Warum es mit Silizium nicht klappt

Immer wieder findet man in Science Fiction Romanen die Spekulation über Leben auf nicht Kohlenstoff-Basis, meistens auf der Basis von Silizium. Üblicherweise sind das meist Invasoren gegen die alle irdischen Waffen wirkungslos sind. Schöne Spekulation, aber wie sieht es mit der Wirklichkeit aus?

Nun es gibt wie schon in früheren Blogs erläutert gibt es zwei Typen von chemischen Bindungen: Die Ionenbindung und die Kovalente Bindung. Die Ionenbindung liegt vor wenn ein Reaktionspartner eines oder mehrere Elektronen verliert und positiv aufgeladen ist und ein anderer Elektronen aufnimmt und negativ geladen ist. Ionenbindungen ergeben Kristallstrukturen. Sie eignen sich nicht für viele Dinge die biologische Moleküle können müssen, wie Elastizität, sie leiten den Strom und sind daher schlecht geeignet um daraus ein Gehirn aufzubauen. Es sind nur sehr exotische Lösungsmittel denkbar in denen sie sich nicht auflösen oder wenn nicht, so sind sie überhaupt nicht löslich. Aus Ionenbindungen kann man starre Skelettstrukturen erstellen, aber keinen Organismus (das Gestein besteht aus mit Ionenbindung verbundenen Atomen).

Die Metallbindung hat freie Elektronen und wäre vielleicht ideal für Nervenstränge. Aber für sonst nichts. Die Metallbindung ist zudem nur zwischen Metallen möglich, was die Anzahl der möglichen Elemente doch stark einschränkt und viele Metalle reagieren schon bei niederen Temperaturen mit zahlreichen Nichtmetallen, sind also nicht über längere Zeit alleine stabil, darunter auch das so verbreitete Eisen (die Reaktionsprodukte nennt man hierzulande Rost).

Bleibt die kovalente Bindung, die in allen Biomolekülen vorliegt, auch wenn als zusätzliche Komponenten gerne auch ionogene Elemente eine Rolle spielen, so ist das Eisen im Hämoglobin für den Sauerstofftransport notwendig. Genauso ist das Magnesiumatom im Chlorophyll im aktiven Zentrum für die Photosynthese und viele Enzyme haben Metallionen als Coenzyme.

Trotzdem gibt es zahlreiche Elemente die kovalente Bindungen aufbauen. Warum stützt sich das Leben auf Kohlenstoff? Nun ein wichtiger Grund ist, dass Kohlenstoff vier Bindungen ausbilden kann. Im Periodensystem nimmt die Anzahl der möglichen Bindungen von 1 bis 7 bei den Hauptgruppenelementen zu (die Nebengruppenelemente gehen nur Ionen- oder Metallbindungen ein). Allerdings gehen die meisten Elemente die mehr als 4 Bindungen zur Verfügung stellen diese nur mit elektronegativeren Elementen ein. So ist der Stickstoff im Ammoniak dreiwertig und im Nitrat fünfwertig – Wasserstoff hat eine geringere Elektronegativität als Sauerstoff. Das schränkt die Anzahl der Reaktionspartner ein, vor allem Bindungen mit Wasserstoff, dem häufigsten Element i Universum sind so nur begrenzt möglich.

Die Zahl der Bindungen ist aber für dreidimensionale Moleküle wichtig. Mit zwei Bindungen sind Ketten möglich. (Beispiel: Polysulfid). Mit dreien sind zwar dreidimensionale Strukturen möglich, aber nur an der Außenseite stehen Bindungen für Verzweigungen oder Bindungen zu anderen Atomen möglich. Die Zahl der Moleküle ist so begrenzt. Bleiben nur noch die Elemente der vierten Periode. Vier Bindungen erlauben ein dreidimensionales Gerüst (drei Bindungen) und eine Steht für Bindungen zu anderen Atomen oder für die Möglichkeit die Moleküle zu verzweigen zur Verfügung,

In der vierten Periode finden wir die Elemente Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Zinn und Blei. Die letzten beiden sind schon Metalle und bilden nur Metall- oder Ionenbindungen aus. Germanium scheidet aus, weil es ein recht seltenes Element ist. Bleiben Kohlenstoff und Silizium. warum gibt es keine Biomoleküle auf Basis von Silizium.

Nun kommen wir auf das Konzept der Elektronegativität zurück. Sie ist ein Maß dafür wie sehr ein Element Elektronen bindet bzw. nach Bindungen mit anderen Elektronen strebt. Wichtig ist bei Bindungen die Differenz der Elektronegativität zwischen den Partnern. Bei zwei Atomen der gleichen Sorte wie H₂, O₂ oder N₂ ist sie natürlich 0. Es liegt eine reine kovalente Bindung vor. Je höher die Differenz wird, desto stärker zieht er die Elektronen der Bindung zu sich und ab einer bestimmten Grenze spricht man von einer Ionenbindung, das heißt ein Atom hat seine Elektronen verloren und das andere hat sie. (In Wirklichkeit haben auch noch Ionenbindung kovalente Anteil, doch wir wollen es mal nicht zu schwierig machen). Die Grenze die man Angibt ist meist eine Elektronegativitätsdifferenz von 1,8. Die folgende Tabelle informiert über die Elektronegativitäten der wichtigsten Atome in Biomolekülen und die Differenz zu Silizium und Kohlenstoff

Die Differenzen bei Kohlenstoff zu den meisten Bindungen sind geringer als bei Silizium. Das ist schon mal ein Grund der für Kohlenstoff spricht. Die Bindung ist dadurch stabiler. Bei einem hohen ionogenen Anteil ist die Chance groß, dass bei Zufuhr von Energie der elektronegativere Partner ganz die Elektronen zu sich zieht und die Bindung aufbricht. Bei Silizium ist vor allem wichtig der hohe ionogene Anteil der Si-O Bindung. Sie führt dazu dass Silikatgesteine recht stabil und verbreitet sind. Die hohe Affinität zum Sauerstoff hat Folgen: Silane die Siliziumwasserstoffverbindungen sind zwar bekannt und stabil, aber nur unter Luftabschluss. Mit Luftsauerstoff, aber auch Stickstoff reagieren sie sofort, weil die Aktivierungsenergie recht niedrig ist.

Die Aktivierungsenergie ist ein recht wichtiges Konzept in der Chemie. Je stärker eine Bindung ist, desto höher ist sie. Auch wenn man Kohlenwasserstoff recht einfach verbrennen kann – die Aktvierungenergie ist doch recht hoch. Wer mal ein Strichholz in Diesel oder Benzin wirft, sieht es ausgehen – die Aktvieriungsenergie reicht nicht aus um die Flüssigkeit zu entzünden, weil die Wärme schnell abtransportiert wird. Es entzünden sich nur Dämpfe, wo die Moleküle einzeln vorliegen und deren Verbrennung weitere Energie freisetzt. Bei Silanen reicht dagegen schon die die Energie die die Luftmoleküle bei Normaltemperaturen haben aus. (Man sollte nicht vergessen, dass die Verbrennungstemperatur eines Streichholzes schon recht hoch ist – im Körper verlaufen Reaktionen bei 37°C und nicht bei 800-1000°C).

Nun mag einer einwenden, dass so aber doch zumindest in einem Sauerstoff (und stickstofffreien) Milieu Leben auf Basis von Silizium möglich wäre. Nur: Sauerstoff ist überall. Es ist ein häufiges Element. Bei den erdähnlichen Planeten bestehen die Krusten aus Silikatgesteinen, bei den Monden ist es Eis und in den Atmosphären der Riesenplaneten findet man Wasser. Sauerstoff ist eines der stabilen Produkte bei dem Kohlenstoff-zyklus und daher eines der verbreitetesten Elemente im Universum. Es ist schwer denkbar, dass in einem Sonnensystem der Sauerstoff fehlt oder verloren geht, der Wasserstoff, der viel flüchtiger ist aber erhalten bleibt.

Immerhin – wenn die Invasoren aus Silanen aus dem Raumschiff ausstiegen verbrennen sie zu Schlacke – wir müssen uns also nicht fürchten….