Warum besteht das Leben aus Kohlenstoff?

Lebewesen setzen sich aus nur 6 Bausteinen zusammen

Es gibt 118 chemische Elemente im Periodensystem. Von diesen 118 Elementen gehören nur 6 zu den Bausteinen, aus denen sich Lebewesen zusammensetzen: Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor und Schwefel.

Kohlenstoff ist mit Abstand der wichtigste dieser Bausteine. Zwar besteht der menschliche Körper zu etwa 60 Prozent aus Wasser, aber beim eigentlichen organischen Material, bei den Zellen, den Proteinen, der DNA spielen Kohlenstoffverbindungen die Hauptrolle. Sie bilden das Gerüst, das alles zusammenhält.

Kohlenstoff: wandlungsfähigstes chemisches Element

Kohlenstoff ist von allen chemischen Elementen das wandlungsfähigste. Das macht ein Zahlenvergleich deutlich: Die Chemie kennt etwa 200.000 „anorganische“ Verbindungen, also Verbindungen ohne Kohlenstoff. Das klingt zwar viel, ist aber nichts im Vergleich zu 20 Millionen Verbindungen mit Kohlenstoff.

Aus diesem Grund ist die organische Chemie, die sich ausschließlich mit Kohlenstoffverbindungen befasst, ein so riesiges Fachgebiet. Und ständig werden neue solcher Verbindungen synthetisiert.

Warum erzeugt Kohlenstoff eine so große Vielfalt an Stoffen?

Der Grund dafür liegt in der Natur des Kohlenstoffatoms. Es ist nämlich in der Lage, vier Bindungen zu anderen Atomen einzugehen. Das kann Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor oder Schwefel sein – es können aber auch andere Kohlenstoffatome sein; für die gilt dann wieder das Gleiche. Es können Einfach- oder Mehrfachbindungen sein. Auf diese Weise können große dreidimensionale Strukturen entstehen – von sehr einfachen kleinen Molekülen bis zu hochkomplexen Makromolekülen.

All das brauchen wir zum Leben. Diese Vielfalt an Strukturen ist eine wichtige Voraussetzung. Denn damit Leben stattfindet, müssen viele verschiedene Stoffe viele verschiedene Aufgaben erfüllen. Sie müssen stabil sein, damit uns beispielsweise die Erdatmosphäre nicht zersetzt! Zu stabil dürfen sie aber auch nicht sein, denn Stoffe müssen sich trotzdem noch ineinander umwandeln können, damit z.B. aus Fetten und Proteinen, die wir mit der Nahrung aufnehmen, neue Körperzellen entstehen. Kohlenstoffverbindungen erfüllen all diese Voraussetzungen.

Gibt es noch andere Elemente, die diese Bedingungen erfüllen könnten?

Sowohl in der Science-Fiction als auch in der evolutionären Forschung wird oft Silizium genannt. Silizium und Kohlenstoff sind sich tatsächlich sehr ähnlich. Sie gehören im Periodensystem zur selben Gruppe, beide können vier Bindungen eingehen. Der Unterschied: Silizium ist ca. 3,5-mal so groß wie Kohlenstoff. Und das macht in der Welt der kleinsten Teilchen schon eine Menge aus! 

Siliziumverbindungen sind sowohl in Wasser als auch an der Luft instabil. Da reagiert Silizium sofort mit dem Sauerstoff des Wassers oder mit dem Luftsauerstoff. Silizium kann auch keine stabilen Mehrfachbindungen ausbilden, was die Vielfalt möglicher Verbindungen einschränkt. Auf der Erde erscheint es deshalb höchst unwahrscheinlich, dass Leben auf Silizium basiert.

Trotzdem: Es wird fleißig danach gesucht! Die Forschungsgruppe der Nobelpreisträgerin Frances Arnold am California Institute of Technology hat es geschafft, ein Enzym aus einem Bakterium so zu modifizieren, dass es Stoffe mit Silizium-Kohlenstoffbindungen bildet. Da scheint der Schritt zu einem Bakterium, dass das Silizium in seinen Organismus einbaut, nicht mehr so weit.