Um Beweise für Leben auf Exoplaneten zu finden, sollten Wissenschaftler nach „Purple Earths“ suchen

Es ist keine leichte Aufgabe, potenziell bewohnbare Planeten außerhalb unseres Sonnensystems zu finden. Während die Zahl der bestätigten extrasolaren Planeten in den letzten Jahrzehnten sprunghaft angestiegen ist ( 3791 und zählen !), wurden die allermeisten mit indirekten Methoden nachgewiesen. Dies bedeutet, dass die Charakterisierung der Atmosphären und Oberflächenbedingungen dieser Planeten eine Frage von Schätzungen und fundierten Vermutungen war.

In ähnlicher Weise suchen Wissenschaftler nach Bedingungen, die denen hier auf der Erde ähneln, da die Erde der einzige uns bekannte Planet ist, der Leben unterstützt. Aber wie viele Wissenschaftler angedeutet haben, haben sich die Bedingungen der Erde im Laufe der Zeit dramatisch verändert. Und in a Kürzlich durchgeführte Studie , argumentieren zwei Forscher, dass eine einfachere Form photosynthetischer Lebensformen möglicherweise älter ist als diejenigen, die auf Chlorophyll angewiesen sind – was drastische Auswirkungen auf die Jagd nach bewohnbaren Exoplaneten haben könnte.

Wie sie in ihrer Studie angeben, die kürzlich in der Internationale Zeitschrift für Astronomie , während die Ursprünge des Lebens immer noch nicht vollständig verstanden sind, wird allgemein angenommen, dass das Leben zwischen 3,7 und 4,1 Milliarden Jahren entstand (während des späten Hadäischen oder frühen Archäischen Äon). Zu dieser Zeit war die Atmosphäre radikal anders als die, die wir heute kennen und auf die wir angewiesen sind.

Künstlerische Darstellung des Archäischen Äons auf der Erde. Bildnachweis: Smithsonian/Peter Sawyer

Anstatt hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff (~78 % bzw. 21 %, wobei Spurengase den Rest ausmachen) zu bestehen, bestand die frühe Erdatmosphäre aus einer Kombination aus Kohlendioxid und Methan. Und dann, vor ungefähr 2,9 bis 3 Milliarden Jahren, tauchten photosynthetische Bakterien auf, die begannen, die Atmosphäre mit Sauerstoffgas anzureichern.

Aufgrund dieser und anderer Faktoren erlebte die Erde das, was als „ Großes Oxidationsereignis “ vor etwa 2,3 Milliarden Jahren, was die Atmosphäre unseres Planeten nachhaltig veränderte. Trotz dieses allgemeinen Konsenses bleibt der Prozess und die Zeitachse, in der sich Organismen entwickelt haben, um Sonnenlicht mit Chlorophyll in chemische Energie umzuwandeln, weiterhin Gegenstand vieler Vermutungen.

Laut der Studie von Shiladitya DasSarma und Dr. Edward Schwieterman – Professor für Molekularbiologie an der University of Maryland bzw. Astrobiologe an der UC Riverside – kann jedoch eine andere Art der Photosynthese vor Chlorophyll bestehen. Ihre Theorie, bekannt als „Purple Earth“, ist, dass Organismen, die Photosynthese mit Retinal (einem violetten Pigment) betreiben, auf der Erde vor denen entstanden sind, die Chlorophyll verwenden.

Diese Form der Photosynthese ist auch heute noch auf der Erde verbreitet und dominiert eher in hypersalinen Umgebungen – also an Orten mit besonders hohen Salzkonzentrationen. Darüber hinaus ist die retinalabhängige Photosynthese ein viel einfacherer und weniger effizienter Prozess. Aus diesen Gründen erwogen DasSarma und Schwieterman die Möglichkeit, dass sich die Photosynthese auf Netzhautbasis früher entwickelt haben könnte.

Maschinen in den Chloroplasten von Pflanzenzellen wandeln Sonnenlicht in Energie um und emittieren dabei Fluoreszenz. Wissenschaftler können den Fluoreszenz-Fingerabdruck in Satellitendaten erkennen. Bildnachweis: NASA Goddards Conceptual Image Lab/T. Verfolgungsjagd

Wie Professor DasSarma Universe Today per E-Mail sagte:

„Retinal ist im Vergleich zu Chlorophyll eine relativ einfache Chemikalie. Es hat eine isoprenoide Struktur und es gibt Beweise für das Vorkommen dieser Verbindungen auf der frühen Erde, bereits vor 2,5-3,7 Milliarden Jahren. Die Absorption von Retinal erfolgt im gelb-grünen Teil des sichtbaren Spektrums, wo ein Großteil der Sonnenenergie gefunden wird, und sie ist komplementär zur Absorption von Chlorophyll in den flankierenden blauen und roten Bereichen des Spektrums. Die Phototrophie auf Netzhautbasis ist viel einfacher als die chlorophyllabhängige Photosynthese und erfordert nur die Netzhautproteine, ein Membranvesikel und die ATP-Synthase, um Lichtenergie in chemische Energie (ATP) umzuwandeln. Es scheint vernünftig, dass sich die einfachere retinalabhängige Photosynthese früher entwickelt hat als die komplexere chlorophyllabhängige Photosynthese.“

Sie stellten außerdem die Hypothese auf, dass die Entstehung dieser Organismen kurz nach der Entwicklung des Zelllebens als ein frühes Mittel zur Erzeugung von Zellenergie erfolgt wäre. Die Evolution der Chlorophyll-Photosynthese könnte daher als eine Folgeentwicklung gesehen werden, die sich neben ihrem Vorgänger entwickelt hat, wobei beide bestimmte Nischen besetzten.

„Netzhautabhängige Phototrophie wird für das lichtgetriebene Protonenpumpen verwendet, was zu einem transmembranen protonenmotivierenden Gradienten führt“, sagte DasSarma. „Der protonenmotorische Gradient könnte chemiosmotisch an die ATP-Synthese gekoppelt sein. Es wurde jedoch kein Zusammenhang mit der C-Fixierung oder der Sauerstoffproduktion in existierenden (modernen) Organismen wie in Pflanzen und Cyanobakterien gefunden, die Chlorophyllpigmente für beide Prozesse während der Phasen der Photosynthese verwenden.“

„Der andere große Unterschied ist das Lichtspektrum, das von Chlorophyllen und (retinalen) Rhodopsinen absorbiert wird“, fügte Schwieterman hinzu. 'Während Chlorophylle im blauen und roten Teil des visuellen Spektrums am stärksten absorbieren, absorbiert Bakteriorhodopsin am stärksten im grün-gelben Bereich.'

Während also chlorophyllgetriebene photosynthetische Organismen rotes und blaues Licht absorbieren und grünes Licht reflektieren, würden retinalgetriebene Organismen grünes und gelbes Licht absorbieren und lila reflektieren. Während DaSarma die Existenz solcher Organismen vorgeschlagen hat in der Vergangenheit , untersuchten sie und Schwietermans Studie die möglichen Auswirkungen, die eine „Purple Earth“ auf die Jagd nach bewohnbaren extrasolaren Planeten haben könnte.

Dank jahrzehntelanger Erdbeobachtung haben Wissenschaftler verstanden, dass grüne Vegetation aus dem Weltraum mit dem sogenannten Vegetation Red Edge (VRE) identifiziert werden kann. Dieses Phänomen bezieht sich darauf, wie grüne Pflanzen rotes und gelbes Licht absorbieren, während sie grünes Licht reflektieren, während sie gleichzeitig im Infraroten hell leuchten.

Aus dem Weltraum mit Breitbandspektroskopie betrachtet, sind daher große Vegetationskonzentrationen anhand ihrer Infrarotsignatur identifizierbar. Die gleiche Methode wurde von vielen Wissenschaftlern (einschließlich Carl Sagan) für das Studium von Exoplaneten vorgeschlagen. Seine Anwendbarkeit wäre jedoch auf Planeten beschränkt, die auch Chlorophyll-getriebene Photosynthesepflanzen entwickelt haben und die über einen erheblichen Teil des Planeten verteilt sind.

Künstlerisches Konzept von Kepler-69c, einem supererdgroßen Planeten in der bewohnbaren Zone eines Sterns wie unserer Sonne, der sich etwa 2.700 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Cygnus befindet. Bildnachweis: NASA

Darüber hinaus haben sich photosynthetische Organismen erst in der relativ jüngeren Geschichte der Erde entwickelt. Während die Erde seit etwa 4,6 Milliarden Jahren existiert, erschienen grüne Gefäßpflanzen erst vor 470 Millionen Jahren. Infolgedessen könnten Exoplaneten-Surveys, die nach grüner Vegetation suchen, nur bewohnbare Planeten finden, die in ihrer Entwicklung weit fortgeschritten sind. Wie Schwieterman erklärte:

„Unsere Arbeit beschäftigt sich mit der Teilmenge von Exoplaneten, die bewohnbar sein könnten und deren spektrale Signaturen eines Tages auf Lebenszeichen untersucht werden könnten. Die VRE als Biosignatur wird von nur einer Art von Organismus beeinflusst – Sauerstoff produzierenden Photosynthesen wie Pflanzen und Algen. Diese Art von Leben ist heute auf unserem Planeten vorherrschend, aber das war nicht immer so und ist möglicherweise nicht auf allen Exoplaneten der Fall. Obwohl wir erwarten, dass das Leben anderswo einige universelle Eigenschaften hat, maximieren wir unsere Erfolgschancen bei der Suche nach Leben, indem wir die unterschiedlichen Eigenschaften berücksichtigen, die Organismen anderswo haben können.“

In dieser Hinsicht ist die Studie von DeSharma und Schwieterman der neueren Arbeit von Dr. Ramirez nicht unähnlich ( 2018 ) und Ramirez und Lisa Kaltenegger ( 2017 ) und andere Forscher. In diesen und anderen ähnlichen Studien haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass das Konzept einer „bewohnbaren Zone“ erweitert werden könnte, indem man bedenkt, dass die Erdatmosphäre einst ganz anders war als heute.

Anstatt also nach Anzeichen von Sauerstoff und Stickstoffgas und Wasser zu suchen, könnten Umfragen nach Anzeichen vulkanischer Aktivität (die in der Vergangenheit der Erde weitaus häufiger vorkam) sowie nach Wasserstoff und Methan suchen – die für die frühen Bedingungen auf der Erde wichtig waren. Auf ähnliche Weise, so Schwieterman, könnten sie mit ähnlichen Methoden nach violetten Organismen suchen, wie sie hier auf der Erde zur Überwachung der Vegetation verwendet werden:

„Das retinale Lichtsammeln, das wir in unserem Papier besprechen, würde eine Signatur erzeugen, die sich von der VRE unterscheidet. Während die Vegetation einen charakteristischen „roten Rand“ aufweist, der durch die starke Absorption von rotem Licht und die Reflexion von Infrarotlicht verursacht wird, absorbieren die violetten Membran-Bakteriorhodopsine grünes Licht am stärksten und erzeugen einen „grünen Rand“. Die Merkmale dieser Signatur würden sich zwischen Organismen unterscheiden, die im Wasser oder an Land suspendiert sind, genau wie bei gewöhnlichen Photosynthesegeräten. Wenn retinalbasierte Phototrophe in ausreichender Menge auf einem Exoplaneten existieren würden, wäre diese Signatur in das reflektierte Lichtspektrum dieses Planeten eingebettet und könnte möglicherweise von zukünftigen fortschrittlichen Weltraumteleskopen (die auch nach VRE, Sauerstoff, Methan und auch andere potenzielle Biosignaturen).“

In den kommenden Jahren wird sich unsere Fähigkeit zur Charakterisierung von Exoplaneten dank Teleskopen der nächsten Generation wie dem James Webb Weltraumteleskop (JWST), die Extrem großes Teleskop (ELT), die Dreißig-Meter-Teleskop , und der Riesen-Magellan-Teleskop (MITTLERE GREENWICH-ZEIT). Mit diesen zusätzlichen Fähigkeiten und einer größeren Auswahl, wonach Sie Ausschau halten müssen, könnte die Bezeichnung „potenziell bewohnbar“ eine neue Bedeutung bekommen!

Weiterlesen: Astrobiologie-Magazin , IJA