Moleküle im Universumvom Heliumhydrid bis zu den Aminosäuren

Was war das erste Molekül im Universum? Diese Seite behandelt die Molekül-Einträge des Spiels mit den Entdeckungen und Ursprüngen dahinter.

Das erste Molekül, das sich im Universum bildete, war das Heliumhydrid-Ion (HeH⁺). Es wurde erst 2019 in einem planetarischen Nebel nachgewiesen. Von da an brachte das Universum molekularen Wasserstoff, Wasser, Ammoniak, Aminosäuren, Nukleinbasen und schließlich DNA und Proteine hervor. Das Spiel enthält mehr als siebzig Moleküle und Minerale. Diese Seite wählt die paar Dutzend mit den besten Geschichten aus und ordnet sie in vier Gruppen: Moleküle im All, Gesteine und Minerale, die Bausteine des Lebens und die großen Moleküle des Lebens.

Moleküle im All

Molekül	Ein Fakt
Heliumhydrid-Ion (HeH⁺)	Das erste Molekül, das sich im Universum bildete. Erstmals 2019 in einem planetarischen Nebel nachgewiesen.
Molekularer Wasserstoff (H₂)	Das häufigste Molekül im Universum. Bevor sich die ersten Sterne bildeten, brauchte Gas es, um Wärme abzustrahlen und zu kollabieren.
Hydroxyl (OH)	1963 das erste Molekül, das im interstellaren Raum mit einem Radioteleskop nachgewiesen wurde.
Kohlenmonoxid (CO)	Das zweithäufigste Molekül in Molekülwolken. Radioastronomen nutzen es, um unsichtbare Wolken aus Wasserstoffmolekülen zu kartieren.
Ammoniak (NH₃)	1968 nachgewiesen, das erste mehratomige Molekül im interstellaren Raum.
Formaldehyd (H₂CO)	1969 nachgewiesen, das erste organische mehratomige Molekül im interstellaren Raum.
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)	Gehören zu den häufigsten großen Molekülen im interstellaren Raum und binden vermutlich einen beträchtlichen Teil des Kohlenstoffs im Universum.
Fulleren (C₆₀)	2010 in einem planetarischen Nebel gefunden. Es ist eines der größten bekannten interstellaren Moleküle.
Glykolaldehyd	Eines der einfachsten Zuckermoleküle. Es wurde in einer Gaswolke nahe dem Zentrum der Milchstraße gefunden.

Wasser ist reichlich in interstellaren Eiskörnern, Kometen und planetenbildenden Scheiben vorhanden, und ein Teil des Wassers auf der Erde stammt womöglich von Asteroiden. Blausäure ist stark giftig, könnte aber beim Beginn des Lebens ein Schlüsselrohstoff für Nukleinbasen und Aminosäuren gewesen sein. Auf dem Titan gibt es Seen und Regen aus Methan.

Gesteine und Minerale

Silikatstaub: der Hauptbestandteil des interstellaren Staubs, der sich später zu Gesteinsplaneten zusammenballte.
Olivin: das Hauptmineral des oberen Mantels. Kristalle davon findet man auch im Kometenstaub.
Quarz: das Leitmineral der Kontinentalkruste und der Hauptbestandteil von Sand.
Zirkon: extrem widerstandsfähig. Zirkone aus Australien deuten darauf hin, dass es vor 4,4 Milliarden Jahren flüssiges Wasser auf der Erde gegeben haben könnte.
Diamant: Kohlenstoffatome, dicht in Tetraedern gepackt, das härteste natürliche Material. Manche Meteoriten enthalten Nanodiamanten, die älter sind als das Sonnensystem.
Calcit: der Stoff von Kalkstein und vielen Schalen. Die Augen der Trilobiten waren Calcitkristalle.
Magnetit: das stärkste natürliche magnetische Mineral. Manche Bakterien und Zugvögel tragen winzige Kristalle davon.
Tonminerale: Tonoberflächen halfen womöglich frühen RNA-Fragmenten, sich aufzureihen und zu verbinden.
Pyrit: mit dem Spitznamen „Katzengold“. Eine Hypothese zur Entstehung des Lebens besagt, dass die ersten Stoffwechselreaktionen an Eisensulfid-Oberflächen stattfanden.

Die Bausteine des Lebens

Aminosäuren, Nukleinbasen, Zucker und Fettsäuren sind die Grundbestandteile der großen Moleküle des Lebens.

Glycin: die einfachste Aminosäure. Die Rosetta-Mission wies sie auch auf dem Kometen 67P nach.
Adenin: eine der Nukleinbasen von DNA und RNA. Es lässt sich aus 5 Blausäuremolekülen zusammensetzen.
Ribose: das Zuckerrückgrat der RNA. Sie kann entstehen, wenn Formaldehyd auf Mineraloberflächen polymerisiert.
Fettsäuren: In Wasser gegeben bilden sie von selbst doppelschichtige Bläschen, die die ersten Zellmembranen gewesen sein könnten.
Formamid: Über Mineralkatalysatoren erhitzt liefert Formamid alle vier Nukleinbasen und Vorstufen vieler Aminosäuren.
Harnstoff: 1828 stellte Friedrich Wöhler Harnstoff aus anorganischen Stoffen her, der erste Beweis dafür, dass organische Verbindungen nicht von Lebewesen stammen müssen.

Diese Bausteine werden von Experimenten und Meteoriten gestützt. Ein Doktorand schloss Wasser, Methan, Ammoniak und Wasserstoff in einen Kolben ein, ließ Funken hindurchschlagen und erhielt die Aminosäuren, aus denen Proteine bestehen (Miller, Science 1953). Im Murchison-Meteoriten wurden Aminosäuren außerirdischen Ursprungs gefunden, die Rohstoffe des Lebens sind im Universum also womöglich häufig (Kvenvolden et al., Nature 1970). Ein anderes Team fand einen „natürlicheren“ chemischen Weg, der RNA-Bausteine direkt unter ursprünglichen Bedingungen aufbaut (Powner, Gerland & Sutherland, Nature 2009).

Die großen Moleküle des Lebens

RNA: ein Molekül, das sowohl Information speichern als auch Reaktionen katalysieren kann, der Star der RNA-Welt-Hypothese.
Ribozyme: RNAs mit katalytischer Kraft. Thomas Cech und Sidney Altman erhielten 1989 den Nobelpreis für Chemie für ihre Entdeckung.
DNA: ein stabileres Erbmolekül als RNA. Alle zellulären Lebewesen nutzen sie, um ihre Gene zu speichern.
Desoxyribose: ein Sauerstoffatom weniger als Ribose, was die DNA viel stabiler macht als RNA.
ATP: die Energiewährung der Zelle. Die Gesamtmenge ATP, die ein menschlicher Körper pro Tag bildet und abbaut, kommt seinem eigenen Körpergewicht nahe.
tRNA: eine kleine kleeblattförmige RNA. Ein Ende liest ein Codon, das andere trägt eine Aminosäure, sie ist der „Übersetzer“ des genetischen Codes.
Genetischer Code: 64 Codons aus drei Buchstaben stehen für 20 Aminosäuren und ein Stoppsignal. Fast alle Organismen teilen denselben Code.
Proteine: Die Struktur eines Proteins aus seiner Sequenz vorherzusagen war ein halbes Jahrhundert lang ein Problem, und 2020 löste AlphaFold es weitgehend.
Enzyme: biologische Katalysatoren. Manche Reaktionen würden ohne Enzym zig Millionen Jahre dauern und mit Enzym nur Millisekunden.

Der Aufbau von Eisen-Schwefel-Clustern ähnelt Eisensulfid-Mineralen an heißen Quellen, was die Vorstellung stützt, dass das Leben an Quellen auf dem Meeresboden begann. Ökosysteme um Tiefseequellen leben ohne Sonnenlicht, was dem Ursprung des Lebens einen neuen möglichen Ort gab (Corliss et al., Science 1979).

Geschichten in den Namen der Aminosäuren

Asparagin: 1806 aus Spargelsaft isoliert, die erste jemals entdeckte Aminosäure.
Serin: Sein Name kommt von Seide (lateinisch sericum). Es wurde zuerst aus Seidenprotein isoliert.
Tyrosin: zuerst aus Käse isoliert, und sein Name kommt vom griechischen Wort für Käse.
Guanin: zuerst aus Vogelkot (Guano) isoliert, woher sein Name kommt.
Threonin: erst 1935 entdeckt, die letzte der 20 Standardaminosäuren, die gefunden wurde.
Phenylalanin: 1961 stellte Marshall Nirenberg aus RNA, die nur U enthielt, eine Kette aus Phenylalanin her und knackte so das erste Codon, UUU.

Arbeiten zum Suchen

Miller (1953): „A production of amino acids under possible primitive earth conditions“
Kvenvolden et al. (1970): „Evidence for extraterrestrial amino-acids and hydrocarbons in the Murchison meteorite“
Powner et al. (2009): „Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions“
Corliss et al. (1979): „Submarine thermal springs on the Galápagos Rift“

Reale Grundlage

Heliumhydrid-Ion (HeH⁺): das erste Molekül, das sich im Universum bildete. Erst 2019 wurde es zum ersten Mal nachgewiesen, in einem Planetarischen Nebel.
Molekularer Wasserstoff (H₂): das häufigste Molekül im Universum. Bevor die ersten Sterne geboren wurden, brauchte Gas es, um Wärme abzustrahlen und kollabieren zu können.
Hydroxyl (OH): 1963 das erste Molekül, das Radioteleskope im interstellaren Raum nachwiesen.
Kohlenmonoxid (CO): das zweithäufigste Molekül in Molekülwolken; Radioastronomen nutzen es, um die unsichtbaren Wolken aus molekularem Wasserstoff zu kartieren.
Wasser (H₂O): reichlich vorhanden in interstellaren Eiskörnern, Kometen und Scheiben um junge Sterne. Ein Teil des Wassers der Erde stammt vielleicht von Asteroiden.
Ammoniak (NH₃): 1968 nachgewiesen, das erste mehratomige Molekül, das im interstellaren Raum gefunden wurde.
Methan (CH₄): Auf dem Titan gibt es Seen und Regen aus Methan.
Silikatstaub (SiO₄): der Hauptbestandteil des interstellaren Staubs, der sich später zu Gesteinsplaneten zusammenballte.
Blausäure (HCN): hochgiftig, aber möglicherweise ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Nukleobasen und Aminosäuren, als das Leben begann.
Formaldehyd (H₂CO): das erste interstellare organische mehratomige Molekül, 1969 nachgewiesen.
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK): unter den häufigsten großen Molekülen im interstellaren Raum, die vermutlich einen guten Teil des Kohlenstoffs im Kosmos binden.
Fullerene (C₆₀): 2010 in einem Planetarischen Nebel gefunden und unter den größten bekannten interstellaren Molekülen.
Glykolaldehyd (C₂H₄O₂): eines der einfachsten Zuckermoleküle, gefunden in einer Gaswolke nahe dem Zentrum der Milchstraße.
Olivin ((Mg,Fe)₂SiO₄): das Hauptmineral des oberen Erdmantels; seine Kristalle finden sich auch im Kometenstaub.
Pyroxen ((Mg,Ca)SiO₃): ein häufiges Mineral in Basalt und Mondgestein.
Magnetit (Fe₃O₄): das stärkste natürliche magnetische Mineral; auch manche Bakterien und Zugvögel tragen Mikrokristalle davon in sich.
Quarz (SiO₂): das Leitmineral der kontinentalen Kruste und der Hauptbestandteil von Sand.
Feldspat (KAlSi₃O₈): die häufigste Mineralgruppe in der Erdkruste.
Zirkon (ZrSiO₄): äußerst widerstandsfähig. Zirkone aus Australien zeigen, dass es auf der Erde schon vor 4,4 Milliarden Jahren flüssiges Wasser gegeben haben könnte.
Diamant (C): Kohlenstoffatome, dicht in einem Tetraedermuster gepackt, die härteste natürliche Substanz. Manche Meteoriten bergen Nanodiamanten, die älter sind als das Sonnensystem.
Tonminerale (Al₂Si₂O₅(OH)₄): Tonoberflächen halfen möglicherweise frühen RNA-Bruchstücken, sich aufzureihen und zu verbinden.
Kalzit (CaCO₃): ein Bestandteil von Kalkstein und vielen Muschelschalen; die Augen der Trilobiten waren Kalzitkristalle.
Apatit (Ca₅(PO₄)₃): der wichtigste anorganische Bestandteil von Zahnschmelz und Knochen.
Pyrit (FeS₂): „Katzengold“ genannt. Eine Hypothese zum Ursprung des Lebens besagt, die ersten Stoffwechselreaktionen hätten auf Eisensulfidoberflächen stattgefunden.
Glycin (C₂H₅NO₂): die einfachste Aminosäure; Rosetta wies sie auch auf dem Kometen 67P nach.
Adenin (C₅H₅N₅): eine der Nukleobasen von DNA und RNA; es kann aus 5 Molekülen Blausäure aufgebaut werden.
Ribose (C₅H₁₀O₅): das Zuckergerüst der RNA; sie kann entstehen, wenn Formaldehyd auf Mineraloberflächen polymerisiert.
Nukleotide (NMP): die Grundeinheit der Nukleinsäuren: eine Base, eine Ribose und ein Phosphat, miteinander verbunden.
Fettsäuren (RCOOH): In Wasser gegeben, bilden sie von selbst doppelschichtige Vesikel, die vielleicht die ersten Zellmembranen waren.
RNA: ein Molekül, das Information speichern und Reaktionen katalysieren kann, der Star der RNA-Welt-Hypothese.
ATP: die Energiewährung der Zelle. Die Gesamtmenge ATP, die ein menschlicher Körper pro Tag herstellt und abbaut, entspricht fast seinem eigenen Körpergewicht.
DNA: ein Erbmolekül, stabiler als RNA; alle zellulären Lebewesen speichern darin ihre Gene.
Chlorophyll (C₅₅H₇₂MgN₄O₅): absorbiert rotes und blaues Licht und reflektiert grünes, mit einem einzelnen Magnesiumatom in der Mitte.
Hämoglobin (Hb): trägt Sauerstoff an Eisenatomen, was das Blut rot macht.
Formamid (HCONH₂): Wird Formamid über Mineralkatalysatoren erhitzt, können alle vier Nukleobasen und Vorstufen vieler Aminosäuren auf einmal entstehen.
Harnstoff (CO(NH₂)₂): 1828 synthetisierte Wöhler Harnstoff aus anorganischem Material, der erste Beweis dafür, dass organische Verbindungen nicht von Lebewesen stammen müssen.
Alanin (Ala): eine der Aminosäuren mit der höchsten Ausbeute im Miller-Urey-Experiment von 1953; sie findet sich auch im Murchison-Meteoriten.
Asparaginsäure (Asp): sowohl im Miller-Urey-Experiment als auch in Meteoriten gefunden; sie ist außerdem der Ausgangspunkt für die Herstellung vieler anderer Aminosäuren.
Serin (Ser): Der Name kommt von Seide (lateinisch „sericum“); es wurde erstmals aus Sericin, einem Seidenprotein, isoliert.
Glutaminsäure (Glu): Der Hauptbestandteil von Glutamat als Geschmacksverstärker ist Natriumglutamat, das dem Essen den „Umami“-Geschmack gibt.
Valin (Val): Sichelzellanämie entsteht dadurch, dass im Hämoglobin eine Glutaminsäure durch Valin ersetzt ist.
Guanin (G): zuerst aus Vogelkot (Guano) isoliert, woher sein Name kommt.
Cytosin (C): bildet mit Guanin drei Wasserstoffbrücken, die stärkste der Basenpaarungen.
Uracil (U): eine Base, die es nur in der RNA gibt. Cytosin wird zu Uracil, wenn es eine Aminogruppe verliert; Uracil wurde auch im Murchison-Meteoriten nachgewiesen.
Leucin (Leu): eine der häufigsten Aminosäuren in Proteinen; der menschliche Körper kann sie nicht selbst herstellen.
Isoleucin (Ile): hat genau dieselben Atome wie Leucin, nur anders angeordnet; die beiden sind Isomere.
Prolin (Pro): Seine Seitenkette schlingt sich zur Hauptkette zurück und wirkt wie ein „Knick“ in der Proteinkette; Kollagen ist besonders reich daran.
Threonin (Thr): erst 1935 entdeckt, die letzte der 20 Standard-Aminosäuren, die gefunden wurde.
Homochiralität (L / D): Das Leben nutzt nur linkshändige Aminosäuren und rechtshändige Zucker. Der Murchison-Meteorit hat etwas mehr linkshändige Aminosäuren, was darauf hindeutet, dass diese Vorliebe aus dem All stammen könnte.
Phospholipide (PL): Ein Ende liebt Wasser, das andere meidet es, sodass sie sich von selbst zu Doppelschichten anordnen. Jede heutige Zellmembran besteht aus ihnen.
Eisen-Schwefel-Cluster (Fe–S): unter den ältesten Cofaktoren von Proteinen; ihre Struktur ähnelt stark den Eisensulfid-Mineralen heißer Quellen, was die Hypothese stützt, dass das Leben an hydrothermalen Quellen der Tiefsee begann.
Ribozym (RNA*): RNA mit katalytischer Fähigkeit. Cech und Altman erhielten 1989 für ihre Entdeckung den Nobelpreis für Chemie.
Peptid (Gly-Ala): eine kurze Kette aus Aminosäuren, die unter Wasserabspaltung verbunden sind. Wiederholtes Befeuchten und Austrocknen am Rand eines heißen Quelltopfs kann Aminosäuren von selbst verknüpfen.
tRNA: eine kleine kleeblattförmige RNA, die an einem Ende ein Codon erkennt und am anderen eine Aminosäure trägt, der „Übersetzer“ des genetischen Codes.
NAD⁺: ein Coenzym, das Elektronen trägt und ein vollständiges Nukleotid im Molekül hat; möglicherweise ein Überbleibsel der RNA-Welt.
Coenzym A (CoA): eine zentrale Schaltstelle des Stoffwechsels, die sowohl der Fettsäurestoffwechsel als auch der Citratzyklus brauchen.
Cystein (Cys): eine schwefelhaltige Aminosäure; zwei Cysteine können eine Disulfidbrücke bilden. Dauerwellen bedeuten, diese Bindungen zu lösen und neu zu knüpfen.
Methionin (Met): die erste Aminosäure fast jedes Proteins; dafür kodiert das Startcodon AUG.
Histidin (His): ein häufiger „Träger“ in den aktiven Zentren von Enzymen, der Protonen aufnehmen und abgeben kann.
Lysin (Lys): eine essenzielle Aminosäure, die in Getreidekörnern knapp ist, sodass man bei einer Ernährung nur von Getreide leicht einen Mangel bekommt.
Arginin (Arg): Der Körper stellt daraus Stickstoffmonoxid her, das die Blutgefäße entspannen hilft.
Asparagin (Asn): 1806 aus Spargelsaft isoliert, die erste jemals entdeckte Aminosäure.
Glutamin (Gln): die häufigste Aminosäure im Blut, die Immunzellen und Darmzellen mit Energie versorgt.
Ribosom (rRNA): die molekulare Maschine, die Boten-RNA in Protein übersetzt. Der Katalysator ist RNA, nicht Protein, daher gilt sie als lebendes Fossil der RNA-Welt.
Genetischer Code (64 → 20): 64 Codons aus je drei Buchstaben stehen für 20 Aminosäuren plus Stoppsignale, und fast alle Organismen teilen denselben Code.
Protein: Die Struktur eines Proteins aus seiner Sequenz vorherzusagen, war ein halbes Jahrhundert lang ein Problem, und 2020 hat AlphaFold es im Wesentlichen gelöst.
Phenylalanin (Phe): 1961 stellte Nirenberg mit einer RNA, die nur U enthielt, eine Kette aus Phenylalanin her und knackte damit das erste Codon, UUU.
Tyrosin (Tyr): zuerst aus Käse isoliert, und sein Name kommt vom griechischen Wort für „Käse“.
Tryptophan (Trp): die größte der Standard-Aminosäuren; der Körper stellt daraus Serotonin und Melatonin her.
Thymin (T): Uracil plus eine Methylgruppe. Die DNA verwendet es anstelle von Uracil, wodurch Fehler durch die Desaminierung von Cytosin leichter zu erkennen und zu reparieren sind.
Desoxyribose (C₅H₁₀O₄): hat ein Sauerstoffatom weniger als Ribose, was die DNA viel stabiler macht als die RNA.
Enzyme (E): biologische Katalysatoren. Manche Reaktionen würden ohne Enzym Dutzende Millionen Jahre dauern und mit Enzym nur Millisekunden.
Glucose (C₆H₁₂O₆): das Produkt der Photosynthese. Das menschliche Gehirn verbraucht etwa 120 g Glucose pro Tag.
Cellulose ((C₆H₁₀O₅)ₙ): die häufigste organische Verbindung der Erde, aufgebaut aus verketteter Glucose. Rinder und Schafe brauchen Mikroben im Magen, um sie zu verdauen.
Kollagen (Col): das häufigste Protein bei Tieren, das Zellen zu Gewebe verklebt. Ohne es wäre der Aufstieg vielzelliger Tiere vielleicht nicht möglich gewesen.
Chitin ((C₈H₁₃NO₅)ₙ): der Hauptbestandteil der Außenskelette von Gliederfüßern und der Zellwände von Pilzen, das zweithäufigste Polysaccharid in der Natur.
Lignin: macht Pflanzenstängel steif, sodass sie hoch wachsen können. Die riesigen Kohlelagerstätten des Karbons hängen vielleicht damit zusammen, dass die Pilze jener Zeit es noch nicht gut abbauen konnten.