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Die Bedeutung des Wassers für das Leben

Diskussion über die Eigenschaften von Wasser, die es für das Leben, wie wir es kennen, essenziell machen: Polarität, "universelles" Lösungsmittel, hohe Wärmekapazität, hohe Verdampfungswärme, Kohäsion, Adhäsion und geringere Dichte beim Einfrieren.

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Video-Transkript

Wenn wir im Kosmos nach außerirdischem Leben Ausschau halten, wird meist nach Anzeichen von Wasser auf Monden oder Planeten gesucht. Das liegt daran, dass das Leben, so wie wir es kennen, abhängig von Wasser ist. Um das zu verstehen, müssen wir uns ein paar Eigenschaften von Wasser genauer anschauen. Hier siehst du ein paar Wassermoleküle. Vielleicht kennst du das schon. Jedes Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom, das an zwei Wasserstoffatome gebunden ist. Das hier ist Wasserstoff und das hier auch. Und bei dieser Bindung handelt es sich um eine kovalente Bindung. Das heißt, dass der Sauerstoff mit jedem der Wasserstoffe Elektronen teilt. Sauerstoff ist aber elektronegativer. Und das ist nur eine schlaue Art zu sagen, dass, auch wenn die Elektronen geteilt werden, sie häufiger in der Nähe des Sauerstoffs als des Wasserstoffs sind. Der Sauerstoff reißt sich die Elektronen mehr unter den Nagel als der Wasserstoff. Und wenn die Elektronen häufiger in der Nähe des Sauerstoffs als des Wasserstoffs sind, und weil es sich um ein gebogenes Molekül handelt, mit dem Wasserstoff auf einer Seite, entsteht auf der Seite des Sauerstoffs, dort wo die Elektronen häufiger sind, eine partiell negative Ladung. Das hier ist der kleine griechische Buchstabe delta. Das bedeutet: Partiell negative Ladung. Und die Seite mit den Wasserstoffen erhält eine partiell positive Ladung. Du siehst also, dass das Wassermolekül als Ganzes nicht geladen ist, aber an jeder Seite eine partielle Ladung ist. Es handelt sich also um ein polares Molekül. Du kannst dir vielleicht vorstellen, was passiert, wenn viele Wassermoleküle aufeinander treffen. Die partiell positive Seite des Wassermoleküls, die Seite mit den Wasserstoffatomen, wird von einer partiell negativen Seite eines anderen Wassermoleküls angezogen. Sie ziehen sich also gegenseitig an. Und das wird Wasserstoffbrückenbindung genannt. Das könnte ich hier zeichnen. Das hier wird partiell positiv. Das hier wird partiell negativ. Sie ziehen sich gegenseitig an. Der Sauerstoff wird von diesem Wasserstoff angezogen. Der Sauerstoff wird auch von diesem Wasserstoff angezogen. Es sind also die Wasserstoffbrückenbindungen, die Wasser viele seiner speziellen Eigenschaften verleihen, die, soviel wir wissen, das Leben erst möglich machen. Das Leben, wie wir es kennen, benötigt eine flüssige Umgebung. Dinge bewegen sich und stoßen ineinander. Es sind diese Wasserstoffbrückenbindungen, die bei geeigneten Temperaturen und Bedingungen Wasser im flüssigen Zustand halten, wenn sie stark genug sind, das Wasser zusammenzuhalten, aber schwach genug sind, Wassermoleküle aneinander vorbeifließen zu lassen. Und es sorgt nicht nur für eine flüssige Umgebung, es ist zudem ein sehr gutes Lösungsmittel. Wasser wird oft als universelles Lösungsmittel bezeichnet, aber wir müssen hier etwas klarstellen: Auch wenn es als universelles Lösungsmittel bezeichnet wird, heißt das nicht, dass es alles löst. Wasser löst im flüssigen Zustand mehr Dinge als alles andere, was wir kennen. Aber es gibt viele Moleküle, die es nicht gut lösen kann. Was es gut löst, sind polare oder geladene Moleküle. Wenn sich zum Beispiel Natriumchlorid in Wasser löst, ist das Natriumion positiv, also positiv geladen. Es wird also vom Sauerstoff der Wassermoleküle angezogen. Aber es löst sich gut. Ungeladene Moleküle lösen sich aber nicht gut in Wasser. Aber sogar die Eigenschaft, dass bestimmte Dinge sich nicht gut lösen, ist gut für das Leben. In einer späteren Lektion schauen wir uns Phospholipid-Doppelschichten an, in denen es Moleküle mit einem hydrophilen Ende, das heißt, es wird von Wassermolekülen angezogen, und einem hydrophoben Ende, das nicht von Wassermolekülen angezogen wird, gibt. Und viele Evolutionsbiologen glauben, dass diese Eigenschaft, ein hydrophiles und ein hydrophobes Ende zu haben, diesen Molekülen dabei geholfen hat, in Membranen zusammenzulagern, und schließlich diese kugelförmigen Membranen zu bilden, die ein Behältnis für frühes zelluläres Leben sein konnten. Eine weitere Eigenschaft von Wasser, die es sehr geeignet für Leben macht, ist seine hohe Warmekapazität. Manchmal wird auch gesagt, es hat eine hohe spezifische Wärme. Die spezifische Wärme ist die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 g Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen. Aber wieso spielt das für das Leben eine Rolle? Viele Lebensformen können nur in einem bestimmten Temperaturbereich agieren. Wenn es also sehr leicht wäre, die Temperatur von Wasser stark zu erhöhen oder schnell sehr stark zu verringern, wäre es sehr schwer, im Wasser zu leben oder im Wasser zu entstehen. Ein ähnlicher Gedanke ist, dass Wasser auch eine hohe Verdampfungswärme besitzt. Darüber reden wir genauer in anderen Videos, aber es geht dabei darum, wie viel Energie benötigt wird, damit Wasser aus dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Und das hat sich bei vielen Lebewesen als eine Form der Abkühlung bewährt, denn die Verdampfung von Wasser kann einen Organismus abkühlen, sodass er nicht überhitzt, was Verdunstungskühlung genannt wird. Andere wichtige Eigenschaften von Wasser sind Kohäsion und Adhäsion. Kohäsion ist die Eigenschaft von Wassermolekülen, sich gegenseitig anzuziehen wie hier bei den Wasserstoffbrückenbindungen. Auf der Makroebene kannst du das z. B. bei Wassertropfen sehen. Du hast sicher schon mal Wasser- oder Tautropfen gesehen. Ohne Kohäsion von Wasser könnten diese nicht entstehen. Und schon ein Tropfen kann eine Umgebung sein, in der Tausende von Mikroorganismen leben können. Adhäsion ist die Eigenschaft von Wasser, an anderen Dingen zu haften. Das hast du vielleicht schon mal in einem Reagenzglas gesehen. Dort sieht es aus, als ob das Wasser an den Seiten hochkriechen würde. Das liegt an der Polarität der Glasmoleküle des Reagenzglases. In Kombination mit der Kohäsion ermöglicht diese Eigenschaft, dass Wasser Nährstoffe transportieren kann, zum Beispiel von den Wurzeln eines Baumes bis zur Baumkrone. Diese Eigenschaften spielen auch in unseren eigenen Blutgefäßen eine Rolle, wenn du dir die sehr kleinen Blutgefäße, die Kapillaren, anschaust. Diese werden Kapillaren aufgrund der Kapillarwirkung von Wasser genannt. Diese beruht auf der Kohäsion und Adhäsion. Und eine letzte Eigenschaft von Wasser, und das hier ist keine vollständige Liste, dass es als Feststoff eine geringere Dichte hat. Das bedeutet also, dass Eis, also festes Wasser, eine geringere Dichte als flüssiges Wasser besitzt. Vielleicht fragst du dich, was das für eine Rolle für das Leben spielt. Stell dir die Umgebung vor, in der wohl das Leben als erstes entstanden ist. Wenn du dir eine Art Teich vorstellst, das hier ist der Querschnitt davon, wenn Eis eine höhere Dichte als flüssiges Wasser hätte, und bei vielen Substanzen ist es so, dass ein Feststoff eine größere Dichte hat, was würde passieren? Im Winter ist die Luft hier oben kalt, dieser Teil würde also gefrieren. Wenn er aber eine höhere Dichte hätte, würde es auf den Grund sinken. Dann würde wieder Wasser an der Oberfläche gefrieren und auf den Grund sinken. Und im Laufe der Zeit würde der ganze See oder der ganze Teich gefrieren und ein Leben wäre dort nicht mehr möglich. Denn wenn Wasser gefriert, bricht es membrangebundene Strukturen auf. Das wäre dann nicht geeignet für Leben. Aber da Eis eine geringere Dichte als Wasser hat, gefriert normalerweise nur die oberste Wasserschicht. Und erst wenn es kälter und kälter wird, gefrieren auch untere Schichten. Aber es gibt eine Umgebung, in der Leben weiterhin gedeihen kann, sogar wenn die Luft viel kälter ist als es für Leben geeignet wäre. Und aufgrund der hohen spezifischen Wärme von Wasser, sind die Temperaturschwankungen im Wasser viel geringer als außerhalb des Wassers, sowohl in der Luft als auch an Land. Das war nur eine Einführung, aber vielleicht hilft sie dabei, dass du Wasser etwas mehr schätzt. Und ich habe schon in anderen Videos erzählt, dass wir fast nur aus Wasser bestehen. Jede:r von uns besteht aus Billionen von Zellen, die hauptsächlich aus Wasser bestehen und in einer Wasser-basierten Umgebung existieren. Sie koordinieren sich untereinander und besitzen eine Komplexität, sodass man denken könnte, es würde sich um ein fühlendes Wesen handeln.