Wissenschaftler der ETH Zürich und der Universität Genf haben eine neue Technik entwickelt, die die Beobachtung chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten mit extrem hoher Zeitauflösung ermöglicht. Mit dieser Innovation können sie verfolgen, wie sich Moleküle in nur wenigen Femtosekunden (also Billionstelsekunden) verändern.
Forscher haben eine neue Methode zur Beobachtung chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten entwickelt und dabei Reaktionen aufgedeckt, an denen Moleküle wie Harnstoff beteiligt sind, die möglicherweise zur Entstehung von Leben auf der Erde beigetragen haben. Die Technik umfasst ein spezielles Instrument, das winzige Flüssigkeitsstrahlen erzeugt, und Röntgenspektroskopie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, Reaktionen zu untersuchen, die in nur Femtosekunden ablaufen.
Dieser Durchbruch baut auf früheren Forschungen derselben Forschungsgruppe unter der Leitung von Hans Jakob Wörner, Professor für physikalische Chemie an der ETH Zürich, auf. Diese Arbeit lieferte ähnliche Ergebnisse für Reaktionen, die in gasförmigen Umgebungen ablaufen.
Um röntgenspektroskopische Beobachtungen auf Flüssigkeiten auszudehnen, mussten Forscher ein Instrument entwickeln, das im Vakuum Flüssigkeitsstrahlen mit einem Durchmesser von weniger als einem Mikrometer erzeugen kann. Dies ist von entscheidender Bedeutung, denn wenn der Strahl breiter wäre, würde er einen Teil der zur Messung verwendeten Röntgenstrahlung absorbieren.
Mit dieser neuen Methode können Forscher Einblicke in den Prozess gewinnen, durch den Leben auf der Erde entstand. Viele Wissenschaftler glauben, dass Harnstoff dabei eine Schlüsselrolle spielt. Harnstoff ist eines der einfachsten Moleküle, das Kohlenstoff und Stickstoff enthält.
Noch wichtiger ist, dass Harnstoff höchstwahrscheinlich vorhanden war, als die Erde noch sehr jung war, wie auch ein berühmtes Experiment in den 1950er Jahren zeigte: Der amerikanische Wissenschaftler Stanley Miller stellte eine Gasmischung her, aus der vermutlich die ursprüngliche Erdatmosphäre bestand, und setzte sie Gewitterbedingungen aus. Dadurch entsteht eine Reihe von Molekülen, darunter Harnstoff.
Aktuellen Theorien zufolge könnte Harnstoff in warmen Pfützen auf der damals leblosen Erde angereichert worden sein – oft als Ursuppe bezeichnet. Wenn das Wasser in der Suppe verdunstet, steigt die Harnstoffkonzentration. Unter dem Einfluss ionisierender Strahlung wie kosmischer Strahlung können diese konzentrierten Harnstoffe mehrere Syntheseschritte durchlaufen, um Malonsäure herzustellen. Dadurch könnten wiederum die Bausteine von RNA und DNA entstanden sein.
Mit ihrer neuen Methode untersuchten Forscher der ETH Zürich und der Universität Genf den ersten Schritt dieser langen Kette chemischer Reaktionen, um herauszufinden, wie sich konzentrierte Harnstofflösungen verhalten, wenn sie ionisierender Strahlung ausgesetzt werden.
Sie sollten wissen, dass die Harnstoffmoleküle in konzentrierter Harnstofflösung von selbst Paare bilden, die sogenannte Dimere. Die Forscher konnten nun zeigen, dass ionisierende Strahlung dazu führt, dass in jedem Dimer ein Wasserstoffatom von einem Harnstoffmolekül zum anderen wandert. Auf diese Weise wird ein Harnstoffmolekül zu einem protonierten Harnstoffmolekül und das andere Harnstoffmolekül zu einem Harnstoffradikal. Letzteres ist chemisch hochreaktiv – so reaktiv, dass es wahrscheinlich mit anderen Molekülen unter Bildung von Malonsäure reagiert.
Den Forschern gelang es auch zu zeigen, dass dieser Transfer von Wasserstoffatomen sehr schnell erfolgt und nur etwa 150 Femtosekunden oder 150 Billiardstel Sekunden dauert. „Diese Reaktion ist so schnell, dass jede andere Reaktion, die theoretisch ablaufen könnte, durch diese Reaktion überlagert wird“, sagt Wörner. „Das erklärt, warum eine konzentrierte Harnstofflösung Harnstoffradikale produziert, anstatt andere Reaktionen auszulösen, die andere Moleküle produzieren würden.“
Wörner und seine Kollegen wollen die nächsten Schritte untersuchen, die zur Bildung von Malonat führen, und hoffen, dass ihnen dies dabei hilft, die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu verstehen.
Mit ihrer neuen Methode lässt sich auch der genaue Ablauf chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten im Allgemeinen untersuchen. „In Flüssigkeiten finden eine Reihe wichtiger chemischer Reaktionen statt, darunter nicht nur alle biochemischen Prozesse im menschlichen Körper, sondern auch eine Vielzahl chemischer Synthesen, die für die Industrie relevant sind“, sagte Werner. „Deshalb ist es so wichtig, dass wir den Bereich der hochauflösenden Röntgenspektroskopie nun auch auf Reaktionen in Flüssigkeiten ausgeweitet haben.“