Wasser – das besondere Molekül

Wasser ist das dritthäufigste Molekül im Universum. Es wurde in rund 12,88 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien nachgewiesen, existierte also schon weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall. Nach einer langen Reise als gefrorene Schicht auf interstellaren Staubpartikeln gelangte es letztendlich auch auf die Erde. Diese befindet sich gerade so weit (149,5 Millionen Kilometer) von ihrem wärmespendenden Zentralgestirn, der Sonne, entfernt, dass die Temperaturen flüssiges Wasser erlauben. Obwohl sich die Sonnenstrahlung seither um rund 30% erhöht hat, bewegen sich die Temperaturen (aufgrund des Karbonat-Silikat-Zyklus*) immer noch in dem für flüssiges Wasser günstigen Bereich. Auf mehr als zwei Drittel seiner Oberfläche (1,5 Milliarden Kubikkilometer) bedeckt es heute die Erde.

*Der Karbonat-Silikat-Zyklus bezeichnet in der Chemie die geochemische zyklische Umwandlung von freiem Kohlendioxid und Silikaten zu Karbonaten und Siliziumdioxid und umgekehrt. Er reguliert auf lange Zeiträume den Kohlendioxid-Gehalt der Atmosphäre.

Das wasserreiche Erscheinungsbild der Planetenoberfläche täuscht aber darüber hinweg, dass unser Heimatplanet eigentlich ein wasserarmer Planet ist. Der gesamte Wasseranteil beträgt tatsächlich nur 0,005%, wobei sich der größte Teil des Wassers sogar im Erdinneren verbirgt. Wissenschaftlichen Schätzungen zufolge soll die Erdkruste zu etwa 0,2% aus Wasser bestehen, fünfmal so viel, wie alle Ozeane der Erde zusammen enthalten. Die Wassermenge im Erdmantel (zum großen Teil an Mineralien, etwa Silikate gebunden) entspricht nach vorsichtigen Schätzungen zwei bis zehn Erdmeeren. Wie viel Wasser im Erdkern steckt, wissen wir nicht.

Bedeutung des Wassers für das Klima der Erde

Das flüssige Wasser an der Erdoberfläche beeinflusst wie kein anderer Stoff unser Wetter und Klima. Zunächst können die Meere mehr als tausendmal so viel Wärmeenergie speichern wie die Atmosphäre, allein in ihren oberen zwei Metern mehr als die gesamte atmosphärische Luftschicht, die auf ihnen lastet. Das Wasser bildet Nebel, Dunst und Wolken und fällt als Regen, Hagel oder Schnee vom Himmel herab auf die Erdoberfläche. Wolken sind ein zentrales Glied im globalen Kreislauf des Süßwassers zwischen Meeren, Atmosphäre und Festland und spielen in allen Wetter- und Klimamodellen eine entscheidende Rolle.

Wasser verdunstet und steigt als Dampf mit der warmen Luft in der Atmosphäre auf. Mit zunehmender Höhe fallen Luftdruck und Temperatur, der Wasserdampf kühlt ab und die Feuchtigkeit kondensiert. Es bilden sich Wolken – allerdings nur dann, wenn in der Luft Kristallisationskerne in Form von mikroskopisch kleinen Staubpartikeln (Aerosolen) vorhanden sind. An sie lagern sich die Wassermoleküle an, gefrieren und bilden Eiskristalle. Diese wachsen und gefrieren weiter, bis sie schließlich so schwer sind, dass sie aus der Wolke fallen und dabei andere Kristalle und Tropfen mitnehmen. Je nach Jahreszeit kommen sie dann als Schnee, Hagel oder in wärmerer Luft aufgetaut als Regen am Boden an. Geht der Regen über einer Landfläche nieder, verdunstet ein Teil des Wassers wieder. Ein Teil fließt an der Oberfläche über Bäche und Flüsse ins Meer zurück, der Rest versickert ins Grundwasser, von wo es schließlich auch wieder an die Oberfläche und letztlich in die Meere gelangt.

Wolken steuern wesentlich den Strahlungshaushalt unseres Planeten. Sie sind in der Lage, die Erde sowohl aufzuheizen als auch abzukühlen. Einerseits halten Wolken die von der Erde abgegebene Wärmestrahlung zurück und erwärmen so die Atmosphäre. Andererseits reflektieren sie die Strahlung der Sonne in den Weltraum, was eine abkühlende Wirkung auf das Erdklima hat. Addiert man die Wirkungen beider Effekte, dann kühlen tiefe Wolken eher, während hohe eher wärmen. Da die Erdoberfläche stets zu etwa 60% von Wolken bedeckt ist, können schon kleine Veränderungen bei ihrer Entstehungsrate und ihren Eigenschaften das Klima dramatisch beeinflussen.

Herkunft des Wassers

Woher das Wasser der Erde genau kommt, ist traditionell umstritten. Wahrscheinlich stammt es aus mehreren Quellen. Die populäre Annahme geht davon aus, dass wasserreiche Kometen, die sich aus dem solaren Urnebel gebildet hatten, rund 100 Millionen Jahre nach Beginn der Erdentstehung auf der noch heißen Erde einschlugen. Zusammen mit vielen anderen chemischen Verbindungen sollen sie so (auch) große Wassermengen auf die Erde gebracht haben. Vom zeitlichen Ablauf her wäre das verständlich, aber es hat sich herausgestellt, dass das irdische Wasser und das Kometen-Eis chemisch sehr unterschiedlich sind. Der Anteil des schweren Wasserstoff-Isotops Deuterium, der D/H-Wert, stimmt bei beiden nicht überein. Daher gehen die meisten Wissenschaftler heute davon aus, dass Kometen wohl nur einen geringen Teil Anteil (höchstens 10%) zum irdischen Wasser beigetragen haben.

Es muss also noch weitere Wasserquellen für die Erde gegeben haben. Da Wasser schon ein Bestandteil der ursprünglichen Nebelwolke war, aus der Sonne und Planeten entstanden, könnte es auch schon in den kleinen Brocken, aus denen sich unser Planet nach und nach bildete, enthalten gewesen sein. Vor allem auf den Planetoiden, die sich die Erde im letzten Drittel ihrer Wachstumsphase einverleibte, war es wohl verbreitet. Es bedurfte wahrscheinlich nicht vieler Kollisionen, um auf diese Weise genügend Wasser auf die Erde zu schaffen. Sollte diese Theorie zutreffen, war also bereits bei der Geburt der Erde Wasser vorhanden, das schließlich nach Abkühlung der irdischen Oberfläche auf unter 100°C kondensierte und die ersten Ozeane bildete.

Indizien sprechen vor allem für die Kohligen Chondriten (bestimmte kleine Brocken von Planetoiden) als Wasserlieferanten. Viele von ihnen befinden sich heute noch im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter. Sie enthalten neben einer Vielzahl von organischen Verbindungen auch rund 10 bis 20% Wasser. Jüngste Analysen zeigen, dass dessen D/H-Wert gut zu dem der Erdozeane passt. (Allerdings ist besonders das Wasser im Erdmantel etwas leichter, enthält also weniger Deuterium.)

Auch andere Chondrite, welche das Mineral Enstatit enthalten (Enstatit-Chondrite), kommen als potentielle Quelle des Wassers auf der Erde in Frage. Ihre Isotopen- und Elementverhältnisse sprechen dafür, dass die Erde größtenteils aus ihnen zusammengeschweißt wurde. Im Gegensatz zu den Kohligen Chondriten sind sie ursprünglich diesseits der „Schneegrenze“* entstanden, dort, wo auch die Erde anfing, sich zusammenzuballen. Auch das D/H-Verhältnis des Wassers passt einigermaßen. Allerdings enthalten Enstatit-Chondrite deutlich weniger Wasser (nur ein paar Promille) als Kohlige Chondrite.

*Die sog. Schneegrenze bezeichnet den Abstand vom Zentralgestirn, ab dem Wasserdampf und andere Gase ausfrieren und zu Eis werden.

Das Wasser-Molekül

Das Molekül Wasser setzt sich zusammen aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (chemisch: H2O). Ein Wasserstoffatom besteht aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle, das Sauerstoffatom hat in der Regel acht Protonen, acht Neutronen sowie acht Elektronen, von denen sich zwei in der inneren Hülle, sechs in der äußeren befinden. Aufgrund eines physikalischen Gesetzes strebt jedes Wasserstoffatom nach zwei außen liegenden Elektronen. Ihm fehlt also noch ein Elektron zur vollständigen Belegung, während das Sauerstoffatom noch Platz für zwei Elektronen in der äußeren Hülle hat. Eine Vervollständigung der Außenhülle können die Atome erreichen, wenn sie Elektronen miteinander teilen (Bindungselektronen). Auf diese Weise sind Wasserstoffatome und Sauerstoffatom miteinander verschmolzen und bilden das Wassermolekül.

Weil der Sauerstoff eine höhere Kernladungszahl (mehr positive Ladungen) besitzt als der Wasserstoff, übt er auf die Bindungselektronen im Wassermolekül einen stärkeren Sog aus und zieht die negativ geladenen Elektronen der Wasserstoffatome etwas weiter zu sich heran. Diese halten sich also häufiger in seiner Nähe auf als in der Umgebung der Wasserstoffkerne. So bilden die zwei Wasserstoffatome und das Sauerstoffatom ein schmales Dreieck, an dessen Spitze der Sauerstoff und an dessen Schenkeln die beiden Wasserstoffatome (unter einem Winkel von 104,5°) sitzen.

Aufgrund dieser asymmetrischen Geometrie des Wassermoleküls ist der Sauerstoff leicht negativ aufgeladen, die beiden Wasserstoffatome hingegen leicht positiv. Jedes Wassermolekül verfügt also gewissermaßen über zwei elektrische Pole – ähnlich wie ein Stabmagnet mit seinem positiven und negativen Ladungsende. Die Forscher sprechen von einem „Dipolmoment„. Der leicht negativ geladene Sauerstoff des Wassermoleküls kann nun eine schwache (und flüchtige) Bindung zu einem leicht positiv geladenen Wasserstoffatom eines anderen Moleküls aufbauen. Chemiker bezeichnen dieses Phänomen als „Wasserstoffbrücke„, durch die die Wasserteilchen lose aneinander haften können.

Ein Wassermolekül kann auf diese Weise bis zu vier Wasserstoffbrücken zu seinen Nachbarn ausbilden. Die Bindungen sind jedoch nicht stabil, denn die Anziehungskraft reicht nicht aus, um sie lange aufrechtzuerhalten. So brechen die Wasserstoffbrücken wieder auf und die Moleküle trennen sich wieder voneinander. Sofort „suchen“ sie sozusagen nach neuen Partnern, um an ihnen anzudocken – wieder nur für einen Moment, so dass fortwährend im Wasser die Wasserstoffbrücken aufgelöst und neu geknüpft werden. Auf diese Weise wechseln die Wassermoleküle – ohne den Kontakt zueinander zu verlieren – ständig ihre Position und bilden wechselnde Gruppen (Cluster) mit bis zu 700 Molekülen.

Das passiert bei Zimmertemperatur und normalem Druck im Takt von Piktosekunden, also millionstel millionstel Sekunden. Die Brücken, die Wasserstoffatome zu ihren molekularen Nachbarn schlagen, sind deutlich schwächer als die Bindung der Atome innerhalb der Wassermoleküle. Dennoch reicht die Stärke der Wasserstoffbrücken aus, um bei Zimmertemperatur zu verhindern, das Wasser verdampft.

Eine nur geringe Ladungsverschiebung im Wassermolekül ist also die Ursache, dass eine bewegliches Netzwerk aus lose über Wasserstoffbrücken miteinander verbundenen Molekülen entsteht und Wasser dadurch letztlich flüssig ist. Sähen Wassermoleküle nur geringfügig anders aus, würden sie bereits bei Raumtemperatur aufgrund ihrer Bewegungsenergie auseinander fliegen und sich als Gas verflüchtigen. Unser Planet wäre ein trockener Ort, eine leblose Ödnis in den Weiten des Universums.

Sonderbare Eigenschaften

Dass Wasser ein besonderer Stoff ist, erkannte schon vor gut 2500 Jahren Thales von Milet und hob es auf Platz 1 unter seinen vier „Elementen“. Es fällt, chemisch betrachtet, völlig aus dem Rahmen, etwa in Hinsicht auf seine Oberflächenspannung, Wärmekapazität, Kompressibilität sowie den Schmelz- und Siedepunkten. Seine sonderbaren Eigenschaften, die es von anderen Flüssigkeiten unterscheidet, sind der Schlüssel für viele Vorgänge auf der Erde.

Die Oberflächenspannung von 70×10-3 N/m (Newton pro Meter) macht Wassertropfen stabil und groß. Ihre Molekülgitter schützen sie wie ein Netz vor dem Zerfall in mikroskopisch kleine Teilchen. Wenn sie ins Wasser fallen, vermischen sie sich daher nicht sofort, sondern stülpen sich wie eine Krake immer wieder neu aus, bis sie ihre größte Oberfläche erreicht haben.

Die Wärmespeicherung von Wasser kann ein Mehrfaches betragen im Vergleich zu ähnlich großen Molekülen. Es erwärmt sich langsamer als die meisten anderen Flüssigkeiten – doppelt so lange, wie man eigentlich annehmen sollte – und kühlt sich auch gemächlicher ab.

Erst bei vergleichsweise hohen Temperaturen, in der Regel bei 100°C, erreichen die Wasserteilchen eine derart hohe Geschwindigkeit, dass die anziehenden Kräfte (elektrische Pole und Wasserstoffbrücken) nicht mehr zum Tragen kommen („Siedepunkt„). Das flüssige Wasser verwandelt sich in ein Gas, seine Teilchen verflüchtigen sich in die Luft. Sinkt die Temperatur des Wasserdampfes, bewegen sich die Moleküle wieder langsamer. Schließlich überwiegen erneut die Anziehungskräfte und die Wassermoleküle schließen sich erneut zu Ketten zusammen. Der Dampf kondensiert, flüssiges Wasser entsteht.

Kein anderes Molekül, das so klein ist wie Wasser, hat einen derart hohen Siedepunkt. Eigentlich müsste es aufgrund seines Molekulargewichts schon bei -75°C in Dampf übergehen. Die am ehesten vergleichbare Verbindung, Schwefelwasserstoff (H2S), hat einen Siedepunkt von -60°C. Der stickstoffhaltige Ammoniak verflüchtigt sich bei -33°C, Methan sogar schon bei -162°C. Dabei umfasst der Temperaturbereich, in dem solche Moleküle flüssig sind, meist nur wenige Grad.

Der Gefrierpunkt von Wasser liegt bei 0°C, einem phantastisch hohen Wert. Gemessen an ähnlich kleinen Molekülen müsste er eher bei -100°C liegen. Während bei fast allen anderen Flüssigkeiten während des Abkühlens die Dichte zunimmt und Wärmekapazität und Kompressibilität sinken, verhält sich Wasser anders. Die Moleküle rücken zwar auch zunächst umso dichter zusammen, je kälter es wird. Es bilden sich winzige Kerne aus kristallin angeordneten Molekülen, die sich jedoch wieder auflösen, aber auch durch Anlagern weiterer Wassermoleküle wachsen können. Teile der Wassercluster wechseln also ständig ihren Zustand von flüssig zu kristallin und umgekehrt.

90 Moleküle braucht es mindestens, damit Wasser eine Kristallstruktur annimmt und zu Eis wird. Wenn die Temperatur sich dem Nullpunkt nähert, schließen sich immer Einzelmoleküle den Clustern an. Wirklich stabile Cluster sind erst ab 150 Molekülen möglich.

Die maximale Dichte erreicht Wasser bei +4°C. Bei tieferen Temperaturen vernetzen sich die V-förmigen Wasserteilchen zu einem dreidimensionalen Gerüst, in dem die jetzt exakt geordneten Moleküle wieder etwas weiter auseinander liegen. Deshalb dehnt sich Wasser beim Erfrieren aus („Dichteanomalie„), während sich andere Stoffe beim Erstarren zusammenziehen. Das führt dazu, dass Wasser in seiner festen Form um 9% voluminöser ist als im flüssigen Zustand – und mithin leichter (um etwa 11%). Diese einzigartige Volumenzunahme hat über Jahrhundertmillionen dazu geführt, dass ganze Gebirge auf der Erde erodierten.

Beim Gefrieren bedarf es Verunreinigungen (z. B. Staubpartikeln) als Kristallisationskerne. Sie erst zwingen die Wassermoleküle dazu, eine kristalline Form anzunehmen. Reines Wasser (das es in der Natur allerdings nicht gibt) lässt sich, bevor es gefriert, noch bis zu einer Temperatur von -40°C (nach anderen Angaben -48°C) oder 233K herunterkühlen, wird dann allerdings sehr schnell zu Eis.

Beim Übergang vom flüssigen Zustand zu Eis muss das Wasser Kristallisationswärme an die Umgebung abgeben. Das ist dort am einfachsten, wo es in direktem Kontakt mit der kalten Außenwelt steht. Daher bildet sich Eis zunächst an der Oberfläche und an den Gefäßwänden. Überschreiten die kristallinen Strukturen eine bestimmte Größe, pflanzt sich die Information wie umfallende Dominosteine über die Wasseroberfläche fort, bis die Bewegung des Wassers erstarrt ist. Da Eis eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser, schwimmt es obenauf.

Würde das Wasser beim Gefrieren schwerer werden, würde sich im Winter das Eis auf dem Boden der Seen und Weltmeere ablagern. Die Wasseroberfläche würde weiterhin Energie abgeben, und es würde sich immer mehr Eis am Boden der Ozeane ablagern, bis sich schließlich die ganzen Weltmeere in einen einzigen Eisklumpen verwandelt hätten. In einem solchen gefrorenen Zustand, bei dem die helle Oberfläche die Sonnenwärme reflektieren würde, wäre es sehr schwierig, den Planeten wieder aufzutauen.

[Eis tritt wegen der speziellen Bindungen, die die Wassermoleküle mit ihren Nachbarn eingehen, in einer Vielzahl unterschiedlicher Formen auf. Forschern ist es bislang gelungen, 16 verschiedene kristalline Eisformen herzustellen, die alle unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Nur eine einzige, das Eis-„Ich“ (eins-h), kommt natürlicherweise auf der Erde vor. Und erstaunlicherweise hat nur „unser“ Eis die Eigenschaft, auf dem Wasser zu schwimmen. Die anderen Eissorten existieren bei höheren Drücken und tieferen Temperaturen. Es gibt Eisformen, die noch bei 500°C Hitze gefroren bleiben. Andere verwandeln sich zwischen -137 und -146°C (125 und 136K) in eine viskose Flüssigkeit. In ihr sind die Wasserstoffbrückenbindungen nicht starr fixiert, weshalb das Eis selbst bei einer Temperatur dicht über dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C oder 0 Kelvin) noch fließen kann, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird. Die exotischen Formen von Eis mit ihren besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die wir gerade erst zu verstehen beginnen, könnten am Ende mehr über die Geschichte des Universums verraten, als Wissenschaftler dies jemals für möglich gehalten hätten.]

Noch immer offenbart Wasser scheinbar paradoxe Phänomene: Stellt man beispielsweise einen Topf mit dampfend heißem und einen Topf mit lauwarmem Wasser in eine Gefriertruhe, erstarrt das heiße Wasser zuerst. Und ein Bauchplatscher ins kalte Wasser schmerzt weniger als einer ins warme. Einige Wissenschaftler erklären die seltsamen Eigenschaften, indem sie Wasser als ein Gemisch zweier einfacher Substanzen betrachten, in denen die Wassermoleküle unterschiedlich kompakt sortiert sind: In derjenigen mit niedriger Dichte (low density liquid: LDL) sind die meisten Moleküle von vier anderen umgeben, was eine relativ offene Tetraederstruktur herbeiführt. In der Flüssigkeit höherer Dichte (high density liquid: HDL) sind die Moleküle enger gepackt; es kommen weniger gerichtete, schwächere molekulare Wechselwirkungen zum Tragen. Laut dieser Idee ändert sich der jeweilige Anteil der beiden Komponenten mit der Temperatur des Wassers. Sinkt diese, entsteht mehr LDL-Wasser und es kommt sowohl zu der bei Flüssigkeiten üblichen Zunahme der Dichte als auch zur vermehrten Bildung von Wasser niedriger Dichte. Unter dem Strich führt das zum beobachteten Dichte-Maximum bei 4°C und zu weiteren Anomalien im Wasser.

Andere Experten stehen der Annahme äußerst skeptisch gegenüber und widersprechen vehement: So eine Aussage passe nicht zu den Grundprinzipien der physikalischen Chemie. Wasser erhalte seine einzigartigen Eigenschaften beim Abkühlen weniger durch ein Nebeneinander zweier Flüssigkeiten, sondern eher tatsächlich dadurch, dass die Orientierung der Wassermoleküle allmählich regelrecht in tetraedischer Ausrichtung einfriert, sogar bereits dann, wenn sie sich noch flüssigkeitstypisch bewegen. Ein Konsens ist unter Physikchemikern noch nicht in Sicht.

Biologische Bedeutung

Auf den besonderen Eigenschaften des Wassermoleküls beruht auch die große biologische Bedeutung des Wassers. Nur wo es flüssiges Wasser gibt, ist Leben, wie wir es kennen, überhaupt möglich. Die ganze komplizierte Chemie des Lebens beruht auf Wasser. Wie es scheint, war Wasser in fester oder flüssiger Form schon von Anfang an an der Entstehung des Lebens, speziell der Bildung und Weiterentwicklung seiner Basismoleküle, beteiligt. Diese entwickelten sich schon bald nach dem Auftauchen der ersten Wasserströme. Dass die Fotosynthese der grünen Pflanzen und Cyanobakterien im Wasser funktioniert, liegt an einer weiteren besonderen Eigenschaft, nämlich der Durchsichtigkeit des Wassers. Eigentlich ist es bis auf einen schmalen Frequenzbereich (nämlich den des sichtbaren Lichts) pechschwarz. Ein anderes Absorptionsverhalten des Wassers und Leben in der heutigen Form wäre niemals entstanden.

Eis ist eigentlich ein Feind des Wassers. Die exakte Ordnung der Moleküle treibt die in den Kristallen gelösten Substanzen aus, wobei die scharfkantigen Eispartikel organisches Material unwiederbringlich zerreißen. Andererseits bildet Wasser, weil es in festem Zustand leichter ist als flüssig, bei 0°C eine das Leben schützende Eisdecke. Diese wirkt als isolierender Deckel, der die Verdunstung stoppt, was dazu beiträgt, das darunter liegende Wasser warm zu halten. So sind Tiere und Pflanzen in der Lage, in zugefrorenen Meeren, Seen und Flüssen zu überwintern.

Für Lebewesen, die im Laufe der Evolution das Festland besiedelten und sich allmählich vom Leben im Wasser emanzipierten, ist Wasser trotzdem unverzichtbares Lebenselement geblieben. Das Gefäßsystem der Landpflanzen und das Blutgefäßsystem der Tiere sorgt dafür, dass landlebende Organismen nie „auf dem Trockenen sitzen“. Wasser ist der Hauptbestandteil aller lebenden Organismen (meist zu 90%). Auch der Mensch besteht zu gut 60% aus Wasser. Es ist in flüssigem Aggregatzustand für die Aufrechterhaltung sämtlicher Lebensvorgänge unbedingt notwendig. Es ist beteiligt an der Regulation der Körpertemperatur und an dem Transport von Stoffen und Atemgasen über das Blutgefäß- und Lymphsystem. Es hilft bei der Absorption von Nährstoffen und bei der Beseitigung von Abbauprodukten über Darm, Nieren, Lunge und Haut. Das meiste Wasser befindet sich innerhalb der Körperzellen, in denen es wichtige Aufgaben erfüllt.

Das, was Wasser in der Zelle so universell nutzbar macht, ist seine Polarität – die große große Anziehungskraft der Dipole auf Nachbarmoleküle. Zahlreiche Substanzen in der Natur bestehen ebenso wie Wasser aus geladenen Teilchen (Ionen). Mit ihren unterschiedlich geladenen Polen vermögen sich die Wassermoleküle an diese Ionen anzulagern und bilden so einen wässrigen Mantel („Hydrathülle„) um sie. Positiv und negativ geladene Ionen werden dadurch getrennt, die Substanz wird löslich. Insgesamt sind 84 aller bekannten 103 chemischen Substanzen, darunter zahlreichen, die in den Zellen benötigt werden, wasserlöslich.

Fällt ein Salzkristall (NaCl) in ein Glas Wasser, dauert es nicht lange, bis er sich auflöst. Die winzigen Natrium- und Chlor-Ionen, die nun in der Flüssigkeit umherschwimmen, sind umhüllt von Wassermolekülen. Dutzende der V-förmigen Wasserteilchen lagern sich jeweils mit ihrem negativ geladenen Sauerstoff-Pol um die positiv geladenen Natrium-Ionen, sechs davon in direkter Nachbarschaft. Andere Wasserteilchen wiederum docken mit ihrer positiven Wasserstoffseite an die negativ geladenen Chlor-Ionen an.

Wasser ist also ein perfektes, einzigartiges Lösungsmittel und für biochemische Reaktionen unabdingbar. Alle physiologischen Vorgänge basieren auf wässrigen Lösungen. Eine Zelle ist so sehr mit Biomolekülen (z. B. Enzymen, Hormonen, Fettsäuren, Salzen, Zuckern) angefüllt ist, dass zwischen ihnen nur Platz für gerade mal drei oder vier Wassermoleküle ist. Dadurch ist deren Beweglichkeit so eingeschränkt, dass die Kettenmoleküle selbst von dem Lösungsmittel Wasser nicht zerstört werden können. Wie ein stützendes Korsett liegen Vielmehr liegen die Wassermoleküle wie ein stützendes Korsett um die positiv oder negativ geladenen Bereiche der organischen Moleküle und verhindern, dass deren voluminöse chemische Strukturen – teils sind sie zigtausendmal größer als ein Wassermolekül – kollabieren.

Die Biomoleküle nehmen nur in einer wässrigen Umgebung ihre typische dreidimensionale Faltung und Struktur stabil ein. Und erst wenn sich Aminosäureketten korrekt verflechten, können Eiweiße etwa in Form von Enzymen ihre vielfältigen Aufgaben in der Zelle erfüllen, z. B. bei der Zerlegung von Nährstoffen. Wie den Proteinen verleiht Wasser auch den Nukleinsäuren ihre interessante Struktur und damit auch ihre Eigenschaften. Milliarden Wasserteilchen sind in die Erbsubstanz DNA eingelagert und sorgen durch Wasserstoffbrücken dafür, dass das riesige Molekül seine Spiralstruktur aufrecht erhält. (Außerdem schützen Wasserstoffbrücken Nukleinsäuren wie auch Proteine vor Schädigungen durch UV-Strahlen.) Experimente haben gezeigt, dass die DNA ihre Arbeit versagt, sobald man sie in andere Flüssigkeiten gibt. Erst in dem vom Wasser geschaffenen Umfeld konnte also die Basis aller höheren Lebewesen entstehen.

Wasser stützt somit als biologischer Klebstoff die großen Moleküle räumlich und hält sie biologisch aktiv. Es spielt auch selbst ein Hauptrolle bei den komplexen chemischen Prozessen in der Zelle. Wassermoleküle sind z. B. in der Lage, chemische Reaktionen anzustoßen oder zu beschleunigen. Es scheint inzwischen klar, dass sich die biologische Aktivität der Proteine – etwa bei der Wirkung von Medikamenten in Körperzellen – nicht unabhängig vom Wasser verstehen lässt.

Die Wasserschicht, die z. B. ein Protein umhüllt, verändert die Art, wie dieses andere Moleküle erkennt. Wassermoleküle füllen dabei Lücken aus und sorgen so für eine gute Passung des jeweiligen Stoffes, können aber auch das Andocken stören. Nur genau definierte Stoffe sind in der Lage, im aktiven Zentrum von Enzymen anzudocken. Dazu benötigen manche offenbar nur einige wenige Wassermoleküle. Durch die Position lediglich eines Wassermoleküls entscheidet sich beispielsweise, dass etwa der Neurotransmitter Glutamat, nicht aber sein synthetischer Ersatz akzeptiert wird.

Alles, was sich im Wasser befindet, verändert wiederum dessen Netzstruktur. Daher ist die Bewegung des Wassers nicht gleichförmig um ein Enzym verteilt. In der Nähe des aktiven Zentrums verlangsamt es seine zittrigen Bewegungen. Das bedeutet, dass ein Substrat wahrscheinlich nicht zufällig an der richtigen Stelle andockt wie im ruhigen Wasser eines Hafens. Funktionsfähige Proteine können Wassermoleküle am besten ausbremsen, während denaturierte oder mutierte Moleküle weniger effektiv sind – ein Hinweis auf eine evolutionäre Optimierung. Mit Terahertz-Spektrometern konnten Forscher sehen, wie die biologisch aktiven Proteine das Wasser in ihrer Umgebung beeinflussen. Der Einfluss beschränkt sich dabei nicht auf die unmittelbare Umgebung, sondern reicht weit darüber hinaus – so weit, dass es in der dicht gepackten Zelle gar kein unbeeinflusstes Wasser gibt.

Den Rekord im Manipulieren des Wassers hält ein Frostschutz-Protein. Das Blut antarktischer Fische müsste eigentlich bei 0,9°C gefrieren. Tatsächlich aber überleben die Tiere tiefere Temperaturen – dank eines Frostschutz-Proteins, das Hunderte Male so wirksam ist wie das Frostschutzmittel im Auto. Es ist – anders als die meisten anderen Proteine – am effektivsten, wenn die Temperatur nahe am Gefrierpunkt liegt. Das Protein kann das Wassernetzwerk über 2,7 Nanometer hinweg beeinflussen – eine winzige Entfernung, aber immer noch zehnmal so groß wie die Reichweite anderer Proteine.

Dank der flexiblen Unordnung seiner Bindungen ist Wasser also fähig, seine innere Struktur rasch an die physikalischen und chemischen Erfordernisse von Organismen anzupassen und viele Reaktionen zu beeinflussen. Es gibt keine andere Flüssigkeit mit ähnlich einzigartigen Eigenschaften. Das fein abgestimmte Wechselspiel zwischen dem Wasser und den Biomolekülen, durch die das Zellgeschehen gerade so im Gleichgewicht gehalten wird und schnell von einem Zustand zum anderen wechseln kann, macht Leben wie wir es kennen erst möglich.

REM

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