Mittwoch, 26. Juni 2013

Leben aus toter Materie: Forscher lüften das Geheimnis einer Reaktion zur Synthese von organischen Molekülen


Jedes reagierende Molekül absorbiert hunderte von UV-Photonen bevor diese schlussendlich zu Imidazolen umgewandelt werden.
| Copyright: Max-Planck-Institut für Kohlenforschung


Mülheim a.d. Ruhr (Deutschland) - Die Frage, wie einst aus einem Haufen toter Materie komplexe Organismen werden konnten, wie also aus leblosen Stoffen organische Moleküle entstehen, die dann schließlich Bausteine für Tiere und Pflanzen bilden, stellte die Wissenschaft bislang vor ein großes Rätsel. Forschern am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung ist es jetzt gelungen, eines dieser Rätsel zu lüften, das sich hinter einer Synthese von organischem Material verbirgt und das Bausteine für Lebewesen bildet.

"Seit den 1960er Jahren weiß man, dass konzentrierter Cyanwasserstoff (HCN), auch als Blausäure bekannt, sogenannte Imidazole bildet", erläutert die Pressemitteilung des Instituts (kofo.mpg.de), "sobald er mit UV-Licht bestrahlt wird. Imidazole sind ringförmige Schlüsselmoleküle, die bei der Bildung von Nucleinsäuren und deren Bausteinen, den Nucleotiden, eine wichtige Rolle spielen."


Wie genau aber die Rolle des Lichts in dieser Reaktion von Blausäure zu Imidazolen ist, konnte bislang nicht erklärt werden. Einer internationalen Forschergruppe um Dr. Mario Barbatti vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung ist es nun gelungen, diese Reaktion anhand von Simulationen nachzuvollziehen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse aktuell in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" (doi: 10.1002/anie.201303246) veröffentlicht.



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Mit unterschiedlichen Methoden der Computerchemie haben die Wissenschaftler herausgefunden, dass beispielsweise, die Reaktion keinesfalls nur in einer heißen Umgebung stattfinden muss, obwohl Sonneneinstrahlung eine große Rolle spielt. "Das hat mit Hitze nichts zu tun, sondern mit Elektronen", erklärt Barbatti.

Die Blausäure durchlaufe während der Reaktion eine ganze Reihe von elektronisch aufgeladenen Stadien. Durch die UV-Strahlen, wie sie von der Sonne ausgestrahlt werden, werde das Molekül in einen "angeregten Zustand" versetzt. Das bedeutet, dass die Elektronen völlig anders verteilt sind als im normalen Zustand, wodurch sich die Eigenschaften des Moleküls verändern. "Das passiert in diesem Fall aber sehr schleppend", erklärt der Forscher, da die Zerstreuung der Sonnenstrahlen zu schnell vonstatten gehe. Jedes Molekül müsse darum mit hunderten von UV-Photonen beschossen werden, bevor endlich der entscheidende Schritt passiert und aus der Blausäure das Imidazol wird.


"Das ist sehr ineffizient und daher wirklich ungewöhnlich", so Barbatti weiter. Darum sei es auch nicht einfach gewesen, die Reaktion rechnerisch nachzuvollziehen, so der Physiker aus Brasilien. Schritt für Schritt haben er und seine Kollegen am Computer mögliche Zwischenstadien errechnet und ausprobiert, viele davon auch wieder verworfen, bevor sie den richtigen Weg gefunden haben, der mit der schnellen Zerstreuung der Energie und den Erkenntnissen aus der Experimentalchemie zusammenpasst.


Den Grund, weswegen die Forscher am Computer und nicht im Labor gearbeitet haben, erläutert Barbatti wie folgt: "Einige Zwischenstadien der Reaktion sind zu flüchtig. Sie verschwinden, bevor wir sie sehen können. Die Computerchemie erlaubt es jedoch, Reaktionen theoretisch nachzuvollziehen."


Die Umwandlung von Blausäure zu Imidazolen funktioniere nicht nur unter Hitze sondern auch in einer kalten Umgebung, beispielsweise in einem Kometen oder im Eis, das auf einem Planeten wie der Erde vorkommt, erläutert der Forscher abschließend. "In solchen Umgebungen ist auch die spontane Bildung von Blausäure viel wahrscheinlicher."


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Quelle: mpi-muelheim.mpg.de
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