Wie sich Harnstoff auch spontan bilden kann

Harnstoff zählt zu den wichtigsten Industriechemikalien der Welt und spielt auch in unserem Körper eine bedeutende Rolle. Er entsteht durch die Reaktion von Kohlendioxid und Ammoniak. Üblicherweise sind dazu aber entweder hoher Druck und hohe Temperaturen erforderlich, oder geeignete Katalysatoren. Doch nun zeigt eine Studie, dass sich Harnstoff an Grenzflächen zwischen Wasser und Luft auch spontan bilden kann. Die Erkenntnis eröffnet nicht nur potenzielle neue Synthesemöglichkeiten, sondern liefert auch eine Erklärung dafür, wie Harnstoff an der Entstehung des Lebens beteiligt gewesen sein könnte.

In unserem Körper ist Harnstoff ein Abfallprodukt, das beim Abbau von Aminosäuren entsteht und über die Niere ausgeschieden wird. In der Industrie dagegen ist die Substanz ein begehrter Rohstoff: Harnstoff ist der weltweit bedeutendste Stickstoffdünger und dient außerdem als Grundstoff für die Herstellung von Kunstharzen und Sprengstoff sowie als Treibstoffzusatz zur Reinigung von Autoabgasen. Während die Synthese in unserem Körper mit Hilfe von Enzymen abläuft, sind in der industriellen Herstellung üblicherweise ein hoher Druck sowie Temperaturen oberhalb von 170 Grad Celsius erforderlich, um Ammoniak (NH₃) und Kohlendioxid (CO₂) zu Harnstoff (NH₂CONH₂) reagieren zu lassen.

Reaktionsraum im Inneren von Wassertröpfchen

„Der hohe Energieverbrauch und die harschen Bedingungen dieses Prozesses haben die Suche nach alternativen katalytischen Verfahren für die Harnstoffbildung veranlasst“, erklärt ein Team um Mercede Mohajer Azizbaig von der ETH Zürich in der Schweiz. „Wir haben einen bisher unbekannten Weg gefunden, wie sich Harnstoff spontan unter Umweltbedingungen und ohne zugesetzte Katalysatoren bildet: in kleinen NH₃-haltigen Wassertröpfchen, in deren Umgebung sich gasförmiges CO₂ befindet.“

Wie die Forschenden feststellten, herrschen an der Grenzfläche solcher Tröpfchen zwischen Wasser und Luft ganz besondere Reaktionsbedingungen. „Die Oberflächenschicht wirkt wie ein mikroskopischer Strömungsreaktor, wobei chemische Gradienten den Zugang zu unkonventionellen Reaktionswegen ermöglichen“, berichtet das Team. So sorgt ein pH-Gefälle zwischen dem Inneren und dem äußeren des Wassertropfens für ausreichend saure Reaktionsbedingungen, damit im Wasser gelöster Ammoniak mit dem CO₂ aus der Luft reagieren kann. Gleichzeitig besteht ein Konzentrationsgefälle, das das chemische Gleichgewicht der Reaktion in Richtung des Harnstoffs verschiebt.

Prozesse auf der frühen Erde

Für ihre Versuche nutzten die Chemiker winzige Wassertröpfchen mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern, also einer sehr großen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen. In der Natur finden sich solche Mikrotropfen beispielsweise in der Meeresgischt oder feinem Nebel. Mit Hilfe spektroskopischer Aufnahmen wiesen Mohajer Azizbaig und ihre Kollegen nach, dass sich in den Tröpfchen tatsächlich spontan Harnstoff bildet. Ihre experimentellen Beobachtungen untermauerten sie zusätzlich mit theoretischen Berechnungen, die zeigten, dass die Reaktion wirklich ohne externe Energiezufuhr auskommt.

Geeignete Bedingungen für diese Reaktion könnten aus Sicht der Forschenden bereits auf der jungen Erde geherrscht haben. Schon länger galt Harnstoff als eine mögliche Grundsubstanz, aus der sich chemische Bausteine des Lebens wie RNA und DNA sowie Aminosäuren gebildet haben könnten. Unklar war allerdings bisher, inwieweit Harnstoff unter den damaligen Bedingungen hätte entstehen können. „In unserer Studie zeigen wir einen Weg, wo und wie Harnstoff auf der präbiotischen Erde entstanden sein könnte, nämlich dort, wo Wassermoleküle mit atmosphärischen Gasen wechselwirken: an der Wasseroberfläche“, sagt Mohajer Azizbaigs Kollegin Ruth Signorell. „Unsere Studie zeigt, wie scheinbar banale Grenzflächen zu dynamischen Reaktionsräumen werden – ein Hinweis, dass der Ursprung biologischer Moleküle gewöhnlicher sein könnte, als lange vermutet.“

Quelle: Mercede Mohajer Azizbaig (ETH Zürich, Schweiz) et al., Science, doi: 10.1126/science.adv2362

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© wissenschaft.de – Elena Bernard