Wie seltsam kann Leben werden? Das fragen sich Astrobiologen. Nun gelang es ihnen, Bakterien zu züchten, die mit (dem für uns giftigen) Arsen statt mit Phosphor leben.
Arsen, das chemische Element der Ordnungszahl 33, ist als Gift verschrien, nicht nur in Kombination mit Spitzenhäubchen. Tatsächlich sind seine Verbindungen hochgradig toxisch. In Bangladesch leiden Millionen an chronischen Vergiftungen durch Arsen im Trinkwasser, im Ersten Weltkrieg wurden Arsenverbindungen in chemischen Kampfstoffen eingesetzt.
Nur in sehr kleinen Dosen wirken Arsenverbindungen als Stimulans. So putschen Rosstäuscher mit Arsenik (As2O3) müde Pferde auf, und in den US-Südstaaten, aber auch im Alpenraum wurde es lange von „Arsenikessern“ als Droge verwendet, in Tirol etwa unter dem Namen „Hüttrauch“. Dort soll es, siehe Helmut Qualtingers „Ahndlvertilgung“, aber auch mörderischen Zwecken gedient haben.
Dem Phosphor chemisch ähnlich
Ein guter Teil der giftigen Wirkung des Arsens beruht wohl darauf, dass es im Periodensystem der Elemente direkt unter dem Phosphor steht. Es hat also ähnliche chemische Eigenschaften, tendiert nur ein bisschen mehr zum Metallischen. Wie Phosphor hat es fünf Elektronen in der äußersten Schale; wie dieser bildet es Sauerstoffverbindungen, in denen es fünfwertig ist. Das Pendant zum Phosphat (PO43–) etwa ist das Arsenat (AsPO42–). Etliche Stoffwechselprozesse können nicht zwischen den beiden unterscheiden; so wird Arsen statt Phosphor in Biomoleküle eingebaut, mit meist fatalen Folgen.
Leben mit anderen Elementen?
Ist Leben vorstellbar, das konsequent Arsen statt Phosphor verwendet? In dem z.B. in der DNA kein Phosphat, sondern Arsenat steckt? Ein wilder Gedanke, auf den Leute kommen, die sich professionell überlegen, wie Leben „anderswo“, also etwa auf fernen Planeten, aussehen könnte. Ob die „kanonischen Elemente“ des (irdischen) Lebens – Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel – wirklich überall und immer unersetzlich sind.
Solche Leute arbeiten für das „Astrobiology Institute“ der Nasa; zu ihnen zählt Felisa Wolfe-Simon. Sie hat bereits 2009 im International Journal of Astrobiology einen entsprechenden Artikel publiziert, mit dem Titel: „Did nature also choose arsenic?“
„Seltsames Leben“ auf der Erde?
Da die Chemie auf fernen Planeten bis auf Weiteres kaum erforschbar ist, interessieren sich Astrobiologen für außergewöhnliche Organismen, die zwar auf der Erde, aber in ganz speziellen, für unsere Begriffe „extremen“ Biotopen gedeihen. Von „weird life“ sprechen sie, und von einer „shadow biosphere“. Eine solche sucht (und findet) man meist in höllischen Gegenden, etwa unterirdischen Vulkanen, wo sich Archaebakterien von Schwefel ernähren.
Wolfe-Simon und ihre Kollegen wurden in einer viel helleren, geradezu idyllischen Landschaft fündig: an einem kalifornischen See namens Mono Lake, der sehr salzhaltig und alkalisch ist und auch viel Arsen enthält, vorzüglich in Form von Arsenat. Ihre Arbeitshypothese: Bakterien, die dort leben, müssen viel Arsen vertragen. Vielleicht kann man sie darauf hin züchten, dass sie noch mehr vertragen? Dass sie ihr Phosphor ganz durch Arsen ersetzen?
So nahmen die Astrobiologen Proben aus dem Schlamm am Boden des Sees und zogen Kulturen von Bakterien daraus. Diese Bakterien (für Kenner: Halomonadaceae) verpflanzten sie dann schrittweise in Nährböden, die immer reicher an Arsen und ärmer an Phosphor wurden. „Ich habe bei jedem Schritt den Atem angehalten“, erzählt Wolfe-Simon. Es funktionierte. Die Bakterien überlebten und wuchsen nicht nur, sondern bauten das Arsen in ihre Biomoleküle ein.
Arsenylierte Aminosäuren
Das wiesen die Forscher durch radioaktive Markierung nach. Die Aminosäuren, die normalerweise phosporyliert werden (Serin, Tyrosin, Threonin), waren in den gezüchteten Stämmen teilweise arsenyliert. Und auch in der DNA des Bakteriums hatte Arsen teils den Platz des Phosphors eingenommen (Science, 330, S.1302). Offenbar ist dem Bakterium „egal“, ob es Arsen oder Phosphor bekommt.
„Unser Fund zeigt, dass das Leben viel flexibler ist, als wir uns normalerweise vorstellen können“, sagt Wolfe-Simon. „Wenn es schon auf der Erde etwas so Unerwartetes tun kann – was kann das Leben noch, was wir bisher noch nicht gesehen haben?“
Arsen in der Kunst
Als „Königsgelb“ diente Arsensulfid (As2S3) holländischen Malern des 17.Jahrhunderts. Leider macht es die Bilder bröckelig, da es sich mit der Zeit in As2O3 verwandelt. Kupferarsenate wurden dem „Pariser Grün“ zugesetzt, mit dem Tapeten bedruckt wurden. Napoleon soll unter einer Vergiftung durch aus den Tapeten freigesetztes Arsen gelitten haben.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 03.12.2010)