Die fehlenden Spiegelbilder (Expert)

<body text="#000000" bgcolor="#FFFFFF"><script language="JavaScript"> </script><table border=0 cellspacing=0 cellpadding=0 width=840 style="table-layout:fixed"> <colgroup><col width=118><col width=562><col width=160></colgroup> <tr> <td rowspan=4 valign="top" style="text-align:right;"><a name="0"></a><img src="../grafik/fg_u_105.gif" vspace=2 width=97 height=75 border=0 alt="Evolution: Entstehung des Lebens (Präbiotische Chemie) - Die fehlenden Spiegelbilder"></td> <td colspan=2 height=26> </td> </tr> <tr> <td colspan=2 height=26 class="kopfzeile"> <h1><a target="main" href="../artikel/artikel.php?Sprache=de&Artikel=40000">Evolution: Entstehung des Lebens (Präbiotische Chemie)</a></h1> </td> </tr> <tr><td colspan=2><img src="s.gif" width=1 height=2 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></td></tr> <tr><td><h2><i>Experten: </i>Die fehlenden Spiegelbilder</h2></td> <td valign="top" bgcolor="#E6E6E6"> <div class="muiep" style="padding-top:4px;"><a target="main" href="../artikel/artikel.php?l=0&Artikel=42080&Sprache=de"><img src="../grafik/1_pfeil_grau.gif" width=9 height=9 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Überblick </a></div> <div class="muiep"><a target="main" href="../artikel/artikel.php?l=1&Artikel=42081&Sprache=de"><img src="../grafik/1_pfeil_grau.gif" width=9 height=9 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Interessierte</a></div> </td> </tr> </table><h3>Inhalt</h3> <P>In diesem Artikel wird erklärt, worum es sich bei dem Phänomen der natürlichen Homochiralität handelt, welche naturalistischen Erklärungshypothesen es gibt, und wie sich das Phänomen auf der Basis unseres Wissens verstehen lässt. Es wird gezeigt, dass die Homochiralität in einem naturalistischen Szenario nicht zu erwarten ist und dass sie – unter Zugrundelegung unseres heutigen Wissens – ein starkes Argument für &bdquo;Schöpfung“ darstellt.</P><p><a href="#1"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Das Phänomen der Homochiralität in der Schöpfung</a></p> <p><a href="#2"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Rätsel Homochiralität</a></p> <p><a href="#3"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> (1) Paritätsverletzung auf atomarer Ebene</a></p> <p><a href="#4"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> (2) Spontaner Symmetriebruch</a></p> <p><a href="#5"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> (3) Ursprung der Homochiralität von außen</a></p> <p><a href="#6"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> (4) Begünstigung der Entstehung oder Zersetzung des einen Enantiomeren</a></p> <p><a href="#7"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Schlussfolgerung</a></p> <p><a href="#8"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Literatur</a></p> <p><a href="../artikel/experten_druck.php?Artikel=42081&Sprache=de" target=_blank><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"> Druckerfreundliche Version dieser Seite anzeigen   <img src="../grafik/drucker.gif" width="14" height="14" border="0" style="vertical-align:middle;" alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3><a name="1"></a>Das Phänomen der Homochiralität in der Schöpfung</h3> <P>Für die Existenz von Leben, wie wir es beobachten, sind außerordentlich viele Voraussetzungen nötig. Eine davon betrifft die genaue räumliche Gestalt lebensnotwendiger Moleküle. <B>Aminosäuren, Zucker und sehr viele andere essentielle Lebens-Bausteine kommen in der Natur nur in einer von zwei spiegelbildlichen Formen vor bzw. nur die eine Form ist in einem bestimmten Organismus oder für eine bestimmte Funktion brauchbar.</B> Diese molekulare Asymmetrie der Natur nennt man <B>Homochiralität</B>. Chiralität beschreibt die Erscheinung, daß Moleküle (übrigens auch beliebige Gegenstände) in zwei zueinander spiegelbildlichen, nicht kongruenten (nicht identischen) Formen existieren können. Chiralität heißt übersetzt &bdquo;Händigkeit“; denn die Hände sind ein Beispiel für chirale Objekte (vgl. <a href="../bild.php?Sprache=de&ID=254" onclick="return Bild_Anzeigen('../bild.php?ID=254&Sprache=de',640,550);"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 vspace=4 style="vertical-align:middle" alt="">Abb. 254</a>). Den Begriff &bdquo;Chiralität“ prägte Lord Kelvin in einer Fußnote seiner &bdquo;Baltimore Lectures“ (Kelvin 1904). Zwei zueinander spiegelbildliche Moleküle heißen <B>Enantiomere</B>, ein 1:1-Gemisch zweier Enantiomere <B>Racemat</B>. So ähnlich sich Enantiomere sind - sie können sich gegenseitig nicht ersetzen. Eine Diät, die statt L- nur D-Aminosäuren enthielte, würde rasch zum Tode durch Mangelernährung führen. &bdquo;L“ und &bdquo;D“ ist eine von zwei gängigen chemischen Nomenklaturen, um sprachlich Enantiomere zu unterscheiden.</P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="2"></a>Rätsel Homochiralität</h3> <P><I>Homo</I>chiralität bedeutet, dass von den beiden Enantiomeren nur das eine vorgefunden wird. Genau das ist eines der großen Naturrätsel. <B>Vor der Entstehung von Lebewesen muss irgendwann die Entscheidung zugunsten der einen Sorte Enantiomerer gefallen sein.</B> Auf der Ebene lebender Organismen führt die Konkurrenz von Individuen und Arten zu Selektionsprozessen. <B>Bei Enantiomeren mit chemisch gleichem Energiegehalt existiert ein auf Konkurrenz basierender Selektionsprozess nicht.</B> Daher ist prinzipiell unklar, wie es in einer hypothetischen präbiotischen Welt <I>ohne äußeren Eingriff</I> zu einer Selektion kommen kann. Lässt man die Möglichkeit eines planenden, steuernden Eingriffs nicht zu, so sind beide Alternativen – L und D – für ein chirales Molekül exakt gleich wahrscheinlich.</P> <P>Mit Einflussnahme durch einen Experimentator ist die Entstehung der Homochiralität leicht zu verstehen. Wenn man dagegen die Moleküle sich selbst überlässt, scheint die Entstehung und Aufrechterhaltung dieses Naturphänomens im Rahmen der bekannten Gesetze der Chemie und Physik in einer unbelebten (präbiotischen) Welt grundsätzlich nicht vorstellbar. Naturalistische Erklärungen werden trotzdem gesucht (Cline 1996, Feringa & van Delden 1999, Bonner 2000). Diese Erklärungshypothesen lassen sich in einer von vier Gruppen <B>(1)-(4)</B> einordnen:</P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="3"></a>(1) Paritätsverletzung auf atomarer Ebene</h3> <P>Enantiomere haben aufgrund der Paritätsverletzung auf atomarer Ebene bei der schwachen Wechselwirkung einen winzig kleinen Energieunterschied (siehe Lehrbücher der Physik). Bei Aminosäuren beträgt er ca. 2 x 10-17 kJ/mol. Resultiert daraus ein Energieunterschied von Enantiomeren, der zur Bevorzugung des einen führte und führt? Nein: &bdquo;Es gibt zwar schwache asymmetrische Kräfte in der unbelebten Natur, aber jedes geringfügige Vorherrschen von D- oder L-Formen bei präbiotischen Prozessen würde in einer geologischen Umgebung durch Razemisierungsreaktionen wieder aufgehoben werden“ (Dose 1987). Auch Bonner 2000 kommt in seinem ausführlichen Übersichtsartikel zu dem Schluss, <B>dass die Paritätsverletzungen auf der atomaren und auf der molekularen Ebene (Homochiralität) nichts miteinander zu tun haben.</B></P> <P><B>Exkurs:</B> <B>Die Vester-Ulbricht-Hypothese.</B> Diese Hypothese versucht die Homochiralität auf molekularer Ebene aus der Paritätsverletzung auf der Ebene der Elementarteilchen zu erklären, und zwar auf folgende Weise. Beim ß-Zerfall radioaktiver Atomkerne entstehen Elektronen, die aufgrund der Paritätsverletzung longitudinal polarisiert sind. Wenn diese Elektronen auf Materie treffen, so erzeugen sie circular polarisierte Bremsstrahlungs Photonen. Diese wiederum könnten von organischen Molekülen absorbiert werden und stereoselektive synthetische oder abbauende Reaktionen auslösen, und zwar solche Reaktionen, die bekanntermaßen von circular polarisiertem Licht induziert werden. Netto würde – gemäß dieser Hypothese – auf abiotische Weise ein Enantiomerenüberschuss generiert.</P> <P>Der erste Bericht über die angebliche Bestätigung dieser Theorie war eine Arbeit (Garay 1968), bei der Lösungen von D- bzw. L-Tyrosin getrennt der ß-Strahlung des natürlich vorkommenden Strontium-Isotops der Masse 90 ausgesetzt wurden. Nach 18 Monaten war angeblich die Menge an D-Tyrosin geringer geworden gegenüber seinem L-Enantiomer. Garays Arbeit wird gelegentlich noch zitiert, obwohl seine Ergebnisse von anderen Arbeitsgruppen nicht nur nicht wiederholt werden konnten, sondern schon in den 1970er Jahren ernsthafte Zweifel am experimentellen Vorgehen und den Interpretationen Garays publiziert wurden (Bonner 1974). Bonner versuchte daraufhin, unter veränderten Bedingungen mittels ß-Strahlung eine Anreicherung eines Enantiomers zu erzeugen. Unter anderem verwendete er auch eine wesentlich stärkere ß-Strahlung (Bonner 1974). Jedoch gelang in allen Experimenten kein experimenteller Beweis, dass die Vester-Ulbricht-Hypothese etwas zur Erklärung des Ursprungs der Homochiralität beiträgt. Im Gegenteil wurde in anderen Experimenten gezeigt, dass Bestrahlung (mit ß-Strahlen oder Selbstbestrahlung radioaktiver, <SUP>14</SUP>C haltiger Proben) zu <B>Radiorazemisierung</B> führte, also geringe Enantiomeren-Überschüsse zerstört (Bonner 2000, S. 115-117).</P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="4"></a>(2) Spontaner Symmetriebruch</h3> <P>Nach dieser Hypothese soll ein (statistisch extrem unwahrscheinliches, unbekanntes) Ereignis das Gleichgewicht irgendwann zugunsten des einen Enantiomeren verschoben haben: spontaner Symmetriebruch. Frank hat 1953 ein rein theoretisches Schema vorgestellt, bei dem durch asymmetrische Autokatalyse ein Enantiomer seine eigene Entstehung katalysiert, so dass es zu einer Verschiebung des Enantiomerenverhältnisses kommt. Da aber prinzipiell dasselbe umgekehrt für das andere Enantiomer gilt, es auch seine eigene Bildung katalysiert, sind beide weiterhin gleichberechtigt. Außerdem kann das Schema ebensogut das autokatalytische <I>Verschwinden</I> von Enantiomeren-Überschüssen voraussagen. Schließlich und endlich würden zufällige Fluktuationen in kleinen Molekülkollektiven durch ebensolche Fluktuationen in anderen kleinen Kollektiven aufgehoben. Konkrete Beispiele für asymmetrische Autokatalyse &bdquo;funktionierten“ nur, weil man z.B. bei der Reaktionsdurchführung von einem Enantiomerenüberschuss ausging (z.B. Soai et al. 1995; Mathew et al. 2004) oder die eine Sorte chiraler Kokristalle zusetzte (Kawasaki et al. 2005), oder aber man erhielt stochastisch in einer Reihe von Experimenten eine Anreicherung entweder des einen oder des anderen Enantiomers, in der Summe also keine Homochiralität (Soai et al. 2003; Singleton & Vu 2003).</P> <P><B>Beispiel Kristallisation:</B> Seit vielen Jahren ist bekannt (Harada 1970), dass aus übersättigten Lösungen von racemischen Gemischen entweder das eine oder das andere Enantiomer auskristallisiert, wenn man einen Kristall entweder des einen oder des anderen hinzufügt. Die Entstehung übersättigter Lösungen könnte in der Natur durchaus stattfinden bzw. präbiotisch stattgefunden haben (Dose und Rauchfuß 1975, Rauchfuß 2005). In einem präbiotischen Universum zufälliger chemisch-physikalischer Vorgänge würde aber gleich oft mal das eine, mal das andere auskristallisieren. &bdquo;Netto“ liegt also auch hier kein chiraler Einfluss vor: die eventuelle Anreicherung des einen Enantiomeren hier wird durch die Anreicherung seines Spiegelbildes dort aufgehoben. Es wäre im wahrsten Sinne des Wortes ein Wunder, also ein nicht beobachtetes, den chemsichen und statistischen Gesetzen widersprechendes Ereignis, würde man glauben, die Kristallisation des einen Enantiomeren habe öfter stattgefunden als die des anderen. Es wäre auch falsch zu formulieren, das eine Enantiomer habe sich &bdquo;durchgesetzt“. <B>Präbiotisch besteht keine Konkurrenz von Molekülen, und in einer achiralen Umgebung hat kein Enantiomer einen Vorteil gegenüber einem anderen.</B> Das auf biologischer Ebene wichtige Konkurrenz-Konzept gilt hier nicht. Wenn zum Beispiel behauptet wird, die alpha-Helix eines enantiomerenreinen Proteins habe den Vorteil, weniger leicht hydrolysiert zu werden, so gilt dasselbe für das ebenso existenzfähige Spiegelbild dieser alpha-Helix, die aus den spiegelbildlichen Aminosäuren zusammengesetzt ist. Wiederum sieht man zwei gleich wahrscheinliche Möglichkeiten vor sich und die beste Antwort bleibt, dass das eine von einem Schöpfer als Baustein verwendet wurde, das andere nicht.</P> <P><B>Beispiel Soai-Reaktion:</B> Eine gewisse Bekanntheit hat in diesem Zusammenhang die Soai-Reaktion erworben (Soai et al. 1995). Sie besteht in der Addition einer zinkorganischen Verbindung an Aldehyde. Ist das Produkt – ein Alkohol – asymmetrisch, können zwei Enantiomere entstehen. Soai stellte fest, dass autokatalytisch jedes Enantiomer seine eigene Entstehung fördert. Sorgt man experimentell dafür, dass zu Beginn ein Produkt-Enantiomer in geringem Überschuss vorliegt, so entsteht kein Racemat, sondern ein racemisches Gemisch, in dem entweder das eine oder das andere Enantiomer überwiegt. Man hat untersucht (Singleton & Vu 2003) und theoretisch analysiert (Islas et al. 2005), wie klein der initiale Überschuss eines Enantiomeren sein darf, damit ein messbarerer Überschuss im Produktgemisch auftritt. Die theoretische Untersuchung hilft nicht weiter, da sie numerisch simuliert, was zunächst einmal experimentell beobachtet werden müsste; im Grunde handelt es sich bei der Arbeit von Islas et al. 2005 um einen Spezialfall der Überlegungen von Frank 1953.</P> <P>Interessanter ist die experimentelle Arbeit: Singleton & Vu (2003) haben die Soai-Reaktion 54 mal durchgeführt und in der Hälfte der Fälle das eine, in der anderen Hälfte das andere Enantiomer angereichert gefunden. Wiederum ist also &bdquo;netto“ keine Homochiralität entstanden. Sie schätzen, dass ca. 60.000 Moleküle kontrollieren können, welches Enantiomer bei der Soai-Reaktion angereichert wird. Daraus schließen sie, dass es in der Erdgeschichte auch so gekommen sei. Eine oder mehrere bisher unbekannte präbiotische Reaktionen – die Soai-Reaktion hat mit der Chemie des Lebens nichts zu tun – hätten ausgehend von einem kleinen Überschuss letztlich zur Entstehung der Homochiralität geführt. Diese Schlussfolgerung ist aber mehr als hypothetisch. Erstens haben Singleton & Vu (2003) – ebenso wie Soai und andere vor ihnen – in <I>einem</I> Schritt nur eine geringe Enantiomerenanreicherung herbeiführen können. Sie mussten mehrere <I>gut überlegte</I>, von den Experimentatoren kontrollierte Amplifizierungsschritte anhängen, um in die Nähe reiner Enantiomere zu kommen. <B>Das postulierte Ziel war also wiederum nur unter Einsatz gezielter, planmäßiger, kreativer Experimentierkunst zu erreichen.</B> Zweitens bestätigt ihr Ergebnis, dass eine relativ kleine Zahl von Molekülen das Produkt kontrolliert, eigentlich nur, was andere Evolutionsforscher im Bereich der präbiotischen Chemie schon lange vorher formuliert hatten: dass es zwar kleine Fluktuationen in Molekülensembles gibt, die Fluktuationen unter präbiotischen Bedingungen aber rasch verschwinden (Dose 1987), <I>außer man arbeitet gezielt auf ein bestimmtes Resultat hin</I>. In 54 Reaktionsansätzen entstand netto kein Enantiomerenüberschuss; denn jedes der beiden Enantiomere katalysiert seine eigene Entstehung. Da kleine Überschüsse jeweils genügen, passiert statistisch gleich oft das eine wie das andere.</P> <P>Ganz prinzipiell (naturgesetzlich) sind <I>immer</I> die beiden &bdquo;spiegelbildlichen“ Vorgänge gleich wahrscheinlich, gleich ob es sich um Reaktionen oder Kristallisationen handelt. Dasselbe gilt auch für die bevorzugte Adsorption eines Enantiomers an eine chirale Oberfläche (z.B. an Calcit- oder Quarzkristalle): Ohne Annahme eines außerhalb der bekannten Beobachtungen oder Naturgesetze liegenden Vorgangs wird es gleich viele spiegelbildliche chirale Oberflächen geben, von denen die eine das eine und die andere das andere Enantiomer adsorbiert und somit beide in gleichem Maße &bdquo;angereichert“ werden.</P> <P> <P><B>Manche Publikationen verlegen den Vorgang der Zersetzung eines Enantiomeren durch eine physikalische Einflussgröße in den interstellaren Raum.</B> In der Vergangenheit wurde circular polarisiertes Licht diskutiert. Mindestens zwei Gründe sprechen dagegen: erstens, dass die im Labor unter kontrollierten Bedingungen erreichbaren Überschüsse in dem Bereich lagen, der durch natürliche Racemisierungsprozesse wieder verschwände (Dose 1987), zweitens weil es auch im interstellaren Raum gleichermaßen links- und rechts-circular polarisiertes Licht gibt, wenn man nicht an Phänomene außerhalb des Rahmens grundlegender Naturgesetzlichkeit glaubt. Der geringe Erklärungsnutzen der Zersetzung von Enantiomeren durch circular polarisiertes Licht liegt laut Meierhenrich et al. 2005 daran, dass man Lösungen der Racemate dem Licht ausgesetzt hat. Mit der Vermutung, im interstellaren Raum seien Lösungen biochemisch relevanter Moleküle, z.B. Aminosäuren, unwahrscheinlich, haben sie den Einfluss circular polarisierten Lichtes auf feste Aminosäuren untersucht mit der weiteren Hypothese, Aminosäuren könnten sich im interstellaren Raum gebildet haben. Die Bestrahlung von festen Proben von racemischem Leucin mit rechts-circular polarisiertem Synchrotronlicht bei 182 nm erzeugte einen Enantiomerenüberschuss des D-Enantiomers von 2.6%. Auch hier bleibt die Frage: <B>Wieso sollte im interstellaren Raum entweder rechts- oder links-circular polarisiertes Licht bevorzugt eingewirkt haben?</B> Beides ist natürlicherweise gleich wahrscheinlich und gleich häufig! Denn Meierhenrich et al. schreiben selbst: &bdquo;Bei entgegengesetzter Helizität der Photonen ... sollten entgegengesetzte Enantiomerenanreicherungen resultieren.“ Und in der Tat fanden sie entgegengesetzte Anreicherungen, jenachdem ob mit links- oder rechts-circular polarisiertem Licht gearbeitet wurde. Den geringen Anreicherungsunterschied interpretieren sie mit kleinen Unterschieden und Unvollkommenheiten der Versuchsanordnung. Wiederum sind in der Natur ohne regelnden Eingriff naturgesetzlich beide &bdquo;spiegelbildlichen“ Vorgänge gleich wahrscheinlich.</P> <P>Die Thematik außerirdischer Einflussgrößen soll im Folgenden kurz zusammenfassend behandelt werden.</P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="5"></a>(3) Ursprung der Homochiralität von außen</h3> <P>Diese Hypothese besagt, die auf der Erde beobachtete Homochiralität sei von außen eingetragen worden. So hat man auf manchen Meteoriten Enantiomerenüberschüsse von bis zu 9% gefunden – freilich nur zweier nicht-proteinogener Aminosäuren (Cronin & Pizzarello 2004). Das löst das Problem nicht, sondern verschiebt es nur, es sei denn man wollte postulieren, dass außerhalb der Erde die hier beobachteten chemisch-physikalischen Gesetzmäßigkeiten nicht gälten. Dass es diese Erklärungshypothese überhaupt gibt, zeigt, dass man innerhalb des naturwissenschaftlichen Beobachtungs- und Gesetzesraums das Phänomen der Homochiralität nicht erklären kann.</P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="6"></a>(4) Begünstigung der Entstehung oder Zersetzung des einen Enantiomeren</h3> <P>Nach dieser Hypothese hat ein physikalischer Einfluss die Entstehung oder Zersetzung des einen Enantiomeren begünstigt. <B>Als mögliche Einflussgröße wird seit langem immer wieder ein Magnetfeld versucht oder diskutiert.</B> Das geht auf ein oft falsch verstandenes Experiment Faradays aus dem Jahr 1846 zurück. Er ließ ein Magnetfeld auf linear polarisiertes Licht einwirken. Die Ebene des Lichtes wurde dadurch gedreht. Da eine Lösung eines reinen Enantiomeren ebenfalls die Ebene des linear polarisierten Lichtes dreht, wurde von manchen Wissenschaftlern der physikalisch nicht haltbare Schluss gezogen, das eine Phänomen (Faradays magnetooptische Rotation) sei die Ursache des anderen (natürliche optische Rotation). Auf der Basis dieses Irrtums versuchte beispielsweise Pasteur homochirale Kristalle in einem Magnetfeld zu züchten – erfolglos. Lord Kelvin stellte schon klar, dass &bdquo;der magnetischen Rotation [Faradays Experiment] die Eigenschaft der Links- oder Rechtshändigkeit fehlt, sie also nicht chiral ist“ (Kelvin 1904).</P> <P>Faradays und Kelvins Klarstellungen konnten nicht verhindern, dass immer wieder versucht wurde, mittels eines Magnetfeldes einen Enantiomerenüberschuss zu erzeugen. Der bekannteste Versuch dieser Art war eine Arbeit (Zadel et al. 1994), die sich als bewusste Fälschung eines wissenschaftlichen Mitarbeiters herausstellte (Gölitz 1994). Nach dem Erscheinen dieser Arbeit und noch vor dem Bekanntwerden als Fälschung hatte es einen Kommentar gegeben, der die physikalische Unmöglichkeit der Ergebnisse klarstellte (Bradley 1994). Knapp und anschaulich gesagt: <B>Ein noch so starkes Magnetfeld ist ebensowenig in der Lage, eine chemische Reaktion in Richtung eines Enantiomeren zu drücken wie ein Blatt von einem Baum zu lösen.</B></P> <P>Aber auch tatsächlich chirale Einflussgrößen wie <B>circular polarisiertes Licht</B> oder der <B>magnetochirale Dichroismus</B> geben keine Erklärung für die natürliche Homochiralität. Entweder wurden Beispielreaktionen veröffentlicht, die nichts mit chiralen Bausteinen der Lebewesen zu tun haben oder es wurde z.B. ein Magnetfeld in einer für natürliche Bedingungen ganz unrealistischen Feldstärke eingesetzt. <B>Vor allem jedoch musste stets postuliert werden, dass die chirale Einflussgröße nur in der einen &bdquo;spiegelbildlichen" Weise aktiv war.</B> Aber für mögliche physikalische Einflussgrößen gilt genau wie für Enantiomere, dass sie in beiden chiralen Formen gleichberechtigt auftreten. &bdquo;Netto“ liegt also <I>kein</I> chiraler Einfluss vor; die eventuelle Anreicherung des einen Enantiomeren hier wird durch die Anreicherung seines Spiegelbildes dort aufgehoben. So bringt auch die Kombination der asymmetrischen Autokatalyse und des circular polarisierten Lichtes (Kawasaki et al. 2005a) keinen Erklärungsfortschritt, da wiederum beide Möglichkeiten bzw. Kombinationen gleichberechtigt und gleich wahrscheinlich sind. In der Arbeit von Kawasaki et al. (2005a) wurde das auch explizit im Experiment gezeigt, dass nämlich mit circular links-, dann rechtspolarisiertem Licht und jeweils nachfolgender asymmetrischer Autokatalyse einmal das eine, einmal das andere Enantiomer entstand.</P> <P><B>Beispiel.</B> Am Beispiel einer konkreten Arbeit soll der Sachverhalt folgend im Detail diskutiert werden.</P> <P>Diese Arbeit begeht nicht den Fehler, einen achiralen physikalischen Einfluss für die Entstehung molekularer Chiralität benutzen zu wollen. Vielmehr nutzt sie den magnetochiralen Dichroismus (= magnetochirale Anisotropie), der 1982 vorhergesagt (Wagnière & Meier 1982) und 1997 beobachtet wurde (Rikken & Raupach 1997). Unter <B>Dichroismus</B> versteht man eine richtungsabhängige Absorption von Licht. Beim magnetochiralen Dichroismus wird ein Lichtstrahl parallel oder antiparallel zu einem Magnetfeld durch eine Lösung chiraler Moleküle geleitet. Das Licht wird jeweils unterschiedlich stark absorbiert. Der Effekt tritt auch mit nicht polarisiertem Licht auf.</P> <P><a href="../bild.php?Sprache=de&ID=255" onclick="return Bild_Anzeigen('../bild.php?ID=255&Sprache=de',604,145);"><img src="../grafik/1_pfeil_weiss.gif" width=9 height=9 border=0 vspace=4 style="vertical-align:middle" alt="">Abb. 255</a> zeigt die chemische Reaktion, bei der mittels des beschriebenen Effektes ein kleiner Überschuss des einen oder anderen Enantiomeren (<B>1</B> und <B>2</B>) erzeugt wurde. Es handelt sich um eine lichtkatalysierte Umlagerung des Chrom(III)trisoxalat-Komplexes. Der Komplex ist kinetisch instabil, d.h. er zerfällt und entsteht rasch wieder neu. Da er helikal chiral ist, d.h. wie ein Propeller oder eine Schraube gebaut, kann er in zwei enantiomeren Formen (<B>1</B> und <B>2</B>) vorliegen. In Abhängigkeit von der Richtung des angelegten Magnetfeldes relativ zum katalysierenden Laser-Lichtstrahl entstand das eine oder das andere Enantiomer bevorzugt. Der Enantiomerenüberschuss persistierte solange, bis das Magnetfeld oder der Laser abgeschaltet wurden; dann relaxierte das System wieder zum Racemat.</P> <P>Ist damit eine plausible Erklärungsmöglichkeit für die natürliche Homochiralität gefunden? Eine genaue Analyse der Vorgänge zeigt, dass das nicht der Fall ist.</P> <P>(a) <B>Der beobachtete Effekt kann bei Kohlenstoff-Verbindungen (die Moleküle des Lebens!) nicht auftreten.</B> Der Chrom-Komplex wurde gewählt, weil er paramagnetisch und chiral ist. Aufgrund seines Paramagnetismus konnte man bei ihm erwarten, einen messbaren Effekt zu erhalten. Diamagnetische (die meisten Kohlenstoff-Verbindungen!) bzw. achirale Moleküle können prinzipiell und naturgesetzlich in diesem Experiment nicht ansprechen.</P> <P>(b) Der Enantiomerenüberschuss war sehr klein – ähnlich klein wie bei Experimenten, wo man mit circular polarisiertem Licht Enantiomerenüberschüsse erzeugt hat (z.B. Stevenson & Verdieck 1969). Noch geringer wäre übrigens ein – bisher nur theoretisch diskutierter – Überschuss aufgrund der elektroschwachen Kraft (Bonner 2000). Wie schon zitiert (Dose 1987), gilt für alle drei physikalischen Kräfte, die zur Erklärung der Entstehung der Homochiralität herangezogen werden, dass jedes geringfügige Vorherrschen von D- oder L-Formen in einer geologischen Umgebung durch Razemisierungsreaktionen wieder aufgehoben würde.</P> <P>(c) Rikker und Raupach betonen, dass polarisiertes Licht für das Zustandekommen des Effektes nicht notwendig war, sondern &bdquo;normales" Licht ausreichte. <B>Zwei andere nicht-triviale Anforderungen waren aber nötig:</B> Erstens wurde nicht wirklich &bdquo;normales" Licht eingesetzt, sondern ein Laser, und zwar mit der Wellenlänge des Absorptionsmaximums des Chromkomplexes – keine selbstverständlichen Gegebenheiten einer eventuellen präbiotischen Welt. Zweitens hatte das verwendete Magnetfeld eine Feldstärke von 7.5 Tesla. Die mittlere Feldstärke des Erdmagnetfeldes, gemessen an der Erdoberfläche, beträgt am Äquator etwa 0.032 <I>Nano</I>tesla, d.h. das im Experiment eingesetzte Feld war etwa 234 Milliarden mal stärker als das gegenwärtige, in der Natur vorgefundene. Es ist auszuschließen, dass auf der Erde einmal ein auch nur annähernd so starkes Feld geherrscht haben könnte. Bei schwächeren Feldern wäre jedoch eine eventuelle Enantiomerenanreicherung praktisch nicht mehr gegeben.</P> <P>(d) Aber vielleicht hat es irgendwo ein lokal begrenztes, sehr starkes Feld gegeben, und ein einmal entstandener Enantiomerenüberschuss hat sich von dort aus durchgesetzt? Diese Hypothese führt uns zur letzten kritischen Anmerkung. Der magnetochirale Dichroismus ist in der Tat eine chirale Einflussgröße im Sinne der gegenwärtig akzeptierten Definition von Chiralität, die im Unterschied zur Definition Kelvins eine Zeitumkehr und damit auch bewegungsabhängige Prozesse (Molekül- und Reaktionsdynamik) einschließt (Avalos et al. 1998). Der magnetochirale Effekt ist aber – wie in der diskutierten Arbeit gezeigt – umkehrbar. Das bedeutet: Wenn Lichtstrahl und Magnetfeld parallel sind, entsteht bevorzugt das eine Enantiomer; wenn sie antiparallel sind, sein Spiegelbild. In einem präbiotischen Universum zufälliger chemisch-physikalischer Vorgänge wäre einmal die eine, einmal die andere relative Orientierung vorzufinden. &bdquo;Netto“ liegt also auch hier <I>kein</I> chiraler Einfluss vor: die eventuelle Anreicherung des einen Enantiomeren hier wird durch die Anreicherung seines Spiegelbildes dort aufgehoben. Man müsste zusätzlich spekulieren, das magnetochirale Ereignis habe nur an einer Stelle einmal stattgefunden mit nur <I>einer</I> relativen Anordnung der Felder – eine Spekulation, die jenseits aller Erfahrung, Beobachtung und Wahrscheinlichkeit liegt.</P> <P>Am gerade detailliert diskutierten Beispiel des magnetochiralen Dichroismus wird das grundsätzliche Problem naturalistischer Erklärungsversuche der Homochiralität offensichtlich. <B>Die Erklärungen fordern eine Häufung notwendiger, auf der heutigen Erde nirgendwo vorgefundener Voraussetzungen.</B> Das ist Glaubenssache. Rikker & Raupach formulieren am Ende Ihres Artikels: &bdquo;Clearly, the question of the origin of the homochirality of life is far from answered.“ (&bdquo;Die Frage nach dem Ursprung der Homochiralität des Lebens ist weit davon entfernt, beantwortet zu sein.“) Dieser Befund aus dem Jahr 1997 gilt nach wie vor und findet sich auch in neuesten Fachpublikationen, z.B. Meierhenrich et al. 2005: &bdquo;Das Phänomen der biomolekularen Asymmetrie, wonach proteingebundene Biomoleküle wie Aminosäuren dieselbe Chiralität haben, bedarf nach wie vor der Erklärung.“ Dennoch wird in stark verkürzten und popularisierenden Veröffentlichungen manchmal etwas anderes behauptet. Diese Behauptungen enthalten in der Regel eine schlagwortartige Aufzählung von chemischen oder physikalisch-chemischen Phänomenen, die angeblich alle zur Entstehung von Enantiomerenüberschüssen führen. In Wirklichkeit handelt es sich um die hier und in &bdquo;neutralen“, sehr ausführlichen Übersichtsartikeln (z.B. Bonner 1996, Bonner 2000) besprochenen Phänomene, deren keines das Rätsel der Homochiralität löst. <B>Der Ursprung der für Leben notwendigen Homochiralität ist mit naturalistischen Prämissen nicht erklärt.</B></P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="7"></a>Schlussfolgerung</h3> <P><B>Das Phänomen der Homochiralität wird aber sofort verständlich, wenn wir nicht auf der Basis unseres Nicht-Wissens, sondern unseres <I>Wissens</I> an die Fragestellung herangehen.</B> Wir <I>wissen</I> sehr genau, wie man reine Enantiomere und überhaupt die Moleküle des Lebens (Aminosäuren, Zucker, Proteine, RNS, DNS usw. usf.) herstellen kann, unter welchen Bedingungen sie entstehen können, stabil sind oder zerfallen. Wir wissen auch, unter welchen Bedingungen sie eben nicht entstehen können. Wir können sie selbst herstellen und sehen, welche Chemie dafür erforderlich ist und welche es verhindert. Wir wissen, dass beispielsweise reine Enantiomere nicht von allein entstehen, sondern mittels gezielter Auswahl von Reagenzien, Reaktionsbedingungen, Reaktionsaufarbeitung und -abfolgen durch einen Experimentator. <P>Auf der Basis dieses unseres <I>Wissens</I> können wir schließen, dass auch die erste Entstehung der Moleküle des Lebens und ihr Zusammenbau zu einer Zelle gezielte Planung und Kreativität erforderte. Zielsetzung, Planung und Kreativität sind hier <I>nicht</I> &bdquo;Lückenbüßer“ für etwas (noch) Unverstandenes, sondern logische Folgerung aus unserem experimentellen, in unzähligen Versuchen wissenschaftlich erworbenem Wissen um die Eigenschaften und Erfordernisse für die Moleküle des Lebens und für lebende Zellen. Wir wissen, dass es dafür absolut notwendig und unerlässlich ist, gezielt und geplant vorzugehen.</P> <P>Die beste Erklärung für die Entstehung der Homochiralität ist also diejenige, die auf unserer experimentell nachprüfbaren Erfahrung um die Möglichkeiten der Entstehung dieses Phänomens basiert statt auf präbiotischen Spekulationen. Die beste Erklärung ist: Jemand – ein Schöpfer – hat &bdquo;manipuliert“, so wie es auch Chemikern durch kreative, gezielte Versuchsplanung und -durchführung gelingt, enantiomerenreine Substanzen herzustellen. <B>Wir wissen, wie man reine Enantiomere <I>herstellen</I> kann – von allein, d. h. <I>de novo</I>, ohne Vorgabe von Leben, geschieht es nicht.</B> Deshalb kann es nach allem, <I>was wir wissen,</I> auch &bdquo;ganz am Anfang“ nicht von allein geschehen sein. Von nichts kommt nichts (Imming 2005).</P><p style="padding-bottom:3px;text-align:right;"><a href="#0"><img src="../grafik/evo_top.gif" width=31 height=10 border=0 alt="chiralität fehlende spiegelbilder homochiralität evolution"></a></p> <h3 style="padding-bottom:4px;"><a name="8"></a>Literatur</h3> <P>Avalos M, Babiano R, Cintas P, Jimenez JL, Palacios JC & Barron LD (1998) Absolute Asymmetric Synthesis under Physical Fields: Facts and Fictions. Chem. Rev. <I>98</I>, 2391-2404.</P> <P>Bonner WA (1974) Experiments on the origin of molecular chirality by parity non-conservation during ?-decay. J. Mol. Evol. <I>4</I>, 23-39.</P> <P>Bonner WA (1996) The quest for chirality. In: Cline DB, editor. Physical origin of homochirality in life. Woodbury, NY: American Institute of Physics, p. 17-49.</P> <P>Bonner WA (2000) Parity violation and the evolution of biomolecular homochirality. Chirality <I>12</I>, 114-126.</P> <P>Bradley D (1994) A new twist in the tale of nature’s asymmetry. Science <I>264</I>, 908.</P> <P>Cline DB (Hg.) (1996) Physical origin of homochirality in life. American Institute of Physics, Woodbury, New York (Air conference proceedings 379)</P> <P>Cronin JR & Pizzarello S (1997) Enantiomeric excesses in meteoritic amino acids. Science <I>275</I>, 951-955.</P> <P>Dose K (1987) Präbiotische Evolution und der Ursprung des Lebens. Chemie Unserer Zeit <I>21</I>, 177-185.</P> <P>Dose K, Rauchfuß H (1975) Chemische Evolution und der Ursprung lebender Systeme. Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft.</P> <P>Feringa BL & van Delden RA (1999) Absolute asymmetrische Synthese: Ursprung, Beeinflussung und Verstärkung von Chiralität. Angew. Chem. <I>111</I>, 3624-3645.</P> <P>Frank FC (1953) Spontaneous asymmetric synthesis. Biochim. Biophys. Acta <I>11</I>, 459-463.</P> <P>Garay AS (1968) Origin and role of optical isomery in life. 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