Warum es meiner Ansicht nach kein Leben auf Siliziumbasis geben kann

Im Anschluss an die letzte Buchkritik meinte Sven Piper, dass nach Ansicht eines Autors man doch nicht Leben auf Siliziumbasis ausschließen kann. Nun ist Sven Piper nicht gerade Experte auf dem Gebiet der Chemie, wie auch einige falsche Übersetzungen chemischer Namen im Buch zeigen. Zeit für ihn und einige andere für eine neue Nachhilfestunde in Sachen Chemie. Warum bin ich der Meinung. Nun man kann es sich recht einfach machen und die Siliziumverbindungen ansehen, doch wir wollen hier mal den Dickbrettbohrerweg beschreiten.

Warum besteht das Leben bei uns auf der Basis von Kohlenstoff? Neben der Möglichkeit vier Bindungen einzugehen spielen auch zwei weitere Faktoren eine Rolle: Kohlenstoff ist ein Nichtmetall und seine Elektronegativität beträgt 2,5. Fangen wir mit dem ersten an. Wir kennen im Periodensystem Metalle und Nichtmetalle sowie einige wenige Verbindungen die dazwischen sind, die Halbleiter. Metalle bilden untereinander Metallbindungen aus, in denen die Elektronen mobil sind. Es gibt keine diskreten Verbindungen, wie sie bei Biomolekülen vorliegen. Mit Nichtmetallen bilden Metalle dagegen ionische Bindungen, dabei verlieren sie eines oder mehrere Elektronen und das Nichtmetall nimmt diese auf. Es entstehen kristalline Bindungen mit Elementarzellen die geometrische Formen haben, wie z.B. der Würfel beim Kochsalz.

Beide Verbindungstypen erlauben den Aufbau hochmolekularer Verbindungen wie Metalle oder Gesteine, aber beide Verbindungstypen sind nicht dafür bekannt, dass die Moleküle sich verzweigen, aktive Zentren und komplexe Strukturen wie die Helix der DNA ausbilden.

Zwar gibt es auch ionogene Bindungen bei Nichtmetallen, aber nur wenn der Elektronegativitätsunterschied recht groß ist. So etwa bei 1,8 spricht man von hohen ionogenen Bindungsanteilen. Die hohe Elektronegativität von Kohlenstoff bedeutet, dass die Verbindung zu den wichtigsten Nichtmetallen nur geringe Differenzen aufweist:

Bindung zu welchem Element Wasserstoff Sauerstoff Stickstoff Phosphor Schwefel
Elektronegativitätsdifferenz 0,3 0,9 0,5 0,3 0,1

Das bedeutet, dass die Bindungen weitgehend gleichberechtigt zu der Kohlenstoff-Kohlenstoffbindung sind. Die polaren Anteile führen dazu, dass bestimmte Bindungen eine erhöhte Reaktivität aufweisen. Kohlenstoff-Sauerstoffbindungen sind zum Beispiel wegen der hohen Differenz reaktiver als Kohlenstoff-Stickstoffbindungen.

Silizium ist dagegen ein Halbleiter, manchmal auch als Habmetall bezeichnet weil es Eigenschaften beider Gruppen hat. Es kann zwar wie Kohlenstoff Kettenmoleküle mit Wasserstoff bilden (anders als Metalle, bei denen diese Hydride kristallin sind). Aber die Elektronegativität beträgt 1,9. Da bis auf den Wasserstoff alle obigen Moleküle eine höhere Elekronegativität als der Kohlenstoff aufweisen ist die Differenz um 0,6 höher, (der Wasserstoff bildet die Ausnahme, hier beträgt sie auch nur 0,3). Das bedeutet das sich Silizium mit fast allen Nichtmetallen schon ionogen verbindet. Silizium-Sauerstoffverbindungen sind Bestandteile fast aller Gesteine auf der Erde. In Reinform ist das Oxid des Silizium der Quarz. Das sind hochfeste, kristalline Bindungen. Dasselbe trifft auf Siliziumnitridverbindungen zu, die extrem hart sind und die Verbindungen werden als Bohrmeiselmaterial eingesetzt. Mit Wasserstoff gibt es Silane (Siliziumwasserstoffverbindungen. Sie sind jedoch selbst unter Luftabschluss instabil und zersetzen sich spontan. Während Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff und Stickstoff zu Alkoholen, Aldehyde, Säuren und Aminen umgesetzt werden können verbrennen Silane mit Sauerstoff und auch Stickstoff spontan. Sie laufen eher unter der Rubrik exotischer Treibstoff als unter der Rubrik Grundstoffe des Lebens.

Die Frage ist wie solche Verbindungen dann Basis von Leben sein können, zumal Silizium wegen seiner hohen Elektronegativität auch nicht elementar vor. Auch das ist ein Unterschied zum Kohlenstoff, der in reiner Forma als Graphit oder Diamant zu finden ist und auch beim Verkohlen von organischem Material entsteht. Silizium wurde in unreiner Form erstmals im Jahre 1800 synthetisiert und in reiner Form erst 1854. Beim Verbrennen von Silanen entsteht kein Silizium, sondern es reagiert sofort weiter. Es ist viel zu reaktiv. Kurzum: für komplexe Moleküle ist es denkbar ungeeignet vor allem weil es mit dem Sauerstoff, einem der häufigsten Elemente im Universum Gesteine bildet. Sie hohe Reaktivität vor allem gegenüber diesem Elemente aber auch Stickstoff ist ein Problem. Kohlenwasserstoffe verbrennen auch, aber sie sind metastabil und benötigen Energiezufuhr zur Entzündung. Wie sollte sich Leben bilden wenn schon der Kontakt mit reinem Stickstoff (der Feuer hier löscht) oder gar Sauerstoff zur Spontanentzündung führt?

Lediglich reines Silizium ist auch in einer Sauerstoffatmosphäre stabil. Doch das teilt das Element auch mit anderen Elementen, die sehr reaktiv sind wie Aluminium oder Eisen. Neben der nötigen Aktivierungsenergie ist es vor allem auch das Vorliegen als massive Substanz. Wenn man Eisen z.B. fein verteilt z.B. als Späne oder Stahlwolle kann man sie mit einem Feuerzeug anzünden. Oder denken sie an die Wunderkerzen, in denen Eisenstaub drin steckt – brennt doch gut. Das eine Substanz also in einer Sauerstoffatmosphäre stabil ist, ist kein Indiz für mangelnde Reaktivität.

Passned zum Thema gab es in den vergangenen Wochen bei ARTE eine gute Serie die sich mit Chemiegeschichte beschäftigte. (Faszination Chemie). Hier die Links zu den Videos

Teil 1

Teil 2

Teil 3

20 thoughts on “Warum es meiner Ansicht nach kein Leben auf Siliziumbasis geben kann

  1. Möglicherweise ist biologisches Leben sogar seltener als wir hoffen. Ich finde es schon bemerkenswert, dass alles Leben auf der Erde ausnamslos dem gleichen Bauplan gehorcht, man also man von einem hypothetischen gemeinsamen Vorfahren aller Lebewesen ausgehen muss. LUCA (Last Universal Common Ancestor). Gehen wir einmal davon aus, dass die Erde in den letzten ca. 4,7 Mrd. Jahren die unterschiedlichsten Lebensbedingungen und „ökologischen Nischen“ bot, ist es doch erstaunlich, dass sich nur die uns bekannte Form des Lebens ethablierte und keine andere. Das spricht für mich dafür, dass es eben nur auf diesem Wege geht. Ob biologisches Leben als konsequente Fortsetzung chemischer Prozesse bezeichnet werden kann, wäre die nächste Frage. Daraus würde folgen, dass in einem unendlich lang erscheinenden Entwicklungsprozess aus bestimmten chemischen Prozessen Leben entstehen müsste. Das passt für mich gut ins Konzept der Entrophie. In dem Sinne könnte man folgende Unerscheidung treffen: Chemie ist die direkte Interaktion von Substanzen aufgrund naturwissenschaftlich beschreibbarer Prozesse, Leben das Aufrechterhalten eines bestimmten Zustandes gegen äußere Einflüsse. Lebewesen grenzen sich immer durch eine Grenzschicht, z.B. Membran von ihrem Umfeld ab. Sie enthalten immer eine komplexe Information (z.B. DNA), die in dieser Form in der sie umbeneden Natur bzw. dem umgebenden Medium nicht existiert.

  2. viele Sci-Fi Autoren Stürzen sich auf Silizium ohne die Chemiebuche zu lesen.
    was folgte ist das Klischee von Silizium Lebensformen
    doch die Wirklichkeit sieht anders aus.
    Damit solche Leben aus Silizium entsteht kann, müssen außergewöhnliche Bedingungen herrschen
    Nämlich das völligen Fehlen von Kohlenstoff, einen der verbreitet Materialen in Universum !
    dazu sind Silizium analoge zu Proteine und DNA sehr instabil.
    ganz zu schweigen von explosiven Stoffwechseln mit Stickstoff und Sauerstoff.

    Die einzige form von „Leben“ besser gesagt „Intelligenz“ auf Silizium Basis
    sind Computer Chips von Computer oder sich selbst replizieren Robotern…

  3. Hallo Bernd,
    wie ich dir in einer Email geschrieben habe, bin ich nicht grundlos der Überzeugung das Leben auf Siliziumbasis möglich ist, sondern ich habe mich diesbezüglich mit mehreren Experten kurzgeschlossen. (Worauf ich in meiner Email verwiesen habe). Im Buch „Exoplaneten – Die Suche nach einer zweiten Erde“ schreibe ich aber ganz eindeutig: „Doch sind sich die meisten Forscher, darunter auch Seth Shostak vom SETI Institute, darin einig, dass Leben auf Siliziumbasis, wenn überhaupt, keine dominierende Rolle spielt, da Kohlenstoff im Universum reichlich vorkommt und es einfach das Molekül erster Wahl ist.“

    Dennoch ist es Fakt, das wir bislang über die Entstehung von Leben zu wenig wissen, um Leben auf Siliziumbasis vollkommen auszuschließen.

  4. Ich denke schon. dass man es generell ausschließen kann. Aus dem einfachen Grund, das Sauerstoff im Universum so häufig ist. Es ist praktisch ausgeschlossen, dass es einen Urnebel ohne Sauerstoff gibt. In einer sauerstoffhaltigen Umgebung gibt es aber keine Siliziumwasserstoffverbindungen oder nur elementares Silizium. Was es gibt ist Quarz, Granit, Basalt, oder sagen wir 99% dessen was die Erdkruste und Baustoffindustrie ausmacht. Nur ist ein Backstein eben kein Lebewesen.

  5. Sauerstoff ist für die Entstehung des Lebens aber kein „Must Have“, die ersten Lebewesen auf der Erde waren darauf auch nicht angewiesen, sondern haben den Sauerstoff als Abfallprodukt ausgeschieden. Und die aufkommende Sauerstoffatmosphäre löste auf unserem Planeten das erste Massensterben aus, da es auf die ersten Lebewese als Zellgift wirkte.

  6. @Bernd,
    danke für den Link, eine sehr gute Zusammenschau des Themas. In einem Punkt möchte ich aber widersprechen.
    „Die Evolution macht nur alles einmal…Augen wurden nur einmal erfunden und dann immer mehr perfektioniert“
    Meines Wissens haben sich die Augen von Wirbeltieren und Weichtieren (Mollusken) unabhängig voneinander entwickelt. Den Unterschied sieht man in der embrionalen Entwicklung.

    Während sich das Auge der Wirbeltiere durch eine Ausstülpung der Zellen entwickelt, die später das Gehirn bilden, entsteht das Auge der Weichtiere durch eine Einstülpung der äußeren Zellschicht die später die Haut bilden.

    Vielleicht mal ein Zitat von Goethe, der ebenfalls ein hochanerkannter Naturwissenschaftler seiner Zeit war:

    „Wär nicht das Auge sonnenhaft, Die Sonne könnt es nie erblicken “

    Die unabhängige Entwicklung des Auges musste zwei fixe Tatbetände berücksichtigen: einerseits die physikalischen Eigenschaften des Lichtes, wie z.B. die Brechung und andererseits die neuropysiologischen Eigneschaften des Organismus hinsichtlich Informationsaufnahme, -verarbeitung -speicherung. Dass die Evolution unter diesen Restriktionen zu identischen Lösungen kommt, erscheint plausibel.

  7. Ähmmm Atmosphäre…

    Wie sieht es denn mit den 49% Sauerstoffanteil in der Erdkruste aus? Selbst auf Venus, Mars und Mond wirst Du keine sauerstofffreien Gesteine finden. Silizium kommt nun mal nicht gasförmig in der Atmosphäre vor.

  8. Mal eine Frage. Bin ja kein Experte:

    Alle sagen immer „Das ist instabil und hier und da“

    Aber dabei wird immer von den Umgebungsvariablen der Erde ausgegangen!?!?
    Was ist mit Planeten die eben KEIN Kohlenstoff haben.
    Planeten die eine viel viel höhere Temperatur haben?

    Da ändern sich ja dann die Reaktivitäten oder irre ich da?
    Klar kann man immer sagen „Aber das und das wirst du so nicht finden und das und das ist das häufigste Element“

    Es gibt Planeten die sind nur aus Gas. Es gibt Planeten die sind fast nur aus Eisen, etc. etc.

    Allein die Milchstraße hat 100.000.000.000 Sterne. Und es gibt im SICHTBAREN Universum ja mind. nochmal so viele Galaxien. Also 100 Milliarden mal 100 Milliarden mögliche Orte für exotische Planeten und Umgebungen. Wer weiß. Vieleicht sind wir die Exoten?

    Es gab schon immer „Experten“ die sagten „Das kann nicht sein“ und im Endeffekt hatten Scifi-Autoren noch immer Recht ^^

  9. Stabilität ist immer abhängig von den Bedingungen. Aber man muss zwei Dinge unterscheiden. Das eine sind stabile Produkte die aber zur Bildung die Überschreitung einer so hohen Aktivierungsenergie brauchen, das sie bei „normalen“ Bedingungen“ auf der Erde nicht möglich sind. Als spontanes Beispiel fällt mit die Bildung von Diamant ein. Wenn man Kohlenstoff aus Verbindungen erzeugt z.B. bei Holzsverkohlung oder auch der Kohlebildung unter der erde entsteht immer Graphit. Diamant erfordert so hohe Drücke, dass dies an der Erdoberfläche und auch in einigen Kilometern Tiefe nicht möglich ist. Ist er aber einmal gebildet so ist er stabil. (Nebenbei bemerkt ist es wahrscheinlich dass man in den Kernen von Uranus und Neptun viele diamanten finden wird)

    Etwas anderes ist wenn zwei Elemente aufgrund der chemischen Gesetze kaum mit einander reagieren oder wenn, die Bindung so energiereich ist. dass sie sofort wieder zerfällt. So wird man schlecht Kohlenstoff mit Helium umsetzen können und daraus eine Verbindung erzeugen. Das geht dann wirklich nicht, selbst wenn man die Energie bereitstellt.

  10. Bernd, weißt Du eigentlich näheres (chemisch) über folgenden Fakt: Leben basiert hier hauptsächlich auf vier grundlegenden Elementen C,H,O,N aber Menschen brauchen noch eine Vielzahl anderer Elemente, wenn auch in sehr geringen Mengen über ihr Leben verteilt: F für Zähne, J für Schilddrüse, Fe fürs Blut, Ca für Knochen, Mn, Mg usw. – wie läßt es sich chemisch erklären, daß man genau diese Elemente braucht? Bei Ca für stabile Knochen kann ich mir das noch so vorstellen, aber sonst? Elemente einer Hauptgruppe sind da nur begrenzt austauschbar, es müssen genau diese sein. Haben die alle so spezielle Bindungseigenschaften?

    Danke & Gruß, T.

  11. Mit den obigen Elementen kann man organische Verbindungen, auch Makromoleküle bauen. Mit den anderen in dem Regelfall nur ionogene Verbindungen oder sie können leicht aus dem Molekül abgespoalten/oxidiertt werden (z.B. organische Schwefelverbindungen.

  12. Was ich meine ist, der Mensch braucht außer einigen wenigen Grundelementen noch so ca. 20 andere („Mineralstoffe“, Bestandteile von Vitaminen wie Co), aber warum genau diese, und so viele verschiedene?

  13. Das meiste sind Metalle, die Katalysatoren sind. Sie werden auch in der chemischen Industrie dafür eingesetzt und die meisten Metalle finden sich in Enzymen wo sie dieselbe Funktion haben, also Reaktionen beschleunigen.

    Die Mengenelemente bilden entweder Körpersubstanz oder regulieren durch Konzentrationsverschiebungen osmotische Drücke im Körper bzw. durch Erzeugung eines Impulses beim Konzentrationsausgleich Nervenimpulse.

    Unpolare Elemente können in organische Moleküle eingebaut werden und deren Eigenschaften verändern. Schwefel kann Moleküle vernetzen wobei dies reversibel ist. Phosphor bildet Pyrophosphate die energei speichern können.

  14. Das heißt bei den meisten Metallen braucht es jeweils genau das Element weil es für eine gewisse Reaktion als Katalysator wirkt, aber nur genau dieses? Liegt das an den unterschiedlichen Elektronennegativitäten? Also wenn zB Kobalt als Katalysator wirkt, wieso nicht ein beliebiges anderes Element derselben Gruppe, nur so als Beispiel?
    Schwefel und Phosphor sind da Besonderheiten. die braucht „Leben“ auch. Nur bei so Metallen oder Halbmetallen wie Si, Co, Mn, Fe usw. wunderte es mich.
    Vielen Dank schonmal für Deine Antworten, Bernd!

  15. Es kommt auf die spezifischen Reaktionen an, das kennt man auch von der organischen Chemie wo in der einen Reaktion Vanadium verwendet wird, in der anderen Nickel. Selbst dort ist man heute noch beim Probieren. In Enzymen gibt es dazu noch Wechselwirkungen zwischen den organischen Bestandteilen mit dem Metallatom. Oft reichen auch kleine Ändderungen in der Elektronenkonfiguration aus. So enthält der Blutfarbstoff Hämoglobin Eisen-II, wird es zu Eisen-III oxydiert so kann das Blut keinen Sauerstoff mehr transportieren. Auf der anderen Seite haben wirbellose als Zentralatom Kupfer und das geht auch.

  16. Nur, weil Silizium bei Verbrennung mit Sauerstoff oder Stickstoff harte Kristalle bildet, heißt das noch lange nicht, dass Silizium-Verbindungen nicht doch eine wichtige Rolle in lebenden Organismen spielen könnten. Klar sind Silane unter unserer Erdatmosphäre nicht stabil, aber auf Titan (Atmosphäre aus Kohlenwasserstoffen) wären sie es wohl.

    Silikone bestehen aus einer Kette von Silizium und Sauerstoff im Wechsel, wobei die freien Bindungen dann mit Methylgruppen abgesättigt werden. Diese Verbindungen sind chemisch sehr stabil und deutlich hitzeresistenter als die meisten Kohlenwasserstoffe, zugleich aber ähnlich flexibel wie Kohlenwasserstoffe. Silikone gibt es als Öl, Gel, weiches oder hartes „Plastik“ und vieles mehr.

    Ich sehe jetzt auch keinen Grund, dass Silikone unbedingt mit Methylgruppen abgesättigt sein müssen. NH2 statt CH3 sollte genauso funktionieren. Entscheidend ist, dass diese Absättigungsreste recht große Moleküle sind, die den Zugang von (Luft-)Sauerstoff zum zentralen Silizium verhindern. Dass Silan mit Sauerstoff so reaktiv ist, hängt damit zusammen, dass das Silizium-Molekül recht groß ist und über unbesetzte 3d-Orbitale verfügt. An die kann das Sauerstoff-Molekül temporär gebunden werden, und ist der Sauerstoff erstmal „dran“, dann kommt es recht leicht zur Umsetzung SiH4 O2 -> SiOH2 H2O

    „Silikone“ mit Amino-Gruppen statt Methyl-Gruppen hätten natürlich eine deutlich andere Chemie als die bekannten Silikone. Insbesondere wären sie in der Regel wasserlöslich. Die Natur hat es aber auch geschafft, aus sehr gut wasserlöslichen Zuckermolekülen allein durch Polymerisation nicht wasserlösliche Stärkekörner und Zellulosefasern zu gewinnen, die als Energiespeicher und Stützgerüst für so gut wie alle Pflanzenarten extrem wichtig sind. Warum sollte ähnliches bei „Amino-Silikone“ nicht möglich sein?

    Klar ist, dass man mehr tun muss, als Kohlenstoff durch Silizium zu ersetzen, weil Silizium eine vollkommen andere Chemie als der Kohlenstoff hat. Aber „organische“ Substanzen auf der Basis von Si, O, H und N statt C, O, H und N halte ich durchaus für möglich.

  17. Es ist von Vorteil wenn man über Chemie schreibt zumindest die Grundlagen zu wissen.

    Silikone habe ich gar nicht betrachtet weil sie synthetisch sind. Sie kommen nicht in der Natur vor. Man kann sie auch nicht wie Eiweiß, DNA oder Kohlenhydrate aus Monomern herstelln, da schon diese instabil sind. Dageegn kommen die Monomere von Biomolekülen schon im galaktischen Medium vor.

    Schon die Ausgangsverbindungen für die Synthese, Methychlorid ist künstlich hergestellt. Chlorid hat eine so hohe Negativität das es in der Natur sofort mit allem reagiert und Chloride bildet.

    Es ist von Vorteil sich mal die Synthese anzusehen:
    https://de.wikipedia.org/wiki/Silikone#Herstellung

    Aminofunktionionelle Organosiliziumverbindungen gibt es, wegen des Mechanismus der Reaktion aber nur aus vollalkylierten Aminen, man erhält dann noch mehr querverbundene Silikone und die Reaktionsbedingungen sind ähnlich exotisch.

    Zudem sind Silicone nicht wasserlöslich und Wasser ist nun mal im Universum das wichtigste Lösungsmittel. Die NASA sucht auf dem Mars nach Wasser und feiert jeden Fund als weiteren beweis für Leben ….

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Diese Website verwendet Akismet, um Spam zu reduzieren. Erfahre mehr darüber, wie deine Kommentardaten verarbeitet werden.