Читать книгу Chemie - Armin Börner - Страница 18

Wie wir durch einige Überlegungen unter Beihilfe weniger Gesetzmäßigkeiten des Periodensystems bewiesen haben, ist unter allen Elementen nur der Kohlenstoff geeignet, als Basis für Leben zu dienen. Damit wird die Kurzdefinition der Darwinschen Evolutionstheorie „survival of the fittest“ zunächst auf dem Niveau der Elemente und anschließend auf der Ebene der kohlenstoffbasierten Moleküle erfüllt. Evolution bedeutet, dass sich eine erfolgreiche Spezies durch besonders viele Nachkommen und somit aufgrund überlegener Anpassung an die Umweltbedingungen auszeichnet.* Nur Kohlenstoffverbindungen weisen eine fast unbegrenzte Variationsfähigkeit auf, die durch das Zusammenspiel mit Sauerstoff und Wasser potenziert wird. Gleichzeitig konstituieren Sauerstoff und Wasser die Rahmenbedingungen, man könnte sagen: die ökologische Nische, an die sich die Chemie des Lebens angepasst hat.

Nur der Kohlenstoff ist in der Lage, zusammen mit dem ihn stets begleitenden Wasserstoff die Grundstrukturen hervorzubringen, die benötigt wurden und bis heute erforderlich sind, um den kombinatorischen Reichtum an komplexen, variationsfähigen Strukturen zu generieren. Dies kann er nicht allein, dazu ist die Vergesellschaftung mit anderen Elementen erforderlich, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Elektronegativitäten „Unwuchten“ und damit Dynamik in die Struktur von langlebigen Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen bringen. An erster Stelle ist dabei der Sauerstoff zu nennen. Kaum mehr als zwei Dutzend weitere Elemente sind notwendig, um Leben zu erzeugen, vielfach reichen auch weniger aus. Das schließt den chemischen Aufbau des Menschen ein. Die relative atomare Zusammensetzung eines Durchschnittsmenschen kann mit der Sterner-Elser human molecular formula aus dem Jahr 2000 beschrieben werden.^{83, 84}

Was bedeutet, dass zum Beispiel auf ein einziges Cobaltatom, das eine zentrale Funktion im Vitamin B₁₂ innehat, 375.000.000 Wasserstoffatome bzw. 85 700.000 Kohlenstoffatome kommen. Da keine Edelmetalle in der Formel auftauchen, ist der reine Materialwert eines Menschen relativ niedrig zu veranschlagen. Der Kabarettist Georg Kreisler hat eine diesbezügliche Frage bereits im Jahr 1956 an das Institut für gerichtliche Medizin der Universität Wien gestellt und die Antwort als Ausgangspunkt für sein Lied Vierzig Schilling genommen, was nach heutigem Kurs ungefähr 40 € entspricht.

Auf einen anderen Aspekt hat Albert Einstein 1933 in einem Brief an seinen Sohn Eduard hingewiesen: „Die Menschen sind wie das Meer, manchmal glatt und freundlich, manchmal stürmisch und tückisch – aber eben in der Hauptsache nur Wasser.“85 Wir können diesen Ausspruch des berühmten Physikers noch weiter präzisieren: Der Wasseranteil des Menschen liegt in Abhängigkeit von Alter und Geschlecht zwischen 57 und 75 %.86 Der ist immerhin niedriger als der einer Qualle (99 %) oder der einer grünen Gurke (96 %). Trotzdem ist allen drei Lebensformen gemeinsam, dass sie aus jenen Atomen aufgebaut sind, die vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren während des Urknalls (Wasserstoff) und aus explodierenden Supernovae (das betrifft alle anderen Elemente) entstanden sind.87 Alles ist in letzter Konsequenz nur kondensierter Sonnenstaub.

Ehe Ihnen das alles möglicherweise viel zu rational daherkommt und Sie anfangen, in der akademischen Kälte zu frieren, suchen wir schnell Trost bei dem Astrophysiker Leonard Hofstadter aus der populären US-amerikanischen Comedyserie The Big Bang Theory, der diesen Sachverhalt in dem Ehegelübde an seine zukünftige Braut wesentlich romantischer zum Ausdruck gebracht hat: „Penny, we are made of particles that have existed since the moment the universe began. I like to think those atoms traveled 14 billion years through time and space to create us so we could be together and make each other whole.“* Auch wenn einzelne Atome in der Chemie des Lebens keine Rolle spielen – die kleinsten Einheiten sind niedermolekulare Moleküle wie Wasser (H₂O), Sauerstoff (O₂), Kohlendioxid (CO₂), Schwefelwasserstoff (H₂S), Ammoniak (NH₃) oder Stickstoffmonoxid (NO) –, währt kein Leben ewig, was mit der relativen Instabilität von energiereichen Kohlenstoffverbindungen zusammenhängt. Irgendwann überwiegt die destruktive Seite des Sauerstoffs gegenüber seinen konstruktiven Beiträgen, wie wir in Kapitel 10 schlussfolgern müssen: Der Organismus stirbt. Darin spiegelt sich eine philosophische Weisheit wider, die „Archie“ Bunker so formulierte: „ You don’t own it, you rent it.“**88 Eine konsequente naturwissenschaftliche Bildung vermag offensichtlich nicht nur die Welt logisch zu strukturieren, sondern sie verleiht in letzter Instanz auch kosmische Gelassenheit.

* Der Menschen töpfernde Prometheus ist ebenfalls eine zentrale Figur der griechischen Mythen bis hin zu Goethes gleichnamigem Gedicht (H. Blumenberg, Arbeit am Mythos, suhrkamp taschenbuch wissenschaft, 2006, S. 329-503). Auch der Golem aus der jüdischen Literatur und Mystik des frühen Mittelalters ist eine menschenähnliche Figur aus Lehm und steht in dieser Tradition.

* Auf die Reversibilität der Beseelung hat Peter Sloterdijk hingewiesen, in dem er an einen metaphorischen Ausdruck für das Sterben in der französischen Sprache „rendre l’âme“ (zu Deutsch: „die Seele zurückgeben“) erinnerte (P. Sloterdijk, Nach Gott, Suhrkamp 2017, S. 11).

** Man findet das Alpha privativum auch im Asyl (ἄ-συλος a-sylos, „nicht beraubt“, „sicher“), im Asphalt (ἄ-σφαλτος a-sphaltos, „nicht bestürzend“, „fest“) oder in Atheist (ἄ-θεος a-theos, „ohne Gott“).

* In dem 1975 publizierten Buch mit dem Originaltitel Il sistema periodica werden 21 Elemente in jeweils separaten Kapiteln vorgestellt. Das Buch wurde 2006 bei einer Befragung des Imperial College in London zum „best science book ever“ gekürt (J. Soentgen, Atome und Bücher. Primo Levis Erzählung Kohlenstoff im Periodischen System und Hermann Römpps Lebensgeschichte eines Kohlenstoffatoms http://www.sachbuchforschung.uni-mainz.de/wp-content/uploads/Arbeitsblaetter_Sachbuchforschung_21_Soentgen_Atome_und_Buecher.pdf; abgerufen am 06.11.2016).

* Im Original: „Le monde ne vaut que par les extrêmes et ne dure que par les moyens“ (P. Valéry, Cahier B 1910, Collection Blanche, Gallimard, 2006).

* Solche allgemeinen Summenformeln, die ganze Klassen von Verbindungen zusammenfassen, gibt es nur sehr wenige in der Naturstoffchemie, was wiederum ein Hinweis auf die große Mannigfaltigkeit von Kohlenstoffverbindungen mit höheren Molekularmassen ist.

* Erdöl ist ein komplexes Gemisch von manchmal mehreren Tausend chemischen Verbindungen, die durch langsame Zersetzung von Algen bei Temperaturen zwischen 60 °C und 170 °C und hohen Drücken in einer Tiefe von 2000–4000 m entstanden sind.

** Diese Eigenschaft war schon den alten Griechen bekannt, die es unter dem auch heute noch geläufigen Namen Naphtha als „griechisches Feuer“ einsetzten, um entweder selbst Licht in ihre Häuser zu bringen oder dem Feind einzuheizen.

* Der Begriff Katalysator geht auf J. J. Berzelius zurück, der ihn 1835 auf das altgriechische Substantiv καταλύειν katálysis, das bedeutet in der deutschen Übersetzung „Auflösung“, „Zerstörung“ oder „Losbinden“, zurückführte.

* Es muss angemerkt werden, dass dies keiner wörtlichen Übersetzung entspricht. Die ersten beiden Zeichen 触 bedeuten auch „Kontakt“. Die gebräuchlichere Übersetzung von „Katalysator“ in der chinesischen Literatur ist 催化剂.

** Methanol kann durch Destillation aus Holz hergestellt werden. Die beiden französischen Chemiker Jean Baptiste Dumas und Eugène Péligot erkannten Mitte des 19. Jahrhunderts, dass dieser Holzgeist dem Weingeist (Ethanol) sehr ähnlich ist. Daraus ergab sich das Kompositum μέθυ méthy („Wein“) + ὕλη hŷlē („Holzstück“) = methylen, was in der Folge die Grundform für die Begriffe Methan, Methanol und Methylgruppe wurde.

* Die Azidose kann man bekämpfen, indem man „richtigen“ Alkohol, nämlich Ethanol, zu sich nimmt und damit die Enzyme, die Methanol zu diesem Giftcocktail abbauen, anderweitig beschäftigt.

* Die Bindungsenergien zum Vergleich: C–C = 348 kJ/mol und C–H = 413 kJ/mol.

** Bei Ersatz der H-Atome gegen Fluoratome wird die Verbindung fast völlig resistent gegen den Angriff von Sauerstoff und anderen aggressiven Reagenzien. Diese Eigenschaft macht man sich beim Teflon zunutze, wo Polymere der allgemeinen Formel CF₃–[CF₂]_n–CF₃ auf die Oberfläche von Pfannen und Töpfen aufgebracht werden. Die kompakte Hülle aus Fluoratomen verhindert das Anbrennen des Steaks oder des Spiegeleies. Gleichzeitig schützt die starke C–F-Bindung davor, dass die Teflonbeschichtung zerstört wird.

* Die moderne Polymerchemie übertrifft selbst diese Riesenzahl noch um ein Vielfaches, was die enorme Stabilität von Kohlenstoffketten zeigt. Ein typisches Beispiel sind spezielle Polyethylenkunststoffe, wo mittlere Kettenlängen mit bis zu 400.000 CH₂-Einheiten erreicht werden.

* Deshalb wird Stickstoff in chemischen Laboratorien oft als Schutzgas für Experimente mit sauerstoffempfindlichen Verbindungen eingesetzt.

* Immerhin sind bisher „etwa 40 Prozent des in Proteinen oder DNA verbauten Stickstoffs in unseren Körpern […] schon einmal durch die Röhren einer Haber-Bosch-Anlage gewandert“ (N. Stickstoff – ein Element schreibt Weltgeschichte, G. Ertl, J. Soentgen [Hrsg.], oekom verlag, 2015).

* Kationen wandern zur Anode, die negativ geladen ist (d.h. auf einem Zahlenstrahl < 0), woraus sich die Vorsilbe „Kat“ = hinab ergibt. Hingegen wandern Anionen zur Kathode, die positiv geladen ist (d.h. auf einem Zahlenstrahl > 0), woraus sich die Vorsilbe „An“ = ableiten lässt.

* Mehr noch: Systeme, bestehend aus annähernd gleichen Mengen Hydrogencarbonat (HCO₃^–) und Kohlendioxid (CO₂), puffern biotische Systeme, zum Beispiel Blut, gegen Säuren und Basen ab; die Eigenschaften des Milieus bleiben damit weitgehend konstant. Die Pufferwirkung gilt nur in dem Maße, in dem nicht die modernen Industriegesellschaften durch exzessive Verbrennung von fossilen Kohlenstoffressourcen die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre erhöhen. Durch das Lösen von überschüssigem Kohlendioxid in den Weltmeeren wird langsam deren pH-Wert erniedrigt, was beispielsweise Lebewesen mit Kalkskeletten wie Korallen in höchste Bedrängnis bringt.

** Innerhalb der Hauptgruppen des Periodensystems ändern sich die chemischen Eigenschaften der Elemente und ihrer Verbindungen nur allmählich, aus diesem Grund lassen sich deren Reaktivitäten miteinander vergleichen.

*** Dies kommt auch in der Namensgebung des Phosphors (altgriech. φῶςφóρος phōsphóros, „lichttragend“) zum Ausdruck, was vom Leuchten des weißen Phosphors bei der Reaktion mit Sauerstoff herrührt.

* Wahrscheinlich gab es davor erste Anfänge von „primitivem“ Leben, wobei der Sauerstoff keine Rolle spielte.

* Diese Wanderung wird als Tautomerie bezeichnet. Eine genauere Beschreibung dieser Reaktion wird im Rahmen von Kohlenstoffverbindungen im Kapitel 6 gegeben.

* Deutsche Übersetzung: „Silicium-Aluminium-Menschen, […] die am Ufer eines Meeres, das aus flüssigem Eisen besteht, bei einigen Tausend Grad, das ist so heiß wie die Temperatur eines Hochofens, durch eine Atmosphäre von gasförmigem Schwefel wandern […].“

** Der Chemiker und Molekularbiologe Alexander Graham Cairns-Smith hat in dem erstmals 1985 erschienenen Buch Biologische Botschaften. Eine Detektivgeschichte der Evolution (Fischer Taschenbuch, 1990) eine Theorie aufgestellt, in der die Selbstreplikation von löslichen Tonmineralien den Übergang von anorganischen Materialen zu organischem Leben ermöglicht. Diese Theorie, die nicht unumstritten ist, versucht, einen realen Hintergrund in die Genesis-Erzählung hineinzuinterpretieren.

* Auf diesem Weg nimmt auch der Mensch Silicate mit der Nahrung auf, wobei aber nicht mehr als 4 % vom Körper resorbiert werden, der größte Teil wird mit dem Urin ausgeschieden. Eine Wirkung wurde bisher für den Menschen noch nicht nachgewiesen, weshalb auch die Bezeichnung Ultraspurenelement (lat. ultra, „jenseits“) geprägt wurde.

* ppm = parts per million = Teile von einer Million: 10⁻⁶.

* Auch tierische Organismen nehmen hin und wieder Borverbindungen mit der Nahrung auf. In höheren Konzentrationen können sie toxisch wirken. Eine ökomomische Bedeutung erlangte ein Produkt aus den Salzen der Borsäure (Borax) und Wasserstoffperoxid, Perborat, das seit 1907 zahllosen Hausfrauen und -männern bei der Bereitung „blütenweißer“ Wäsche assistiert. Es handelt sich um ein Erzeugnis der Firma Henkel unter dem Handelsnamen Persil, ein Kunstwort aus den beiden chemischen Grundstoffen Perborat und Silicat.

* Mit dem Verbrauch von Kohlendioxid für den Aufbau von Kohlenhydraten durch die grünen Pflanzen wird meist ein positiver Effekt auf das Klima assoziiert: Auf diese Weise wird die Treibhauswirkung des Kohlendioxids verringert und ein Temperaturanstieg verhindert. Es muss jedoch angemerkt werden, dass auf der anderen Seite ein erhöhter Verbrauch an Kohlendioxid sogar eine Abkühlung zur Folge haben kann. Möglicherweise wurde dieser Effekt durch die ersten Moose erzeugt, die das Land besiedelten. Dies könnte eine Ursache für die Vereisung von großen Landmassen vor 444 Millionen Jahren am Ende des Ordoviziums sein. Das erste große Massenaussterben unter Tieren und Pflanzen war die Folge.

** Mittlerweile sind einige Autoren der Meinung, dass solch ein „oxygen holocaust“ (Lynn Margulis) möglicherweise nicht stattgefunden hat, sondern dass sich nur die Vielfalt der Organismen vergrößerte (N. Lane, Der Funke des Lebens: Energie und Evolution, Theiss 2017, S. 60).

*** Deutsche Übertragung: „Wenn du sie nicht schlagen kannst, verbünde dich mit ihnen.“

* Mit dem Stahlbeton versucht die Bauindustrie diese Strukturen nachzuahmen.

* Die sehr hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Atmosphäre kamen beispielsweise durch Abspaltung von Sauerstoff aus Cellulose und Lignin zustande. Die kohlenstoffhaltigen Überreste wurden als Kohle im Erdreich abgelagert und haben dem Karbon, einer erdgeschichtlichen Epoche (358,9 Millionen bis 298,9 Millionen Jahre), den Namen gegeben. Andere Ursachen für die Entstehung von Kohle sind ein verändertes Verhältnis von Fotosynthese und Atmung durch die Zunahme von fotosynthetisierenden Algen (N. Lane, Leben. Verblüffende Erfindungen der Evolution, primus verlag, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 2013, S. 82–83).

* Ein besonders hoher Gehalt an Hydroxyprolin war auch die Voraussetzung, dass einige Saurierarten so groß werden konnten.

* Oftmals wird im gesellschaftspolitischen Diskurs diese Bedingung auch als survival of the strongest interpretiert und findet im „Sozialdarwinismus“ ihren Ausdruck. Diese Interpretation weist auf ein völliges Unverständnis von biologischen Gesetzmäßigkeiten hin und wurde von Charles Darwin auch nicht in diesem Sinne genutzt. Das Missverständnis entsteht bereits auf semantischer Ebene, wenn „fit“ aus der Sprache der Fitness-Center und Gesundheitsapologeten mit „stark“ oder „gesund“ übersetzt wird. Survival of the fittest im evolutionsbiologischen Sinn bedeutet die bestmögliche Anpassung an aktuelle Umweltbedingungen mit dem Ergebnis einer erfolgreichen Reproduktion. Selbstverständlich können sich Individuen oder auch ganze Arten aufgrund überlegener physischer Kräfte oder besserer Gesundheit durchsetzen, das ist jedoch nicht notwendigerweise eine Voraussetzung. Ein anschauliches Beispiel, das diese weitverbreitete Annahme widerlegt, ist die Verkleinerung der Maschen von Fischnetzen, mit dem Ziel, Jungfische zu schonen. Bei diesem Verfahren haben aber nicht nur junge, sondern auch kleine erwachsene Fische die Möglichkeit, durch die Maschen zu schlüpfen. Wenn sie sich anschließend fortpflanzen, stellen sie tatsächlich die Fittesten im Konkurrenzkampf dar. Im Ergebnis kann es zu einem Schrumpfen der Durchschnittsgröße in der gesamten Population kommen (F. W. Allendorf, J. J. Hard, Human-induced evolution caused by unnatural selection through harvest of wild animals, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2009, 106, 9987–9994).

* Deutsche Übersetzung: „Penny, wir sind aus Teilchen aufgebaut, die seit dem Moment, in dem das Universum begann, Bestand haben. Ich gehe davon aus, dass diese Atome 14 Milliarden Jahre durch Zeit und Raum gereist sind, nur um uns zu erschaffen, damit wir zusammenkommen und daraus ein einiges Ganzes entsteht.“

** Deutsche Übersetzung: „Es gehört uns nicht, wir haben es nur geborgt.“