Wie sich Harnstoff spontan bildet

Harnstoff z?hlt zu den wichtigsten industriell produzierten Chemikalien weltweit ¨C als D¨¹ngemittel, Grundstoff f¨¹r Kunstharze und Sprengstoff oder als Treibstoffzusatz zur Reinigung von Autoabgasen. Harnstoff  gilt aber auch als m?glicher Schl¨¹sselbaustein f¨¹r die Bildung von Biomolek¨¹len wie RNA und DNA im Zusammenhang mit dem Ursprung des Lebens (siehe ETH-News vom 28.06.2023). Wie allerdings Harnstoff selbst auf der fr¨¹hen Erde entstanden ist, war bis anhin nicht abschliessend gekl?rt.

Nun hat ein Forschungsteam um Ruth Signorell, Professorin f¨¹r Physikalische Chemie an der ETH Z¨¹rich, einen bisher unbekannten Reaktionsweg f¨¹r die Bildung von Harnstoff entdeckt, der diese L¨¹cke schliessen k?nnte. Die externe Seite Studie ist soeben im Fachmagazin Science erschienen.

Chemie an der Wasseroberfl?che

Um Harnstoff industriell aus Ammoniak (NH?) und Kohlendioxid (CO?) herzustellen, braucht es entweder hohe Drucke und Temperaturen oder chemische Katalysatoren. Bei Menschen und Tieren erm?glichen Enzyme dieselbe Reaktion, um giftigen Ammoniak aus dem Abbau von Proteinen als Harnstoff auszuscheiden. Weil dieses einfache Molek¨¹l neben Kohlenstoff auch Stickstoff enth?lt und wahrscheinlich schon fr¨¹h auf der noch unbelebten Erde vorkam, sehen viele Forschende Harnstoff als m?glichen Vorl?ufer f¨¹r komplexe Biomolek¨¹le.

?In unserer Studie zeigen wir einen Weg, wo und wie Harnstoff auf der pr?biotischen Erde entstanden sein k?nnte?, sagt Signorell ¨C ?n?mlich dort, wo Wassermolek¨¹le mit atmosph?rischen Gasen wechselwirken: an der Wasseroberfl?che?.

Reaktor am Rand des Tr?pfchens

Dazu untersuchte Signorells Team feinste Wassertr?pfchen, wie man sie etwa in Meeresgischt oder feinem Nebel finden kann. Die Forschenden beobachteten, dass sich Harnstoff unter Umgebungsbedingungen spontan aus Kohlenstoffdioxid (CO?) und Ammoniak (NH?) in der Oberfl?chenschicht der Wassertr?pfchen bilden kann. Die physikalische Grenze zwischen Luft und Fl¨¹ssigkeit sorgt an der Wasseroberfl?che f¨¹r ein spezielles chemisches Milieu, das die spontane Reaktion ¨¹berhaupt erst erm?glicht.

Da ein Tropfen im Verh?ltnis zu seinem Volumen eine sehr grosse Oberfl?che besitzt, laufen chemische Reaktionen vor allem in der N?he dieser Oberfl?che ab. In diesem Bereich bilden sich chemische Konzentrationsgef?lle, die wie ein mikroskopischer Reaktor wirken. Konkret schafft der pH-Gradient an der Grenzschicht der Wassertr?pfchen die notwendige saure Umgebung, die unkonventionelle Reaktionswege beg¨¹nstigt, welche sonst in Fl¨¹ssigkeiten nicht stattfinden.

?Der bemerkenswerte Aspekt dieser Reaktion ist, dass sie unter Umgebungsbedingungen abl?uft ¨C ohne zugesetzte Energie?, erkl?rt Mercede Mohajer Azizbaig, eine der beiden Erstautor:innen. Dies macht den Prozess nicht nur aus technischer Perspektive interessant, sondern liefert auch wertvolle Hinweise auf Vorg?nge, die f¨¹r die Evolution bedeutend sein k?nnten.

Ein Fenster zur Fr¨¹hzeit der Erde

Zum Ursprung des Lebens wird aktuell viel und breit geforscht, wobei unterschiedliche Ans?tze im Fokus stehen. Erstautor Pallab Basuri f¨¹hrt aus: ?Bei einem so umstrittenen Forschungsfeld war f¨¹r uns wichtig, die Beobachtungen zus?tzlich zu untermauern.? Theoretische Berechnungen der Mitautoren Evangelos Miliordos und Andrei Evdokimov von der Universit?t Auburn st¨¹tzten die experimentellen Befunde und best?tigten, dass die Harnstoffreaktion auf den Tr?pfchen ganz ohne externe Energiezufuhr abl?uft.

Die Ergebnisse legen nahe, dass dieser nat¨¹rliche Reaktionsweg auch in der Atmosph?re der fr¨¹hen Erde m?glich gewesen sein k?nnte ¨C einer Atmosph?re, die reich an CO? war und vermutlich geringe Spuren von Ammoniak enthielt. In solchen Umgebungen k?nnten w?ssrige Aerosole oder Nebeltr?pfchen als nat¨¹rliche Reaktoren gewirkt haben, in denen sich Vorl?ufermolek¨¹le wie etwa Harnstoff bildeten. ?Unsere Studie zeigt, wie scheinbar banale Grenzfl?chen zu dynamischen Reaktionsr?umen werden ¨C ein Hinweis, dass der Ursprung biologischer Molek¨¹le gew?hnlicher sein k?nnte, als lange vermutet?, sagt Signorell.

Die direkte Reaktion von CO? und Ammoniak unter Umgebungsbedingungen k?nnte langfristig auch Potential zur klimafreundlichen Produktion von Harnstoff und Folgeprodukten haben.