Für die meisten Arten des Lebens im Universum kann Sauerstoff ein tödliches Gift sein. Aber seltsamerweise kann dies die Suche nach einem solchen Leben für Astrobiologen erheblich vereinfachen. Stellen Sie sich vor, Sie geraten in eine Zeitmaschine, die nicht nur Milliarden von Jahren reisen, sondern auch leichte Ziele im Weltraum überwinden kann, um Leben im Universum zu finden. Wie würden Sie Ihre Suche starten? Die Empfehlungen von Wissenschaftlern können Sie überraschen.
Zuerst könnte man denken, dass das Leben wie das vertraute Leben auf der Erde sein könnte: Gras, Bäume, herumtollende Tiere an einer Wasserstelle unter blauem Himmel und gelber Sonne. Aber das ist der falsche Gedankengang. Astronomen, die die Planeten der Milchstraße zensieren, neigen dazu zu glauben, dass der größte Teil des Lebens im Universum auf Welten existiert, die rote Zwergsterne umkreisen, die kleiner, aber zahlreicher sind als Sterne wie unsere Sonne. Zum Teil wegen dieser Fülle müssen Astronomen sie mit großer Sorgfalt studieren. Nehmen wir zum Beispiel den roten Zwerg TRAPPIST-1, der nur 40 Lichtjahre entfernt ist. Im Jahr 2017 entdeckten Astronomen, dass sich mindestens sieben erdähnliche Planeten um sie drehen. Viele neue Observatorien - angeführt von einem NASA-Star,mit dem James Webb-Weltraumteleskop - ab 2019 können Sie die Planeten des TRAPPIST-1-Systems sowie viele andere Planeten in der Nähe von Roten Zwergen auf der Suche nach Leben besser kennenlernen.
In der Zwischenzeit weiß niemand genau, was Sie finden werden, wenn Sie eine dieser seltsamen Welten in Ihrer Raum-Zeit-Maschine besuchen. Wenn der Planet jedoch wie die Erde aussieht, stehen die Chancen gut, dass Sie Mikroben finden und keine attraktive Megafauna. Die Studie, die am 24. Januar in Science Advances veröffentlicht wurde, zeigt, was diese merkwürdige Tatsache für die Suche nach Außerirdischen bedeuten könnte. Einer der Autoren der Arbeit, David Cutling, Atmosphärenchemiker an der University of Washington in Seattle, blickt in die Geschichte unseres Planeten, um in naher Zukunft ein neues Rezept für die Suche nach einzelligem Leben auf fernen Welten zu entwickeln.
Das meiste Leben auf der Erde ist heute mikrobiell, und eine sorgfältige Lektüre der fossilen und geochemischen Daten des Planeten zeigt, dass dies immer der Fall war. Organismen wie Tiere und Pflanzen - und der Sauerstoff, den diese Pflanzen zum Einatmen von Tieren produzieren - sind relativ neue Phänomene, die in den letzten einer halben Milliarde Jahren aufgetreten sind. Davor verbrachte unser Planet in vier Milliarden Jahren Erdgeschichte die ersten zwei Milliarden Jahre in der Rolle einer "schlammigen Welt" unter der Kontrolle von Mikroben, die sich von Methan ernähren, für das Sauerstoff kein lebensspendendes Gas, sondern ein tödliches Gift war. Die Entwicklung von photosynthetischen Cyanobakterien bestimmte das Schicksal der nächsten zwei Milliarden Jahre, und "methanogene" Mikroben wurden an dunkle Orte getrieben, an die kein Sauerstoff gelangen konnte - unterirdische Höhlen, tiefe Sümpfe und andere düstere Gebiete, in denen sie noch leben. Cyanobakterien begrünen unseren Planeten allmählich, füllten langsam seine Atmosphäre mit Sauerstoff und legten den Grundstein für die moderne Welt. Wenn Sie all diese Jahre unseren Planeten in Ihrer Zeitmaschine besuchen würden, würden Sie neun Mal von zehn nur einzelliges Algenleben finden, und Sie würden auch riskieren, in sauerstoffarmer Luft zu ersticken.
Dies ist eine Herausforderung für Wissenschaftler, die das James Webb-Teleskop (anstelle einer Zeitmaschine) verwenden möchten, um nach anderen Lebenswelten zu suchen. Moleküle in der Atmosphäre eines Planeten können durchgelassenes Licht von Sternen absorbieren, was zu Lichtabdrücken führt, die Astronomen erkennen können. Die Fülle an Sauerstoff in der Atmosphäre des Planeten ist einer der offensichtlichsten Indikatoren für mögliches Leben, da es ohne Biologie nicht einfach ist, ihn zu erzeugen. Laut Astrobiologen kann dieses hochreaktive Gas eine „Biosignatur“sein, da es in hohen Konzentrationen „aus dem Gleichgewicht mit der Umwelt gerät“. Sauerstoff fällt in der Regel in Form von Rost und anderen Oxidationen auf Metallen aus der Luft und bleibt nicht gasförmig. Wenn also viel davon vorhanden ist, muss etwas - vielleicht photosynthetisierendes Leben - ihn ständig auffüllen. Wenn Sie jedoch unseren Planeten als Beispiel nehmen, geben Astrobiologen zu, dass Sauerstoff das Letzte sein könnte, was sie finden - die Genetik besagt, dass die komplexe Photosynthese als Prozess der Sauerstoffproduktion von Cyanobakterien als ungewöhnliche evolutionäre Innovation erfunden wurde, die in der langen Geschichte der Erde nur einmal gefunden wurde Biosphäre. Folglich wird jeder Jäger, der auf anderen Planeten lebt, durch die Linse eines Teleskops sehen, höchstwahrscheinlich eines sauerstofffreien Planeten. Nach welchen anderen Biosignaturen kann ein solcher Jäger suchen?Jeder Jäger, der auf anderen Planeten lebt, sieht durch die Linse eines Teleskops, höchstwahrscheinlich eines sauerstofffreien Planeten. Nach welchen anderen Biosignaturen kann ein solcher Jäger suchen?Jeder Jäger, der auf anderen Planeten lebt, sieht durch die Linse eines Teleskops, höchstwahrscheinlich eines sauerstofffreien Planeten. Nach welchen anderen Biosignaturen kann ein solcher Jäger suchen?
Derzeit ist der beste Weg, um die Antwort zu finden, zu unserer Zeitmaschine zurückzukehren. Nur dieses Mal wird es ein virtuelles Computermodell sein, das in die unzugänglichen Tiefen der anoxischen Vergangenheit der Erde (oder der gegenwärtigen fremden Welt) eintaucht und die mögliche Chemie von Gasen in der Atmosphäre und im Ozean untersucht, die stattfinden könnten. Durch die Verwendung von Daten aus alten Gesteinen und anderen Modellen zur Auswahl der besten Annahmen über die Chemie der Erdumwelt vor drei Milliarden Jahren kann ein Computer offensichtliche Ungleichgewichte erkennen - mögliche Biosignaturen. Genau das tat Cutling in Zusammenarbeit mit Joshua Chrissansen-Totton und Stephanie Olson von der University of California in Riverside.
Ihre "Zeitmaschine" ist eine numerische Annäherung an ein riesiges Luftvolumen, das in einer großen transparenten Box mit einem offenen Ozean am Boden der Box eingeschlossen ist. Der Computer berechnet einfach, wie die Gase in der Box im Laufe der Zeit reagieren und sich vermischen. Letztendlich verbrauchen die wechselwirkenden Gase die gesamte "freie Energie" in der Box und erreichen ein Gleichgewicht - wenn die Reaktion zusätzliche Energie von außen erfordert, als ob das Soda erschöpft wäre. Durch den Vergleich eines Cocktails aus Abgasen mit dem ursprünglich in der Box eingeschlossenen revitalisierten Gemisch können Wissenschaftler genau berechnen, wie und wann sich die Weltatmosphäre im Gleichgewicht befand. Dieser Ansatz könnte das offensichtlichste Beispiel für ein atmosphärisches Ungleichgewicht auf unserem Planeten reproduzieren - das Vorhandensein von Sauerstoff und Spuren von Methan. Einfache Chemie zeigtdass diese Gase nicht lange koexistieren sollten, sondern auf der Erde koexistieren, was deutlich macht, dass etwas auf unserem Planeten atmet und lebt. Aber für eine alte Erde ohne Sauerstoff würde das Modell ein völlig anderes Verhalten zeigen.
"Unsere Forschung liefert eine Antwort" auf die Frage, wie man anoxisches Leben auf einem erdähnlichen Planeten findet, sagt Cutling. Der größte Teil des Lebens ist einfach - wie Mikroben - und die meisten Planeten haben das Stadium sauerstoffreicher Atmosphären noch nicht erreicht. Die Kombination von relativ häufig vorkommendem Kohlendioxid und Methan (in Abwesenheit von Kohlenmonoxid) ist die Biosignatur einer solchen Welt.
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Chrissansen-Totton erklärt ausführlicher: „Das gleichzeitige Vorhandensein von Methan und Kohlendioxid ist ungewöhnlich, da Kohlendioxid der am stärksten oxidierte Zustand von Kohlenstoff ist und Methan (bestehend aus einem an vier Wasserstoffatome gebundenen Kohlenstoffatom) das Gegenteil ist. Es ist sehr schwierig, diese beiden extremen Formen der Oxidation in der Atmosphäre gleichzeitig ohne Leben zu erzeugen. Ein fester Planet mit einem Ozean und mehr als 0,1% Methan in der Atmosphäre sollte laut Wissenschaftlern als potenziell bewohnbarer Planet betrachtet werden. Und wenn atmosphärisches Methan einen Wert von 1% oder mehr erreicht, ist der Planet in diesem Fall nicht „potenziell“, sondern „höchstwahrscheinlich“bewohnbar.
Jim Casting, Atmosphärenchemiker an der University of Pennsylvania, sagt, diese Ergebnisse seien "auf dem richtigen Weg", obwohl "die Idee, dass Methan eine Biosignatur in einer Anoxidatmosphäre sein könnte, relativ alt ist".
Darüber hinaus haben Cutling und seine Co-Autoren herausgefunden, wie sich ihre Methansignatur manifestieren sollte und wie sie von nicht lebenden Quellen unterschieden werden kann. Nach ihrem Modell sollte Methan in der Atmosphäre eines anoxischen Planeten vom terrestrischen Typ normalerweise mit Kohlendioxid reagieren, das sich noch in der Luft befindet, sich mit Stickstoff und Wasserdampf vermischen und als schwere Verbindung regnen. Weitere Berechnungen ergaben, dass keine abiotischen (dh nicht lebenden) Methanquellen auf einem festen Planeten genug Gas produzieren können, um diesen Prozess zu stören - sei es durch Vulkangasverschmutzung, chemische Reaktionen in Tiefseequellen und sogar Asteroidenstürze. Nur eine lebende Population methanfressender Bakterien kann das Gas erklären. Noch wichtiger ist, selbst wenn abiotische Quellen genügend Methan liefern,Sie produzieren fast zwangsläufig viel Kohlenmonoxid, ein Gas, das für Tiere giftig ist, aber von vielen Mikroben geliebt wird. Zusammen könnten Methan und Kohlendioxid in Abwesenheit von Kohlenmonoxid auf einem festen Planeten mit einem Ozean durchaus als Zeichen eines sauerstoffunabhängigen Lebens interpretiert werden.
Das sind gute Nachrichten für Astronomen. Das James Webb-Teleskop wird Schwierigkeiten haben, das Vorhandensein von Sauerstoff auf einem potenziell bewohnbaren Planeten, den es auf seiner Mission sieht, direkt zu erkennen. So wie Ihre Augen sichtbares Licht unterscheiden können, aber weder Radio noch Röntgenstrahlen sehen können, ist Webbs Sicht auf das Infrarotspektrum abgestimmt - ein Teil des Spektrums, der sich ideal für die Untersuchung antiker Sterne und Galaxien eignet, aber mit Sauerstoffabsorptionslinien, in denen sie gestreut und selten sind, nicht gut zurechtkommt … Einige Wissenschaftler befürchten, dass die Suche nach Leben verschoben werden muss, bis andere, leistungsfähigere Teleskope verfügbar sind. Während Webb Sauerstoff nicht leicht sehen kann, können seine Infrarotaugen perfekt Zeichen eines sauerstofffreien Lebens erkennen. Das Teleskop kann gleichzeitig Methan erfassen,Kohlendioxid und Kohlenmonoxid in der Atmosphäre einiger Planeten in der Nähe von roten Zwergsternen. Zum Beispiel im TRAPPIST-1-System.
Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass Webb den wichtigsten Teil der Kriterien von Cutling beherrscht - die Bestimmung der relativen Menge jedes Gases - und kann beispielsweise nicht verstehen, ob Vulkane oder Furzmikroben auf einem bestimmten Planeten Methan produzieren. Es ist unwahrscheinlich, dass Webb auf einem Planeten unter einer roten Sonne eine Anoxid-Biosphäre findet.
Eine andere Sache ist wichtig. Das Leben ist wichtiger zu suchen als Sauerstoff.
Ilya Khel
