Wenn die NASA Voyager-Raumschiff besuchte Saturns Mond Enceladus , fanden sie eine Leiche mit jungen, reflektierenden, eisigen Oberflächenmerkmalen. Einige Teile der Oberfläche waren älter und mit Kratern übersät, aber der Rest war eindeutig wieder aufgetaucht. Es war ein klarer Beweis dafür, dass Enceladus geologisch aktiv war. Der Mond ist auch nah Saturns E-Ring , und Wissenschaftler glauben, dass Enceladus die Quelle des Materials in diesem Ring sein könnte, was weiter auf geologische Aktivität hindeutet.
Seitdem haben wir viel mehr über den kalten Mond gelernt. Es hat mit ziemlicher Sicherheit einen warmen und salzigen unterirdischen Ozean unter seinem eisigen Äußeren, was es zu einem Hauptziel bei der Suche nach Leben macht. Die Raumsonde Cassini entdeckte molekularen Wasserstoff – eine potenzielle Nahrungsquelle für Mikroben – in Plumes, die aus dem unterirdischen Ozean von Enceladus kamen, und dies regte die Diskussion über das Potenzial des Mondes zur Gastgeberleben .
Jetzt verwendet ein neues Papier Modellierung, um die Chemie von Enceladus besser zu verstehen. Das Forscherteam dahinter sagt, dass der unterirdische Ozean eine Vielzahl von Chemikalien enthalten könnte, die eine vielfältige Gemeinschaft von Mikroben unterstützen könnten.
Was die Suche nach Leben anderswo im Sonnensystem angeht, überprüft Enceladus viele Kästchen. Der sechstgrößte Mond des Saturn hat einen Durchmesser von etwa 500 km (310 Meilen) und scheint einen globalen Ozean zu haben, der unter einer Eisschicht verborgen ist. Und dieser Ozean ist wahrscheinlich warm und salzig und enthält einige interessante Chemikalien. Laut der neuen Forschung gibt es unter diesen Chemikalien mehrere Wege, die das Leben unterstützen könnten.
Dieses farbige Voyager 2 Bildmosaik zeigt die wassereisbedeckte Oberfläche von Enceladus. Teile der Mondoberfläche sind alt und mit Kratern übersät, andere hingegen sind jung und hell, was auf geologische Aktivität hindeutet. Bildquelle: NASA/JPL/USGS
Der Titel der Arbeit lautet „ Oxidationsprozesse diversifizieren das Stoffwechselmenü auf Enceladus. ” Die Hauptautorin ist Christine Ray, eine Ph.D. Student am Department of Physics and Astronomy, University of Texas, San Antonio. Ray ist auch in der Space Science and Engineering Division am Southwest Research Institute (SwRI) tätig. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Science Direct veröffentlicht.
Diese Arbeit wurde durch Cassinis Entdeckung von molekularem Wasserstoff in Dampfwolken von Enceladus vorangetrieben.
„Der Nachweis von molekularem Wasserstoff (H2) in der Wolke zeigte an, dass im Ozean von Enceladus freie Energie verfügbar ist“, sagte Hauptautor Ray in a Pressemitteilung . „Auf der Erde, aerob oder sauerstoffatmend, verbrauchen Lebewesen Energie in organischen Stoffen wie Glukose und Sauerstoff, um Kohlendioxid und Wasser zu erzeugen. Anaerobe Mikroben können Wasserstoff metabolisieren, um Methan zu erzeugen. Alles Leben kann zu ähnlichen chemischen Reaktionen destilliert werden, die mit einem Ungleichgewicht zwischen Oxidationsmittel und Reduktionsmittel Verbindungen.“
Das Ungleichgewicht, auf das Ray verweist, erzeugt einen lebenswichtigen Energiegradienten. Der Energiegradient ermöglicht den Energieaustausch zwischen einem Organismus und seiner Umgebung. Prozesse rund um diese Gradienten sind für viele Aspekte der Biologie, wie Photosynthese und Atmung, von entscheidender Bedeutung. Wenn ein System im Gleichgewicht ist, gibt es keinen Energiegradienten, was eine Barriere für das Leben darstellt.
Als molekularer Wasserstoff in den von Enceladus kommenden Plumes entdeckt wurde, zog er eine Parallele zu den hydrothermalen Schloten der Tiefsee hier auf der Erde. An diesen Schloten liefert Wasserstoff eine Energiequelle für ein ganzes Ökosystem. Die Leute begannen sich sofort zu fragen, ob das Gleiche für Enceladus gelten könnte.
Aber diese Studie geht noch weiter. Die Autoren wollten wissen, ob es im Ozean von Enceladus andere Energiepfade geben könnte, die dem Leben förderlich sind.
„Wir haben uns gefragt, ob andere Arten von Stoffwechselwegen auch Energiequellen im Ozean von Enceladus liefern könnten“, sagte Ray. „Da dies eine andere Reihe von Oxidationsmitteln erfordern würde, die wir in der Wolke von Enceladus noch nicht entdeckt haben, führten wir chemische Modellierungen durch, um zu bestimmen, ob die Bedingungen im Ozean und im felsigen Kern diese chemischen Prozesse unterstützen könnten.“
Künstlerisches Rendering, das einen inneren Querschnitt der Kruste von Enceladus zeigt, der zeigt, wie hydrothermale Aktivität die Wasserfahnen an der Mondoberfläche verursachen kann. Credits: NASA-GSFC/SVS, NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute
Wenn es um Enceladus und das Leben geht, ist die Verfügbarkeit von Energie entscheidend. Die Autoren schreiben in ihrem Artikel, dass „Verbindungen, die in Stoffwechselreaktionen verwendet werden könnten, in Ungleichgewichtskonzentrationen vorhanden sein müssen, damit die Biologie der Umwelt Energie entziehen kann, um das System in Richtung Gleichgewicht zu bringen.“
Cassini hat uns gezeigt, dass es dank molekularem Wasserstoff mindestens einen Lebensweg gibt. Die notwendigen Chemikalien sind vorhanden für Methanogenese stattfinden. Dabei oxidiert molekularer Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan. Dieser Weg ist auf der Erde üblich, auch im menschlichen Darm, wo Archaeen die Methanogenese nutzen.
Da es in der Nähe von Enceladus keine Raumsonde gibt und es keine Möglichkeit gibt, die benötigten Daten zu sammeln, wandte sich das Team Modellen zu. Sie fragten sich, ob in Enceladus andere Oxidationsmittel als Kohlendioxid vorhanden sein könnten, möglicherweise unterhalb der Nachweisgrenze von Cassini, die einen anderen Weg für das Leben bieten könnten.
Cassini-Bilder von Saturns Mond Enceladus im Gegenlicht der Sonne zeigen die brunnenartigen Quellen des feinen Materialnebels, der über der Südpolarregion thront. Dieses Bild wurde mit mehr oder weniger Breitseite auf die „Tigerstreifen“-Frakturen aufgenommen, die in früheren Enceladus-Bildern beobachtet wurden. Es zeigt diskrete Schwaden unterschiedlicher scheinbarer Größe über dem Rand des Mondes. Dieses Bild wurde am 27. November 2005 aufgenommen. Bildquelle: NASA/JPL/Space Science Institute
Worum es in dieser Studie wirklich geht, ist die Beziehung zwischen Energie und Biologie. Um diese Beziehung auf Enceladus zu untersuchen, konzentrierten sich die Autoren auf zwei Schlüsselkonzepte: chemische Affinität und Energiefluss.
Chemische Affinität ist die Fähigkeit unterschiedlicher Chemikalien, Verbindungen zu bilden, und laut den Autoren auch „… die Menge an freier Energie, die bei einer Stoffwechselreaktion verfügbar ist“. Der Energiefluss „… bestimmt, wie viel Biomasse im stationären Zustand unterstützt werden kann“, so die Autoren. Vieles davon ist auf Oxidationsmittel zurückzuführen. Im Wesentlichen bestimmt die Oxidationsmittelproduktion, wie viel Energie für das Leben zur Verfügung steht.
Die Autoren wollten die Oxidationsmittelproduktion auf Enceladus aus zwei Gründen modellieren: „um 1) den Oxidationsmittelhaushalt oder die Konzentrationen und Flüsse von stoffwechselrelevanten Oxidationsmitteln im Ozean einzuschränken und 2) zu bestimmen, ob diese zusätzlichen Stoffwechselwege ausreichend Energie für das Leben liefern könnten. ”
Um all dies zu untersuchen, haben sie drei verschiedene Fälle modelliert, wie in der Abbildung unten gezeigt.
Diese Tabelle aus der Studie zeigt die Gesamtzahl der Zellen, die von unserer Liste der metabolischen Redoxreaktionen unterstützt werden könnten, basierend auf dem Erhaltungsenergiebedarf für Chemostat-Zellkulturen. Zellen können durch alle unsere betrachteten aeroben und anaeroben Reaktionen unterstützt werden, außer in einigen Fall-II-Bedingungen, bei denen die Energieflüsse nicht ausreichten, um Leben zu erhalten. Somit sind die entsprechenden Zellenzahlen gleich null. Bildquelle: Ray et al. 2020.
Was haben sie also gefunden?
„Dieses neue Papier ist ein weiterer Schritt, um zu verstehen, wie ein kleiner Mond Leben auf eine Weise erhalten kann, die unsere Erwartungen vollständig übertrifft!“
Hunter Waite, Co-Autor, SwRI-Programmdirektor.
Sie fanden heraus, dass nach ihren Modellen genügend Oxidationsmittel produziert werden könnten, um andere Lebenswege zu schaffen. Oberflächeneis könnte durch Energie abgebaut werden und Oxidationsmittel freisetzen. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen.
„Wir haben gezeigt, dass die Produktion von radiolytisch Oxidationsmittel auf Enceladus könnten zu Redox-Ungleichgewichten im Ozean führen, die Energie liefern könnten, um mutmaßliches Leben zu unterstützen. Radiolyse von Oberflächeneis, gekoppelt mit Transport von Eis in den Ozean im geologisch aktiven Tigerstreifenregion , kann bis zu 9,4 × 1015 Mol O2 und 3,3 × 1016 Mol H2O2 abgeben“, schreiben sie in ihrer Studie.
Im Jahr 2005 zeigten Daten von Cassini, dass die sogenannten „Tiger Stripe“-Merkmale in der Südpolregion von Enceladus warme Flecken sind. Bild: NASA/JPL/GSFC/SwRI/SSI
Sie fanden auch heraus, dass der Zerfall eines radioaktiven Isotops von Kalium (K) Oxidationsmittel produzieren könnte.
„Elektronen und Gammastrahlen, die durch den Zerfall von 40.000 Atomen im Ozean freigesetzt werden, können weitere 4,2 × 1016 Mol O2 und 1,4 × 1015 Mol H2O2 direkt im Ozean produzieren.“
„Wir haben unsere Schätzungen der freien Energie mit Ökosystemen auf der Erde verglichen und festgestellt, dass unsere Werte sowohl für den aeroben als auch für den anaeroben Stoffwechsel die Mindestanforderungen erfüllen oder übertreffen“, sagte Ray in der Pressemitteilung. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Oxidationsmittelproduktion und die Oxidationschemie dazu beitragen könnten, mögliches Leben und eine metabolisch vielfältige mikrobielle Gemeinschaft auf Enceladus zu unterstützen.“
Diese Zahl aus der Studie zeigt die Menge an molekularem Wasserstoff, molekularem Sauerstoff und Wasserstoffperoxid, die durch den Zerfall von Kalium 40 im Laufe der Zeit entsteht. Bildquelle: Ray et al, 2020.
Das ist an sich schon spannend. Aber es gibt noch mehr.
„Nachdem wir potenzielle Nahrungsquellen für Mikroben identifiziert haben, stellt sich als Nächstes die Frage: ‚Was ist die Natur der komplexen organischen Stoffe, die aus dem Ozean kommen?'“, sagte SwRI-Programmdirektor Dr. Hunter Waite, Mitautor von das neue Papier. „Dieses neue Papier ist ein weiterer Schritt, um zu verstehen, wie ein kleiner Mond Leben auf eine Weise erhalten kann, die unsere Erwartungen vollständig übertrifft!“
„Wir müssen vorsichtig sein, aber ich finde es berauschend, darüber nachzudenken, ob es seltsame Lebensformen geben könnte, die diese Energiequellen nutzen, die für Enceladus von grundlegender Bedeutung zu sein scheinen.“
Dr. Christopher Glein, Co-Autor, SwRI Senior Research Scientist
Wie bei vielen Modellierungen und Forschungen zu anderen Welten sind diese Ergebnisse sowohl verlockend als auch ein wenig frustrierend. Wir müssen auf eine weitere Mission nach Enceladus warten, um sie zu bestätigen oder auszuschließen. Wir brauchen ein weiteres Raumschiff, hoffentlich mit feineren Instrumenten, um durch Enceladus' Wolken zu reisen und mehr Messungen durchzuführen.
Die „Brunnen“ von Enceladus. Bildnachweis: NASA/JPL/SSI
„Eine zukünftige Raumsonde könnte durch die Wolke von Enceladus fliegen, um die Vorhersagen dieses Papiers über die Häufigkeiten oxidierter Verbindungen im Ozean zu testen“, sagte SwRI Senior Research Scientist Dr. Christopher Glein, ein weiterer Koautor. „Wir müssen vorsichtig sein, aber ich finde es berauschend, darüber nachzudenken, ob es seltsame Lebensformen geben könnte, die diese Energiequellen nutzen, die für Enceladus von grundlegender Bedeutung zu sein scheinen.“
Eine Mission für Enceladus befindet sich derzeit in der Konzeptphase. NASAs Enceladus Lebensfinder ist ein Vorschlag, einen solarbetriebenen Orbiter nach Enceladus zu schicken. Der Life Finder würde Saturn umkreisen, aber wiederholt durch die Dampffahnen von Enceladus fliegen und Messungen durchführen. Es wurde 2017 vorgeschlagen, aber nicht ausgewählt, aber die Idee lebt noch.
Künstlerische Illustration der Federn von Enceladus. Bildquelle: NASA/JPL-Caltech
Das letzte Wort geht vorerst an die Autoren. In ihrer Schlussfolgerung schreiben sie: „Wir haben gezeigt, dass neben der Methanogenese aerobe und/oder anaerobe Reaktionen in jedem unserer drei Fälle den minimalen freien Energiebedarf für terrestrisches Leben, ?Gmin, decken und Erhaltungsenergie zur Unterstützung bereitstellen können Zellleben in Enceladus.“
„Die radiolytische Oxidationsmittelproduktion und Redoxchemie im Ozean und Meeresboden von Enceladus sind daher in der Lage, Stoffwechselprozesse über die Methanogenese hinaus zu unterstützen und die Möglichkeit einer metabolisch vielfältigen mikrobiellen Gemeinschaft im Ozean von Enceladus zu schaffen.“
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