Wasser ist nicht nur das bedeutendste Lösungsmittel in Lebenwesen, sondern auch wichtigster biochemischer Reaktionspartner. Doch was zwischen den Molekülen des Lösungsmittels und einer in ihm gelösten Verbindung im Detail geschieht, ist bisher nur für wenige Spezialfälle bekannt. Jetzt allerdings haben Forscher um Emad Aziz vom Helmholtz-Zentrum Berlin beobachten können, wie gelöste Eisenionen mit dem umgebenden Wasser Elektronen austauschten.

Die Forscher schickten weiche Röntgenstrahlung durch eine Probe des gelösten Eisensalzes. Statt jedoch, wie üblich, die Absorption der Strahlung durch die Probe zu bestimmen, maßen sie das Fluoreszenzlicht, das entsteht, wenn die bei der Absorption der Röntgenstrahlung angeregten Elektronen in ihren Grundzustand zurückfallen. Neben dem untersuchten Molekül fluoresziert allerdings auch das umgebende Lösungsmittel und erzeugt ein diffuses Hintergrundleuchten, zu dem die Fluoreszenz der angeregten Probe hinzukommt. In Wasser jedoch geschieht mit den untersuchten Eisensalzen etwas Seltsames: Bei bestimmten Wellenlängen fällt die gesamte Fluoreszenzintensität unter das Niveau der Hintergrundstrahlung. Nicht nur sendet die Probe selbst kein Licht aus, sie scheint sogar das umgebende Lösungsmittel am Leuchten zu hindern.

Nach Ansicht der Berliner Wissenschaftler beruht der Effekt darauf, dass Probe und Lösungsmittel um das Röntgenlicht konkurrieren: Absorbiert das Eisen, bleibt weniger Strahlung für das Wasser, und die Fluoreszenz des Lösungsmittels nimmt ab. Meistens jedoch überlagert die Fluoreszenz der Probe diesen Effekt, so dass man ihn nicht sehen kann. Die seltsamen Signale, die Eisen in wässriger Lösung aussendet, stammen dagegen von Elektronen des Eisens, die zwar angeregt werden, jedoch ohne zu fluoreszieren wieder in den Grundzustand zurückfallen, weil die Energie irgendwie abgeleitet wird. Die "negativen" Signale zeigen jedenfalls: In Wasser erscheint ein neuer, vorher unbekannter elektronischer Übergang, der Röntgenstrahlung absorbiert.

Die sonderbaren Signale im Fluoreszenzspektrum verhalten sich noch auf eine andere Weise anders als erwartet. Während die meisten Peaks im Spektrum mit sinkender Konzentration schwächer werden – wie die Intensität verdünnter Farbe –, werden die negativen Peaks umso stärker, je weniger von der Probe im Wasser gelöst ist. Dieser Umstand brachte die Forscher auf die Spur des gesuchten Elektronenübergangs, denn je weniger Material in der Probe gelöst ist, desto mehr Wassermoleküle gruppieren sich um jedes gelöste Eisenmolekül.

Es ist diese Schale aus Lösungsmittel, die das angeregte Elektron aufnimmt und dessen Energie strahlungslos ableitet. Dieser Mechanismus legt nahe, dass alle Wechselwirkungen zwischen Metall und Wassermolekülen zu solchen zusätzlichen negativen Peaks im jeweiligen Fluoreszenzspektrum führen, deren Struktur Aufschluss über die Bedingungen vor Ort gibt. Die Forscher hoffen, auf diese Weise direkt in die aktiven Zentren von Biomolekülen blicken zu können und so die Bedeutung des Wassers für ihre Funktion aufzuklären, bislang eine der wichtigsten ungelösten Fragen der Biologie. (lf)