Könnte Leben auf Silizium basiert werden?

“Seine Haut hatte eine fettige, glatte, graue Farbe. Seine Bewegungen waren langsam, wie es sich ziemt für eine Kreatur, die in Stein buddelte und selbst zu mehr als die Hälfte aus Stein bestand. Es hatte keine sich windende Muskel unter jener Haut; es bewegte sich in Platten. Dünne Schichten von Stein glitten schlüpfrig über einander. Die Gesamtgestalt war eiförmig, oben rund, flach unten, mit zwei Sätzen von Gliedmaßen. Die “Beine” waren unten und radial ausgerichtet. Es waren insgesamt sechs und endeten mit scharfen, schieferähnlichen Kanten, mit Metallablagerungen gestärkt.”

–Issac Asimov, “The Talking Stone“

Die “Silicony”—eine aus Silizium bestehende Kreatur (der Name ist auf Englisch ein Wortspiel mit einem alten Dialektwort für Kaninchen)—spielt eine wichtige Rolle in der Science Fiction Kurzgeschichte “The Talking Stone,” von Isaac Asimov. Die Geschichte erschien zuerst in 1955 im The Magazine of Science and Horror. Später wurde sie 1968 in einer Sammlung von Science-Fiction Krimis namens Asimov’s Mysteries nachgedruckt.

Manchen Berichten zufolge war diese Geschichte die Grundlage für die Folge von Raumschiff Enterprise namens “Horta rettet ihre Kinder”, die von Gene L. Coon geschrieben wurde. Diese klassische Folge wurde zuerst im März 1967 ausgestrahlt, Es dreht sich um den Konflikt zwischen der Besatzung der Enterprise und einer auf Silizium-basiertes Lebensform, die sich die “Horta” nennt.

Durch diese sehr bekannten Beispiele von Science-Fiction sind viele Laien der Meinung, dass im Universum Leben existieren könnte, das dem irdischen Leben sehr ungleichartig ist—zum Beispiel, Leben, das auf Silizium statt Kohlenstoff basiert ist.

Die erste wissenschaftliche Arbeit, die die Möglichkeit von Leben auf Basis von Silizium vorgeschlagen hat, wurde 1891 vom deutschen Astrophysiker Julius Scheiner veröffentlicht. Seither debattieren Wissenschaftler die Möglichkeiten für Leben aus Siliziumbasis—manche halten es für wahrscheinlich und andere weisen den Vorschlag ab. Aber ein Team Astrobiologen an der MIT hat vor Kurzem darauf aufmerksam gemacht, dass keiner bis jetzt die Fähigkeit Siliziums als Grundlage des Lebens zu dienen, systematisch und ausführlich erforscht hat, weder unter irdischen noch unter glaubwürdigen außerirdischen Bedingungen. Sie packen dieses Problem in einem 2020 veröffentlichten Übersichtsartikel an, der in der Fachzeitschrift Life erschien. Im Artikel legen sie eine detaillierte Beurteilung der lebenserhaltenen Kapazität vom Silizium ab ¹

Diese Arbeit hat klare Folgen für Astrobiologie und Modelle für die Entstehung des Lebens. Aber die Folgen erstrecken sich über die Grenzen der Wissenschaft hinaus. Die Forschung unterstreicht auch das Design des Universums, unseres Sonnensystems und der biochemischen Systeme, die Leben ausmachen.

Anforderungen fürs Leben
Bevor man Siliziums Tauglichkeit als chemisches Gerüst für Leben beurteilen kann, muss man die allgemeinen chemischen Anforderungen fürs Leben bestimmen. Das Team am MIT merkt, dass jedes lebenserhaltende chemische Element hinreichende chemische Vielfalt aufweisen muss. Diese chemische Vielfalt ist absolute notwendig, um die vielfaltige Palette der molekularen Strukturen und chemischen Operationen zu erzeugen, die für die Entstehung und Erhaltung von lebendigen Systemen notwendig sind.

Diese Vielfalt hat zwei Facetten: Die Fähigkeit eines Atoms, Moleküle mit einer Vielfalt an Gestalten zu bilden, und die Fähigkeit dieses Atoms, Verbindungen mit einer breiten Spanne von Funktionen zu bilden. Beide Fähigkeiten weisen die aus Kohlenstoff gebauten (organischen) Verbindungen auf.

• Kohlenstoffatome bilden vier kovalente Bindungen Diese Bindungsfähigkeit kann unterschiedliche Formen nehmen (1) vier Einfachbindungen, (2) eine Zweifachbindung und zwei Einfachbindungen, oder (3) eine Dreifachbindung und eine Einfachbindung. Jede dieser Bindungskonfigurationen schafft unterschiedliche Geometrien: vierflächig, trigonal-planar, und linear. Unter gewissen Bedingungen können Kohlenstoffatome auch eine besondere Art Bindungskonfiguration bilden, nämlich die aromatische Bindung.
• Bindungen zwischen Kohlenstoffatome und Kohlenstoff -Wasserstoffatome sind sehr stabil. Somit kann Kohlenstoff Verbindungen mit sehr langen Kohlenstoff-Kohlenstoffketten bilden. Diese Ketten können linear oder verzweigt sein. Kohlenstoff kann auch Verbindungen mit Kohlenstoff -Kohlenstoff-Bindungen bilden, die ringförmig sind. Diese Verbindungen können aus Einzelringe und zusammengesetzten Ringe bestehen.

Zusammen betrachtet machen diese Eigenschaften Kohlenstoff (und Wasserstoff) ideale Atome für den Bau eines molekularen Gerüsts, das eine breite Vielfalt an Größe und Gestalt von Molekülen unterstützen kann

• Kohlenstoff kann auch stabile Bindungen mit Atomen wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, und Phosphor bilden. Diese so-genannten Heteroatome können sich an Kohlenstoffatome auf verschiedensten Arten binden und dadurch eine Breite an Gruppen erzeugen, die den Kohlenstoff-haltigen Verbindungen eine Vielfalt an Funktionen verleihen.

• Kohlenstoff bildet Verbindungen, die wasserlöslich und wasser-unlöslich sind. Diese beiden Löslichkeitsprofile sind notwendig, um lebende Systeme zu erhalten. Wasserlösliche Verbindungen lösen sich im Wasser auf und sind dann frei verfügbar, so dass sie für die lebenserhaltende Reaktionen für lebendige System gebraucht werden können. Verbindungen, die wasser-unlöslich sind, können in einer wässrigen Umgebung aggregieren und dadurch Molekularkomplexen erzeugen, die die Basis für zellularen Strukturen bilden. Die Wasserunlöslichkeit mancher Kohlenstoffverbindungen erzeugt ein Phänomen, das man die hydrophobe Wirkung nennt. Sie ist absolut notwendig für die Bildung der Zellmembrane, treibt die Bildung der Doppelhelix der DNS voran und zwingt Proteine zu falten und mit anderen Proteinen zu reagieren, so dass sie Proteinkomplexe und supramolekulare Strukturen bilden können.

Diese Besprechung der unterschiedlichen Eigenschaften von Kohlenstoff führt zur Frage: Gibt es andere Atome, die eine chemische Vielfalt aufweisen, die mit der von Kohlenstoff vergleichen wäre und als molekulare Grundlage fürs Leben dienen könnte?

Die Chemie Siliziums
Wenn man seine Stelle im Periodensystem der Elemente betrachtet, würde man denken, dass Silizium die besten Chancen hätte, mit der Tauglichkeit des Kohlenstoffs als lebenserhaltendes System zu konkurrieren. Silizium hat eine Kohlenstoff-ähnliche Chemie. Sein Valenzwert ist vier und es bildet Si-Si und Si-H Verbindungen. Es bildet auch Verbindungen mit Heteroatome wie Sauerstoff.

Aber irren Sie Sich nicht: Silizium Chemie ist der des Kohlenstoffes nur oberflächlich ähnlich. In vielen Hinsichten weist Silizium eine Chemie auf, die von der des Kohlenstoffs grundverschieden ist. Diese Unterschiedlichkeit untergräbt das Argument, dass Silizium eine Grundlage für Leben sein könnte, mindestens in einer wässrigen Umgebung.

Die Autoren des Artikels in Life sagen es so: “Silizium und Kohlenstoff sind ‘falsche Zwillinge.’ Die Ähnlichkeiten sind oberflächlich und reichen nicht aus, die wesentlichen Unterschiede auszugleichen. Chemie, die für Kohlenstoff normal und stabil ist, ist instabil und exotisch fur Silizium, und, umgekehrt, Chemie, die instabil und gar unmöglich für Kohlenstoff ist, ist stabil und Routine für Silizium. Die einzigartigen chemischen Eigenschaften von Silizium und seine Reaktivität führen dazu, dass es eine herausfordernde Grundlage für Leben bietet.”²

Manche Gründe für den Unterschied zwischen der lebenserhaltenden Kapazität Kohlenstoffs und des Siliziums sind:

• Der Atomradius Siliziums ist viel größer als der von Kohlenstoff. Dieser Unterschied beeinflusst die Bindungswinkel, Bindungslängen und Bindungsstärken, wenn Silizium kovalente Bindungen aufbaut. Zum Beispiel: Si-Si Bindungen sind länger und schwächer als C-C Bindungen wegen des Unterschiedes in den Atomradii dieser Atome. Das Gleiche gilt für Si-H Bindungen. Die schwächeren Bindungen führen dazu, dass Si-Si und Si-H Bindungen viel starker chemisch reaktiv als die entsprechenden C-C und C-H Bindungen.

• Im Gegensatz zu Kohlenstoff bildet Silizium in der Regel keine Zweifach- und Dreifachbindungen.

• Im Gegensatz zu Kohlenstoff ergibt die Elektronenkonfiguration des Siliziumatoms niedrige Energie, leere 3-d Orbitale. Diese ungefüllten Orbitale lassen zu, dass Siliziums Valenz größer als vier werden kann, was wiederum dazu führt, dass Silizium Verbindungen mit fünf oder sechs Bindungen bildet. Während diese Eigenschaft die chemische Vielfalt von Silizium-haltende Verbindungen erweitert, bedeutet sie auch, dass das Si Atom sehr chemisch reaktiv ist, was zu einer relativ instabilen Si-Si Bindung führt, verglichen mit der stabilen C-C Bindung.

• Thermodynamische Eigenschaften unterscheiden Kohlenstoff -basierten und Silizium-basierten Verbindungen. Silizium-basierte Verbindungen weisen eine weit höhere Wärmebildung als organische Verbindungen. Diese Eigenschaft bedeutet, dass es viel schwieriger ist, Silizium-basierte Verbindungen zu bilden, als Kohlenstoff-basierte Verbindungen. Es bedeutet auch, dass Silizium-basierte Verbindungen weniger stabil und viel chemisch reaktiver sind.

• Silizium ist elektropositiver als Kohlenstoff. Diese Eigenschaft beeinflusst die Stabilität der chemischen Verbindungen, dass Silizium mit Heteroatome bildet. Weil Siliziumatome die Elektronen nicht so stark halten, wie die Kohlenstoffatome es tun, sind die Verbindungen des Siliziums mit Heteroatomen polarisierter, weniger stabil und reaktiver als die entsprechenden Verbindungen, die Kohlenstoff mit Heteroatomen bildet.

• Silizium reagiert aggressiv mit Sauerstoff. Silizium hat die natürliche Neigung, Si-O Verbindungen in der Gegenwart von Sauerstoff oder Sauerstoff-haltenden Verbindungen zu bilden. Im Gegensatz dazu neigt Kohlenstoff dazu, C-C Verbindungen zu bilden. Dieser Unterschied bedeutet, dass Silizium-basierte Verbindungen in der Gegenwart von Sauerstoff dazu neigen, mit Sauerstoff zu reagieren und Siliziumdioxid zu bilden.

Lösungsmittelwirkung
Bis zu diesem Punkt nimmt die Beurteilung der Tauglichkeit von Silizium als eine Grundlage für Leben an, dass Wasser die Matrix für Leben sein muss. Es gibt einen guten Grund dafür. Es wäre schwer, das Argument zu verfechten, ein anderes Lösungsmittel Wasser in dieser wesentlichen Rolle ersetzen könnte. Das vorausgesetzt können wir noch fragen: Welche anderen Lösungsmittel wären möglich? Die Forscher am MIT haben diese Frage für Silizium auch untersucht.

Sie ziehen den Schluss, dass die gleichen chemischen Herausforderungen, denen “Silizium-basiertes” Leben in einer wässrigen Umgebungen entgegensteht, auch für andere Lösungsmittel existieren würden. Sie schließen auch, dass aprotisch Lösungsmittel (die keine Protondonatoren sein können), wie Methan und Ethane untauglich sowie für Kohlenstoff-basiertes Leben als auch fürs hypothetische Silizium-basiertes Leben, weil Kohlenstoff-basierte und Silizium-basierte Stoffe gering löslich sind.

Die Autoren von der Arbeit in Life schlussfolgern: “Silizium-basiertes Leben, das Si ausschließlich als Gerüst benutzt, kommt in der Science Fiction häufig vor. . . . Aber Silizium-basiertes Leben, das Si ausschliesslich als Gerüst benutzt ist sehr wohl unmöglich.”³

Wissenschaftliche und theologische Folgerungen
Die von den MIT Forschern gewonnene Einsicht in die lebenserhaltende Kapazität von Silizium hat weitreichende wissenschaftliche und theologische Folgerungen, die in einander verwickelt sind.

Die Erkenntnis, dass: (1) Silizium kein Gerüst fürs Leben bilden kann and (2) aprotische Lösungsmittel, wie Methan und Ethan, nicht hinreichend löslich sind, dass sie eine taugliche Matrix für lebendige System sein können. Letzteres zertrümmert die Ansicht, dass Leben möglicherweise in “extremen” oder “exotischen” Orten entstanden sein könnte und vielleicht noch heute an solchen Orten existiert, ob auf der Erde oder jenseits der Erde. Mit anderen Worten, wenn man die Einsichten dieser MIT Wissenschaftler ernst nimmt, dann muss die Suche nach Antworten zur Frage von der Entstehung des Lebens und Forschung in Astrobiologie sich auf Kohlenstoff-basiertes Leben in wässrigen Umgebungen begrenzen.

Diese Entdeckung hilft auch, auf einen oft vorgetragenen Einwand gegen die theistischen Folgerungen des kosmischen anthropischen Prinzips und der “Rare Earth” Hypothese einzugehen, wie sie von Verfechter der Design Hypothese aufgeführt werden.

Das kosmologische anthropische Prinzip nennt man die Entdeckung, dass die numerischen Werte der physikalischen Konstanten (Einheiten, die das Universum definieren) akribisch genaue Werte haben müssen, so dass Leben im Universum existieren kann. Wenn auch einer dieser Werte auch nur geringstfügig davon abweicht (in manchen Fällen zum schwindend kleinen Grad), könnte das Universum kein Leben beherbergen.

Die “Rare Earth” Hypothese bezieht sich auf die große Anzahl von fein-abgestimmten Eigenschaften der Erde, der Sonne, des Sonnensystems, der Milchstraße, die, allem Anschein nach, absolut notwendig für die Existenz des Lebens auf der Erde sind. Wiche auch nur eine dieser Eigenschaften nur geringfügig vom beobachteten Wert ab, wäre die Erde völlig unbewohnbar. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Planet wie die Erde in diesem Universum existieren könnte, ist äußerst gering. Faktum est, ein Planet wie die Erde soll, wenn er überhaupt vorkommt, sehr, sehr selten im Universum sein.

Eine Auslegung des kosmologischen anthropischen Prinzips und der “Rare Earth” Hypothese ist, dass das Universum und Erde absichtlich entworfen wurden, Leben zu beherbergen. Mit anderen Worten: Das Universum erweist eine Zwecktauglichkeit auf und der Zweck scheint, die Entstehung des Lebens zu sein.

Eine Antwort, die Skeptiker gegen diese Behauptung richten, läuft ungefähr so: “Diese Schlussfolgerung geht vom Leben, wie wir es kennen, aus. Was wäre, wenn es Leben, wie wir es nicht kennen, gäbe?”

Stimmt. Die Feinabstimmung der Naturkonstanten und die akribisch-genaue Abstimmung der Bedingungen auf der Erde gehen davon aus, dass auf Kohlenstoff basiertes Leben in einer wässrigen Matrix allein möglich ist. Der Gedanke, dass, wenn “Leben wie wir es nicht kennen” existierte, müssten die Universum-definierenden Naturkonstanten nicht so akribisch genau sein, ist vernünftig. Oder aber es wären andere Sätze der Naturkonstanten möglich, die “Leben, wie wir es nicht kennen” erhalten könnten. Es ist aber möglich, dass es eine andere Konstellation von akribisch genau abgestimmten Bedingungen, die Leben erlauben, auf einen anderen Planeten oder gar auf der Erde geben könnte.

Allerdings haben wir hier schon gezeigt, dass Silizium-basiertes Leben die besten Chancen für “Leben wie wir es nicht kennen” bietet. Und die Analyse der MIT Forscher zeigt, dass diese Chance eine Fata Morgan ist. Leben kann nicht auf einer Grundlage von Silizium gebaut werden. Leben muss Kohlenstoff-basiert sein und muss sich in einer wässrigen Umgebung befinden. Diese Erkenntnis unterstützt die theistischen Folgerungen des anthropischen Prinzips und der “Rare Earth” Hypothese.

Dieses Verständnis unterstreicht auch die vielen anthropischen Zufälle, die mit Kohlenstoff verbunden sind. Die Eigenschaften dieses Elements werden von den akribisch genauen Naturkonstanten des Universums vorgeschrieben. Die Eigenschaften von Kohlenstoff sind genau die, die notwendig sind, um Leben im Universum erst mal zu ermöglichen. Die Eigenschaften von Kohlenstoff sind auch einzigartig. Dieser Satz von Gegebenheiten ist ein wenig unheimlich und suggiert, dass das Universum eine grundlegende Teleologie hat, die auf einen Zweck hinweisen—nämlich, die Entstehung des Lebens.

Es wird noch unheimlicher, wenn man weiß, dass, hinter Wasserstoff und Helium, Kohlenstoff eins der häufigsten Elemente im Universum ist (zusammen mit Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Phosphor). Und der Dreifach-alpha-Prozess, dass Kohlenstoff im nuklearen Schmelztiegel der Sterne erzeugt, hängt von einer Feinabstimmung der Resonanzen unter den Kernenergiestärken von Beryllium, Kohlenstoff , und Sauerstoff zusammen sowie mit der Feinabstimmung anderer Naturkonstanten, wie der Zerfallsrate vom Beryllium Kern, nachdem er durch den Zusammenprall zweier Heliumkerne gebildet wird.

Fazit: Die Fiktion in unserer Pop-Kultur, die mit der möglichen Existenz vom Silizium-basierten Leben spielt—wenn man sie unter die Lupe nimmt—führt zur bemerkenswerter Erkenntnis der Realität: Ein Geist muss für das Design des Universums verantwortlich sein. Dieser Geist hatte was mit dem Universum vor—die Entstehung des Lebens.

Weiterführende Lektüre

• Fit for a Purpose: Does the Anthropic Principle Include Biochemistry? Von Fazale Rana (Buch)
• “Fine-Tuned Hypernova Rate and Life Based on Silicon,” on Stars, Cells, and God (podcast)
• “Strange New Worlds: Life Based on Silicon, Arsenic?” von Fazale Rana (Artikel)
• “Weird Life: Could Life Be Based on Silicon?” von John Millam und Ken Klos (Artikel)

Endnoten

1. Janusz Jurand Petkowski, William Bains, and Sarah Seager, “On the Potential of Silicon as a Building Block for Life,” Life 10, no. 6 (10.Juni.2020), 84, doi:10.3390/life10060084.
2. Petkowski, Bains, and Seager, “On the Potential of Silicon.”
3. Petkowski, Bains, and Seager.