Alternative Lösungsmittel für mögliches extraterrestrisches Leben Vertiefungsmodul Astrobiologie: Spezielle Aspekte der Astrobiologie WS 11/12 Matthias Kühtreiber
Überblick Physikalische/chemische Eigenschaften von Lösungsmittel Wasser Anorganische polare Lösungsmittel: Ammoniak (N 3 ) Cyanwasserstoff (CN) Fluorwasserstoff (F) Schwefelwasserstoff ( 2 S) Schwefelsäure ( 2 S 4 ) Wasserstoffperoxid ( 2 2 ) Überkritisches Kohlenstoffdioxid (scc 2 ) rganische polare Lösungsmittel Methanol (C 3 ) rganische unpolare Lösungsmittel Methan(C 4 ), Ethan (C 2 6 ) Anorganische unpolare Lösungsmittel Stickstoff (N 2 ) Fazit
Physikalische/chemische Eigenschaften von Lösungsmittel Vorteile für die Entwicklung biochemischer Prozesse in einem flüssigen Medium: Austausch/Transport gelöster Stoffe Erhöhung von Reaktionswahrscheinlichkeiten durch räumliche Einschränkung Schutz vor äußeren Veränderungen
Physikalische/chemische Eigenschaften von Lösungsmittel Für ein Lösungsmittel relevante Parameter: Schmelz /Siedepunkt kritische Temperatur/ kritischer Druck Verdampfungs / Schmelzwärme
Physikalische/chemische Eigenschaften von Lösungsmittel Polarität Polare Lösungsmittel: Ladungstrennung Dipolmoment 0 lösen polare Stoffe δ + δ δ + Unpolare Lösungsmittel: Symmetrie Dipolmoment = 0 lösen unpolare Stoffe C
Wasser ( 2 ) Polarität Wasserstoffbrücken großer Temperaturbereich des flüssigen Zustands hohe Verdampfungswärme guter Wärmemoderator Anomalie: größte Dichte bei 4 C Schutz vor UV Strahlung
Polare anorganische Lösungsmittel: Ammoniak (N 3 ) etwas weniger polar, aber sehr gutes Lösungsmittel relevanter Temperaturbereich ist schmäler gefrorenes Ammoniak ist dichter als flüssiges berflächenspannung geringer bietet keinen UV Schutz kann Alkalimetalle lösen ohne Reaktionen hervorzurufen gute Katalysatoren kann Wassereis lösen lässt sich in großen Mengen im Universum nachweisen Eigenschaft 2 N 3 Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt Schmelzwärme Verdampfungswärme 18,02 17,03 0,00 77,73 100,0 33,3 6,0 5,7 40,7 23,3 Dipolmoment [D] 1,85 1,47 relat. äufigkeit 1 0,25
Polare anorganische Lösungsmittel: Ammoniak (N 3 ) Benner et al. (2004): theoretisch denkbarer Metabolismus durch Ersetzung der C Gruppe vieler organischer Verbindungen durch eine CN Gruppe Firsoff (1963): Möglichkeit zur Synthetisierung von Proteinen in Ammoniak: N C C + N C C N C C N C C +
Benner et al. (2004): theoretisch denkbarer Metabolismus durch Ersetzung der C Gruppe vieler organischer Verbindungen durch eine CN Gruppe Firsoff (1963): Möglichkeit zur Synthetisierung von Proteinen in Ammoniak: N C N C + N C C N C C + N Polare anorganische Lösungsmittel: Ammoniak (N 3 ) N C N C N
Cyanwasserstoff (CN) exzellentes polares Lösungsmittel guter thermischer Moderator relevanter Temperaturbereich relat. schmal Gruppen in organischen Verbindungen könnten durch CN Gruppen ersetzt werden CN analoger Stoffwechsel denkbar kann mit UV Strahlung und Wasser Glycin und Cyanamid produzieren: Eigenschaft 2 CN Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt 18,02 27,02 0,00 13,3 100,0 26,0 3 CN + 2 2 + UV Licht C 2 5 2 N + CN 2 2 Schmelzwärme 6,0 8,4 Adenin (C 5 5 N 5 ) ist das Pentamer von Cyanwasserstoff Verdampfungswärme 40,7 25,5 Dipolmoment [D] 1,85 2,99 relat. äufigkeit 1 0,14
Fluorwasserstoff (F) Physikalische Eigenschaften sehr ähnlich mit 2 relevanter Temperaturbereich größer als bei Wasser und bei niedrigeren Werten angesiedelt F 2 2 könnte 2 in xiden ersetzen Fluorination als Analogon zur xidation als Energielieferant äufigkeit im Universum wird sehr gering eingeschätzt F Eigenschaft 2 F Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt Schmelzwärme Verdampfungswärme 18,02 20,01 0,00 83,4 100,0 20,0 6,0 4,6 40,7 30,3 Dipolmoment [D] 1,85 1,83 relat. äufigkeit 1?
Schwefelwasserstoff ( 2 S) Flüssig bei sehr geringen Temperaturen relevantes Temperaturfenster beträgt jedoch nur 26 C schlechter Wärmemoderator aber viele organ. Verbindungen gut löslich sehr äufiges Molekül Eigenschaft 2 2 S Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt 18,02 34,08 0,00 85,5 100,0 59,6 Schmelzwärme Verdampfungswärme 6,0 2,4 40,7 18,7 Dipolmoment [D] 1,85 0,98 relat. äufigkeit 1 1,31
Schwefelsäure ( 2 S 4 ) S extrem großer, relevanter Temperaturbereich sehr hohes Dipolmoment C=C Bindung reagiert als Base in starken Säuren; könnte C= Einheit in organ. Substanzen ersetzen gute Mischbarkeit mit Wasser Eigenschaft 2 2 S 4 Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt 18,02 98,08 0,00 10 100,0 337 Schmelzwärme Verdampfungswärme 6,0 10,7 40,7? Dipolmoment [D] 1,85 2,7 relat. äufigkeit 1 0,42
Wasserstoffperoxid ( 2 2 ) wasserähnliche Eigenschaften in reiner Form schlecht für organ. Moleküle: würde C Verbindungen zu C 2 oxidieren wässrige 2 2 Mischung würde den Schmelzpunkt von Wasser deutlich senken: 56,5 C für 61,2 % 2 2 (Foley et al. 1951) Tanenbaum (1956): Acetobacter peroxidans verwendung von 2 2 im Stoffwechsel Möglichkeit für Leben auf dem Mars Eigenschaft 2 2 2 Molare Masse [g/mol] 18,02 34,01 Schmelzpunkt 0,00 0,4 Siedepunkt 100,0 150,2 Schmelzwärme 6,0 12,50 Verdampfungswärme 40,7 51,6 Dipolmoment [D] 1,85 2,01 relat. äufigkeit 1?
Überkritisches Kohlenstoffdioxid (scc 2 ) Vorteile überkritischer Fluide: Löslichkeit/Mischbarkeit von Gasen hohe Diffusionsraten variable Dichten Inagaki et al. (2006): Entdeckung von rganismen in flüssigem C 2 unterhalb des Meeresbodens Inagaki et al. 2006
rganische polare Lösungsmittel: Methanol (C 3 ) C sehr gutes polares Lösungsmittel besserer Wärmemoderator als Wasser Nachweis im ISM, Kometen und protoplanetare Scheiben lässt hohe äufigkeit im Universum Vermuten Eigenschaft 2 C 3 Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt 18,02 32,04 0,00 94 100,0 65 Schmelzwärme Verdampfungswärme 6,0 2,2 40,7 40,5 Dipolmoment [D] 1,85 1,6 relat. äufigkeit 1?
rganische unpolare Lösungsmittel Zellwände: aufgebaut aus amphiphilen organischen Molekülen in unpolaren Lösungsmitteln müssten Zellwände umgekehrt ausgerichtet werden Methan (C 4 ), Ethan(C 2 6 ): Mögliche Kandidaten für unpolare Lösungsmittel Methanogenese könnte Möglichkeit zur Energieproduktion darstellen: http://de.wikipedia.org/wiki/phospholipide C 2 2 + 3 2 2C 4
Nichtorganische unpolare Lösungsmittel: Stickstoff (N 2 ) kommt für Eisplaneten/Monde in Frage Bains et al. (2004): Silanole (organ. Si Verbindungen könnten in N 2 bei sehr geringen Temperaturen löslich sein. eines der häufigsten Elemente überhaupt Eigenschaft 2 N 2 Molare Masse [g/mol] Schmelzpunkt Siedepunkt 18,02 28,01 0,00 210 100,0 196 Schmelzwärme Verdampfungswärme 6,0 0,71 40,7 5,56 Dipolmoment [D] 1,85 0 relat. äufigkeit 1 1,96
Fazit auf wärmeren Planeten ist 2 eindeutig das beste Lösungsmittel unter kälteren Bedingungen könnten N 3 bzw. Wasser N 3 Mischungen ( Frostschutzmittel ) ähnlich günstige Bedingungen schaffen auch organische Lösungsmittel kommen in Frage wie z.b. Methanol, dass sogar unter manchen Umständen Vorteile gegenüber Wasser hätte. Durch vergleiche physikalischer Eigenschaften kann man zwar diskutieren wie gut sich bestimmte Substanzen als Lösungsmittel eignen, aber die Überlegungen bezüglich möglicher Metabolismen sind äußerst spekulativ
Referenzen Bains W. 2004. Many chemistries could be used to build living systems. Astrobiology 4: 137 167 Baross, J.A., S.A. Benner, et al. 2007. The Limits of rganic Life in Planetary systems, National Academics Press, Washington D.C. Benner, S.A., A. Ricardo, et al. 2004. Is there a comon chemical model for life in the universe? Curr. pin. Chem. Bol. 8: 672 689 Cleaves, C., G. Cody, et al. 2008. Recent insights into the prebiotic chemistry of CN. Astrobiology 8:3. Inagaki et al. 2006. Microbial community in a sediment hosted C 2 lake of the southern kinawa Trough hydrothermal system PNAS vol. 103 no. 38 Raulin et al. 1995: The low temperature organic chemistry of Titan s geofluid. Adv. Space Res. 15: 321 333 Schulze Makuch D. et al. 2007. Life in the Univrse: Expactations and Constrains. Springer