sind. Daher ist Kohlenstoff der am häufigsten vorkommende feste Stoff. Angesichts seiner Häufigkeit ist es nicht verwunderlich, dass er für das Leben von grundlegender Bedeutung sein könnte.
Da Atome so klein sind, erleichtert dies die Bildung extrem komplexer Molekülketten. Wie bereits erwähnt, kann Kohlenstoff sowohl Proteine als auch Zucker bilden. Alles, was Leben zur Energiegewinnung benötigt, basiert auf Kohlenstoff, genau wie das Leben selbst. Das bedeutet, dass Lebewesen andere kohlenstoffbasierte Moleküle abbauen können, um die Energie zu gewinnen, die sie zum Überleben brauchen. Es ist gewissermaßen ein mikroskopisches «Du bist, was du isst»-Szenario.
Kohlenstoffkreislauf
Auf der Erde gibt es ein Phänomen namens Kohlenstoffkreislauf. Es handelt sich um einen makroskopischen Prozess, der alles auf dem Planeten umfasst. Er ermöglicht es dem gesamten Planeten, Kohlenstoff zu verarbeiten, zu verteilen und so gewissermaßen das Fortbestehen des Lebens zu sichern.
Die weltweiten Kohlenstoffreserven sind begrenzt. Wir zerstören ihn nicht, aber wir können ihn auch nicht erzeugen. Das können wir schon gar nicht, vor allem nicht in diesem Ausmaß. Wir verfügen also über genauso viel Kohlenstoff wie jemals zuvor. Das bedeutet, dass alles, was ihn nutzt, ihn sich irgendwann teilen muss. Es ist durchaus möglich, dass ein Teil des Kohlenstoffs, den du jetzt in dir trägst, einst in Abraham Lincoln, einem Tyrannosaurus rex und vielleicht sogar in den ersten Einzellern enthalten war, die in jenen Gewässern schwammen, als das Leben auf unserem Planeten entstand.
Pflanzen nehmen Kohlendioxid aus der Luft auf. Es reichert sich im Boden und in den Wurzeln an und kann beim Absterben der Pflanzen wieder freigesetzt werden. Ozeane absorbieren den Kohlenstoff, und Lebewesen wie Tiere atmen ihn in die Atmosphäre aus, wo er mit Sauerstoff ausgetauscht wird.
Ein wesentlicher Teil des Kohlenstoffkreislaufs ist mit der Atmosphäre und den Auswirkungen von Kohlendioxid auf die Luftqualität und die globalen Temperaturen verknüpft. Doch Kohlenstoff bewegt sich auch auf anderen Wegen: Er wird von Pflanzen aufgenommen, von Tieren verzehrt, und diese Tiere gelangen schließlich in unseren Körper. So werden diese Kohlenstoffatome ständig in verschiedenen Formen ausgetauscht. Dabei geht es nicht nur um Kohlendioxid, sondern auch um Proteine, Zucker und andere Moleküle, die im Kreislauf des Lebens zwischen Organismen weitergegeben werden.
Sind auch andere biochemische Prozesse möglich?
Wenn Kohlenstoff also die Grundlage des Lebens bilden kann, weil er sich leicht mit anderen Elementen verbindet, sind dann auch andere Elemente dazu fähig? Wie sich herausstellt, eignet sich Kohlenstoff zwar hervorragend dafür, aber er ist nicht das einzige Element. Es ist wichtig zu bedenken, dass all dies rein theoretisch ist, aber was wäre Wissenschaft, wenn sie nicht Fragen stellt, um zu prüfen, ob etwas möglich ist?
Silizium
Silizium steht im Periodensystem direkt unter Kohlenstoff. Es ist typischerweise das am häufigsten genannte Element, wenn über andere mögliche Lebensformen gesprochen wird. Das liegt daran, dass Silizium in seiner Molekularstruktur Kohlenstoff sehr ähnelt. Es bildet zwar nicht ganz so gut komplexe Bindungen mit anderen Elementen, aber immer noch recht gut.
Strukturell ähneln viele Bindungen und Moleküle des Siliziums denen des Kohlenstoffs. Silizium kann zudem starke Bindungen mit Sauerstoff eingehen, was für die Bildung der Bausteine des Lebens, zumindest nach unserem heutigen Verständnis, notwendig wäre. Dieser Ansatz birgt jedoch auch potenzielle Nachteile.
Nicht alle Bindungen zwischen Siliziumatomen sind so stark wie die zwischen Kohlenstoffatomen. Silizium eignet sich zwar ideal für hohe Temperaturen, doch bei den üblichen Temperaturen an der Erdoberfläche sind die Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen deutlich stärker. Zudem sind Siliziumatome wesentlich größer als Kohlenstoffatome. Dies führt in manchen Molekülen zu einem gewissen Platzbedarf und schränkt die Möglichkeiten zur Herstellung einiger der komplexesten Polymere, die mit Kohlenstoff synthetisiert werden können, ein.
Forschern ist es gelungen, Mikroben im Labor so zu manipulieren, dass sie organische Verbindungen aus Silizium herstellen – ein Vorgang, der in der Natur normalerweise nicht vorkommt. Dies bestärkt die Annahme, dass wir eines Tages siliziumbasiertes Leben im Universum entdecken könnten.
Methan
Die Idee potenzieller methanbasierter Lebensformen ist etwas theoretischer als die Siliziumfrage. Hier wird die Sache deutlich komplexer und schwieriger zu verstehen. Kohlenstoff und Silizium sind zumindest unterschiedliche Elemente. Methan ist ein Molekül aus Kohlenstoff und Sauerstoff, also könnte es sich technisch gesehen wieder um kohlenstoffbasiertes Leben handeln? Methan ist jedoch kein Milieu, in dem die meisten Lebensformen auf der Erde gedeihen können. Man möchte es sicherlich nicht regelmäßig einatmen.
NASA-Forscher, die einen der Saturnmonde, Titan, untersuchen, haben Vinylcyanid in seiner Atmosphäre entdeckt. Sie vermuten, dass diese organische Verbindung Zellmembranen für methanbasierte Lebensformen liefern könnte. Dabei handelt es sich wahrscheinlich um Mikroorganismen in den Methan-Ozeanen, die den Mond bedecken, aber theoretisch ist dies möglich.
Die Membranen auf Titan würden aus Stickstoff, Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, im Gegensatz zu dem auf der Erde vorkommenden Phosphor und Sauerstoff.
Schwefel
Die ältesten Fossilien, die wir je auf der Erde gefunden haben, stammen aus der Zeit vor 3,4 Milliarden Jahren. Damals entstand das Leben, und unser Planet ähnelte noch nicht dem heutigen. Es gab keinen Sauerstoff in der Atmosphäre, und die Photosynthese, die Kohlendioxid in atembare Luft umwandelt, fand noch nicht statt. Die Welt war heiß, voller Gase und extrem lebensfeindlich für alles Leben, das es heute gibt. Wie also entstand das Leben, und was tat es?
Von Wissenschaftlern entdeckte Fossilien deuten auf die Existenz von Mikroorganismen hin, die Schwefel als Energiequelle nutzen. Diese Mikroorganismen wuchsen und vermehrten sich, was die Hoffnung weckte, dass eines Tages Leben oder zumindest Spuren davon auf dem Mars entdeckt werden könnten.
Darüber hinaus wird angenommen, dass einige Schwefelverbindungen, die zur Entstehung des Lebens auf der Erde beigetragen haben, ursprünglich aus dem Weltraum stammen. Wenn sie hier ankamen und Dinosaurier, Tauben und Fußballspieler hervorbrachten, wer weiß, was auf einem anderen Planeten geschehen sein mag?
Ammoniak
Ammoniak ist, ähnlich wie Methan, eine weitere Substanz, in der die meisten Lebewesen auf der Erde, gelinde gesagt, nicht überleben können. Es gibt zwar Theorien über ammoniakbasiertes Leben, doch geht es dabei weniger darum, dass Ammoniak Kohlenstoff ersetzt – was es nicht kann, da es ein Molekül und kein Atom ist –, sondern vielmehr darum, Wasser zu ersetzen.
Ammoniak ist nicht völlig unvereinbar mit Leben. Wir produzieren Ammoniak in unserem Urin, es ist also Teil unserer Biologie, obwohl es nicht als organische Substanz gilt. Das liegt einfach daran, dass es eine stickstoffhaltige Verbindung ohne Kohlenstoff ist. Kohlenstoffbasiertes Leben ist organisch. Sollten wir jedoch nicht-kohlenstoffbasiertes Leben entdecken, müsste unsere Definition von organischer Materie angepasst werden.
Da nur sehr wenige Planeten im Sonnensystem und vielleicht sogar im gesamten Universum flüssiges Wasser besitzen, liegt die Frage nahe, welche anderen Flüssigkeiten zur Entstehung von Leben genutzt worden sein könnten. Leben, wie wir es kennen, benötigt Wasser, aber wer sagt, dass Leben so sein muss wie wir? Hier kommt Ammoniak ins Spiel.
Selbst in unserem Sonnensystem gibt es nur begrenzte Mengen an reichlich vorhandenen Flüssigkeiten. Merkur und Venus enthalten Schwefelsäure. Zwar gibt es Wasser, und es wurde auch auf einigen Monden nachgewiesen, doch auf kälteren Planeten findet sich wahrscheinlich Ammoniak, das einen niedrigeren Gefrierpunkt hat. Mit sinkenden Temperaturen verflüssigt sich Methan, und selbst Stickstoff könnte in den äußeren Bereichen des Sonnensystems flüssig vorkommen.
Das Vorhandensein einer Flüssigkeitspresse bedeutet nicht, dass diese in lebenden Organismen funktionieren kann. Sie muss eine Reihe von Kriterien erfüllen, darunter Löslichkeit, niedrige Viskosität, Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen und weitere Faktoren. Wenn wir also flüssiges Wasser, das bekanntermaßen ideal wäre, ausschließen, ist Ammoniak unsere nächstbeste Option.
Ammoniak ist das vierthäufigste Molekül im Universum und seine chemische Zusammensetzung ähnelt stark der von Wasser. Zwar gleicht es Wasser nicht in allen Funktionen lebender Organismen, doch basiert unser Wissen auf dem, was wir bereits wissen und beobachtet haben. Daher lässt sich schwer sagen, ob uns Details entgangen sind.
Leben in einer kosmischen Halskette
Es gibt eine weitere Theorie über den Ursprung des Lebens im Universum, die die Vorstellung von kohlenstoffbasiertem Leben weit hinter sich lässt. Sie geht sogar über die Idee von siliziumbasiertem oder ammoniakbasiertem Leben und Ähnlichem hinaus. Es geht um Leben als kosmische Kette – die extremste aller möglichen Theorien.
Wenn wir an das denken, was wir über extreme Lebensformen auf der Erde wissen, erinnern wir uns vielleicht an Bärtierchen. Diese winzigen Organismen können in extremer Kälte, extremer Hitze und sogar im Vakuum des Weltraums überleben. Es gibt auch Lebensformen, die an unglaublich heißen, giftigen hydrothermalen Quellen am Meeresboden gedeihen. Auch wenn dies Ausnahmen sind, zeigen sie doch, dass es Fälle gibt, in denen Leben auf unerwartete Weise gedeihen kann. Wo 99,91 T³ Billionen aller anderen Lebewesen zugrunde gehen würden, gedeihen diese Kreaturen prächtig. Stellen Sie sich das nun im kosmischen Maßstab vor.
Wenn wir unser bisheriges Wissen über die Grundvoraussetzungen für Leben – nämlich Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasser, die richtige Schwerkraft und den richtigen Abstand zum Stern – außer Acht lassen, können wir mit der Suche an exotischen Orten beginnen. Zum Beispiel im Inneren der Sterne selbst.
Dies ist rein theoretische Spekulation, aber die Idee ist, dass es ein Teilchen geben könnte, das dem Higgs-Boson sehr ähnlich ist und als magnetischer Monopol bezeichnet wird. Wir wissen nicht einmal, ob dieses Teilchen existiert. Wie das Higgs-Boson blieb es lange Zeit rein theoretisch. Obwohl die Existenz des Higgs-Bosons schließlich bewiesen wurde, entzieht sich dieses Teilchen weiterhin unserem Verständnis.
Wenn das stimmt, könnten sich diese Partikel über kosmische Fäden verbinden und DNA-ähnliche Strukturen in Sternen bilden. Wenn die Fähigkeit zur Selbstreplikation in RNA und DNA kodiert ist, könnten diese Partikel eine ähnliche Funktion in Sternen erfüllen, indem sie kodieren und reproduzieren und so eine Lebensform erschaffen, die sich von allem auf unserer Welt unterscheidet. Es wäre Leben auf Partikelbasis, oder zumindest dessen Bausteine.
Ob diese Halsketten jemals etwas Bewusstes werden könnten, ist eine ganz andere Geschichte, und wer weiß das schon?
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