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In der am galaktischen Zentrum liegenden Molekülwolke G+0.693−0.027 haben Forschende erstmals auch einen Zucker nachgewiesen. · Foto: © Ashley Barnes/ Izaskun Jiménez-Serra/ Juan García de la Concepción
Zucker im All: Astronomen haben erstmals den Einfachzucker Erythrulose in einer galaktischen Molekülwolke entdeckt. Es ist der erste Nachweis eines Zuckers im interstellaren Raum – und damit eines weiteren essenziellen Lebensbausteins. Dies stützt die Annahme, dass die ersten Zellen auf der Urerde zumindest einen Teil ihrer Zuckermoleküle aus dem Weltraum erhielten. Zucker sind essenzielle Bausteine der DNA, RNA und des Zellstoffwechsels.
Zucker sind Schlüsselmoleküle des Lebens: Sie bilden das Grundgerüst von RNA und DNA, liefern Energie und sind wichtige Akteure in zellulären Stoffwechselprozessen. Doch woher bekamen die ersten irdischen Zellen diese Lebensbausteine? Laborexperimente haben gezeigt, dass solche Monosaccharide unter den Bedingungen der Urerde nur in sehr geringen Konzentrationen entstehen – zu wenig, um die Bildung der ersten Erbgutmoleküle und Zellen zu erklären.
Kamen die ersten Zucker aus dem All?
Doch woher kamen die ersten Zucker dann? Einen Hinweis darauf liefern Proben von Meteoriten und von Asteroiden wie Bennu: In ihnen haben Forschende bioessenzielle Zucker wie Ribose und Glucose nachgewiesen. „Das legt nahe, dass zumindest ein Teil des Zuckers auf der frühen Erde einen externen Ursprung hatte“, erklären Izaskun Jiménez-Serra vom Zentrum für Astrobiologie des spanischen Forschungsrats CSIC und ihre Kollegen.
Der Theorie nach könnten einfache Monosaccharide demnach schon im interstellaren Medium und im Material der solaren Urwolke enthalten gewesen sein. Als sich dann das Sonnensystem und die ersten Asteroiden, Kometen und Planetenbausteine bildeten, waren diese Zucker schon in ihnen präsent. Allerdings: Astronomen haben zwar schon verschiedenste organische Moleküle und Lebensbausteine im interstellaren Medium nachgewiesen, Zucker waren jedoch nicht dabei.
Im Material des Asteroids Bennu haben Astronomen verschiedene organische Moleküle nachgewiesen, darunter auch Zucker. — © NASA/Goddard Space Flight Center; University of Arizona
Ein Zucker aus vier Kohlenstoffatomen
Doch jetzt hat das Team um Jiménez-Serra erstmals auch ein Monosaccharid im interstellaren Raum detektiert – den Einfachzucker Erythrulose. Dieser zu den Ketosen gehörende Zucker besteht aus einer Kette von vier Kohlenstoffatomen mit einem doppelt gebundenen Sauerstoff am zweiten Kohlenstoffatom. Entdeckt haben ihn die Forschenden in der rund 26.000 Lichtjahre von uns entfernten, nahe am Milchstraßenzentrum liegenden Molekülwolke G+0.693−0.027. „Diese Wolke ist eines der reichhaltigsten Molekülreservoire, das wir in unserer Galaxie kennen“, erklären die Forschenden.
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Für ihre Studie hatte das Team diese Molekülwolke mit dem 40-Meter-Radioteleskop des Yebes-Observatoriums und dem 30-Meter-Radiotelekop des Instituts für Radioastronomie (IRAM) in Spanien untersucht. Die Teleskopkombination ermöglichte es ihnen, ein hochaufgelöstes und gleichzeitig sehr breitbandiges Radiospektrum dieser interstellaren Wolke zu erstellen.
Größtes nichtzyklisches Molekül im interstellaren Medium
In diesen spektroskopischen Analysen identifizierten Jiménez-Serra und seine Kollegen zwölf Spektrallinien des Zuckermoleküls Erythrulose. „Dies ist der erste Nachweis eines Zuckers im interstellaren Medium und das bisher größte nichtzyklische Molekül“, berichten sie. Außerdem ist die Erythrulose erst das zweite chirale Molekül im interstellaren Medium – je nach Ausrichtung des doppelt gebundenen Sauerstoffatoms kommt dieser Zucker in zwei spiegelbildlichen Varianten vor.
Erythrulose ist ein aus vier Kohlenstoffatomen aufgebauter Einfachzucker. Das Molekül ist chiral: Der Zucker kommt in zwei spiegelbildlichen Varianten vor. — © gemeinfrei
„Diese Entdeckung liefert uns nicht nur den direkten Beweis dafür, dass sich komplexe, chirale Chemikalien unter interstellaren Bedingungen bilden können. Die Erythrulose bringt uns auch auf eine höhere Stufe in der Leiter der interstellaren chemischen Komplexität“, schreiben die Astrobiologen. Der Nachweis dieses Monosaccharids stützt die Annahme, dass solche Zucker schon im Material der solaren Urwolke vorkamen und so auch auf die Himmelskörper des Sonnensystems gelangten.
Einschläge brachten bis zu 50 Milliarden Tonnen Zucker auf die Erde
Ausgehend von den Konzentrationen der Erythrulose in der Molekülwolke errechneten die Forschenden: Sollte die solare Urwolke ähnlich viel von diesem Zucker enthalten haben, dann könnten allein durch die Meteoriteneinschläge während des „Late Heavy Bombardement“ vor 4,1 bis 3,9 Milliarden Jahren rund 0,5 bis 50 Milliarden Tonnen Erythrulose auf die Erde gelangt sein. Auch dies bestätigt, dass die Urerde essenzielle Lebensbausteine aus dem Weltall erhalten haben könnte.
Nach Ansicht von Jiménez-Serra und seinem Team bestätigen diese Ergebnisse, dass kühle Molekülwolken nicht nur die Geburtsstätten neuer Sterne und Planetensysteme sind – sie liefern auch wichtige chemische Lebensbausteine. „Der Nachweis der Erythrulose ist deshalb spannend, weil nun auch die Chance für die Entdeckung weiterer Zucker im Weltall steigt, darunter die Ribose, die Teil der DNA ist, oder anderer wichtiger Lebensmoleküle“, erklärt Co-Autor Carlos Briones vom spanischen Zentrum für Astrobiologie.
Anders gebildet als gedacht
Doch wie konnte die Erythrulose im interstellaren Raum entstehen? Auch darauf lieferten die Spektraldaten erste Hinweise – und eine Überraschung. Denn gängiger Annahme nach entstehen Zucker aus vier Kohlenstoffatomen aus Vorgängern mit drei Kohlenstoffatomen (C3-Zucker) – das Grundgerüst dieser Zuckerketten verlängert sich einfach um ein weiteres Kohlenstoffatom. Doch in der Molekülwolke G+0.693−0.027 fehlten solche C3-Zucker.
„Dieses Ergebnis hatten wir nicht erwartet, denn es passt nicht zur vorherrschenden Annahme der Astrochemie“, erklärt Jiménez-Serra. Dafür zeigten sich in den Spektraldaten jedoch andere mögliche Vorläufermoleküle: Die C2-Verbindungen Glycolaldehyd und Ethylenglykol. „Diese kamen 1,1-fach und 2,7-fach häufiger vor als Erythrulose“, berichten die Forschenden. Ein astrochemisches Modell bestätigte, dass das Aldehyd und der zweiwertige Alkohol in den Eiskörnchen des interstellaren Raums zum C4-Zucker Erythrulose reagieren können.
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