Bildnachweis: NASA
Christopher Chyba ist der leitende Forscher des SETI Institute Lead Teams des NASA Astrobiology Institute. Chyba leitete früher das Zentrum für das Studium des Lebens im Universum des SETI-Instituts. Sein NAI-Team verfolgt ein breites Spektrum an Forschungsaktivitäten und untersucht sowohl die Anfänge des Lebens auf der Erde als auch die Möglichkeit des Lebens auf anderen Welten. Der Chefredakteur des Astrobiology Magazine, Henry Bortman, sprach kürzlich mit Chyba über mehrere Projekte seines Teams, die den Ursprung und die Bedeutung von Sauerstoff in der Erdatmosphäre untersuchen werden.
Astrobiologie-Magazin:Viele der Projekte, an denen Mitglieder Ihres Teams arbeiten werden, haben mit Sauerstoff in der Erdatmosphäre zu tun. Sauerstoff ist heute ein wesentlicher Bestandteil unserer Atemluft. Aber auf der frühen Erde gab es sehr wenig Sauerstoff in der Atmosphäre. Es wird viel darüber diskutiert, wie und wann die Atmosphäre des Planeten mit Sauerstoff angereichert wurde. Können Sie erklären, wie die Forschung Ihres Teams diese Frage angehen wird?
Christoph, denke ich:Die übliche Geschichte, mit der Sie wahrscheinlich vertraut sind, ist, dass es nach der Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese auf der frühen Erde eine riesige biologische Sauerstoffquelle gab. Das ist die übliche Ansicht. Es kann richtig sein, und was bei solchen Argumenten normalerweise der Fall ist, ist nicht, ob ein Effekt richtig ist oder nicht. Wahrscheinlich waren viele Effekte aktiv. Es stellt sich die Frage, was der dominierende Effekt war oder ob es mehrere Effekte von vergleichbarer Bedeutung gab.
Der Forscher des SETI-Instituts, Friedemann Freund, hat eine völlig nicht-biologische Hypothese über den Anstieg von Sauerstoff, die experimentelle Unterstützung durch seine Laborarbeit hat. Die Hypothese ist, dass Gesteine, wenn sie aus Magma erstarren, kleine Mengen Wasser aufnehmen. Abkühlung und Folgereaktionen führen zur Bildung von Peroxyverbindungen (bestehend aus Sauerstoff- und Siliziumatomen) und molekularem Wasserstoff in den Gesteinen.
Wenn das Eruptivgestein anschließend verwittert, produzieren die Peroxyverbindungen Wasserstoffperoxid, das sich in Wasser und Sauerstoff zersetzt. Wenn dies also richtig ist, wird die bloße Verwitterung von magmatischen Gesteinen eine Quelle für freien Sauerstoff in die Atmosphäre sein. Und wenn man sich einige der Sauerstoffmengen ansieht, die Friedemann in seinen ersten Experimenten in kontrollierten Situationen aus Gesteinen freisetzen konnte, könnte es sein, dass dies eine wesentliche und bedeutende Sauerstoffquelle auf der frühen Erde war.
Selbst abgesehen von der Photosynthese könnte es auf jeder erdähnlichen Welt, die über magmatische Aktivität und flüssiges Wasser verfügt, eine Art natürliche Sauerstoffquelle geben. Dies würde darauf hindeuten, dass die Oxidation der Oberfläche möglicherweise etwas ist, von dem Sie erwarten, dass es stattfindet, unabhängig davon, ob die Photosynthese früh oder spät stattfindet. (Natürlich hängt der Zeitpunkt auch von den Sauerstoffsenken ab.) Ich betone, dass dies an dieser Stelle alles eine Hypothese ist, die eine viel sorgfältigere Untersuchung erfordert. Friedemann hat bisher nur Pilotversuche gemacht.
Eines der interessanten Dinge an Friedemanns Idee ist, dass sie darauf hindeutet, dass es auf Planeten eine wichtige Sauerstoffquelle geben könnte, die völlig unabhängig von der biologischen Evolution ist. Es könnte also einen natürlichen Antrieb zur Oxidation der Oberfläche einer Welt geben, mit allen sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Evolution. Oder vielleicht nicht. Der Punkt ist, die Arbeit zu erledigen und herauszufinden.
Ein weiterer Bestandteil seiner Arbeit, die Friedemann gemeinsam mit der Mikrobiologin Lynn Rothschild vom NASA Ames Research Center durchführen wird, beschäftigt sich mit dieser Frage, ob man in Umgebungen, die mit verwitterten Eruptivgesteinen und der Produktion von Sauerstoff verbunden sind, Mikroumgebungen hätte schaffen können, die hätte es bestimmten Mikroorganismen, die in diesen Umgebungen leben, ermöglicht, sich an eine sauerstoffreiche Umgebung anzupassen. Sie werden mit Mikroorganismen arbeiten, um diese Frage zu beantworten.
BIN:Emma Banks untersucht chemische Wechselwirkungen in der Atmosphäre von Saturnmond Titan. Wie hängt das mit dem Verständnis von Sauerstoff auf der frühen Erde zusammen?
Gleichstrom:Emma sucht nach einer anderen abiotischen Methode, die für die Oxidation der Oberfläche einer Welt wichtig sein könnte. Emma erstellt chemische Computermodelle bis hin zur quantenmechanischen Ebene. Sie macht sie in einer Reihe von Kontexten, aber was für diesen Vorschlag relevant ist, hat mit der Dunstbildung zu tun.
Auf Titan – und möglicherweise auch auf der frühen Erde, je nach Ihrem Modell für die Atmosphäre der frühen Erde – findet eine Polymerisation von Methan [der Kombination von Methanmolekülen zu größeren Kohlenwasserstoffkettenmolekülen] in der oberen Atmosphäre statt. Titans Atmosphäre besteht zu mehreren Prozent aus Methan; fast alles andere ist molekularer Stickstoff. Es wird mit ultraviolettem Licht der Sonne bombardiert. Es wird auch mit geladenen Teilchen aus der Magnetosphäre des Saturn bombardiert. Die Wirkung dieser Wirkung auf das Methan, CH4, besteht darin, das Methan aufzubrechen und zu längerkettigen Kohlenwasserstoffen zu polymerisieren.
Wenn Sie beginnen, Methan zu immer längeren Kohlenstoffketten zu polymerisieren, müssen Sie jedes Mal, wenn Sie der Kette einen weiteren Kohlenstoff hinzufügen, etwas Wasserstoff loswerden. Um zum Beispiel von CH4 (Methan) zu C2H6 (Ethan) zu gelangen, müssen Sie zwei Wasserstoffe loswerden. Wasserstoff ist ein extrem leichtes Atom. Selbst wenn es H2 erzeugt, ist dies ein extrem leichtes Molekül, und dieses Molekül geht von der Oberseite der Titanatmosphäre verloren, genauso wie es von der Oberseite der Erdatmosphäre verloren geht. Wenn Sie Wasserstoff von der Oberseite Ihrer Atmosphäre ablassen, besteht der Nettoeffekt darin, dass die Oberfläche oxidiert wird. Es ist also ein anderer Weg, der Ihnen eine Nettooxidation der Oberfläche einer Welt liefert.
Emma interessiert sich vor allem dafür, was auf Titan passiert. Aber es ist auch potenziell relevant als eine Art globaler Oxidationsmechanismus für die frühe Erde. Und um Stickstoff ins Bild zu bringen, interessiert sie sich für die potenzielle Produktion von Aminosäuren unter diesen Bedingungen.
BIN:Eines der Geheimnisse über das frühe Leben auf der Erde ist, wie es die schädlichen Auswirkungen der ultravioletten (UV) Strahlung überlebte, bevor genügend Sauerstoff in der Atmosphäre war, um einen Ozonschutz zu bilden. Janice Bishop, Nathalie Cabrol und Edmond Grin, die alle am SETI Institute arbeiten, untersuchen einige dieser Strategien.
Gleichstrom:Und da gibt es viele mögliche Strategien. Einer ist einfach tief genug unter der Oberfläche zu sein, egal ob Sie über das Land oder das Meer sprechen, um vollständig abgeschirmt zu sein. Ein anderer soll durch Mineralien im Wasser selbst abgeschirmt werden. Janice und Lynn Rothschild arbeiten an einem Projekt, das die Rolle von Eisenoxid-Mineralien in Wasser als eine Art UV-Schutz untersucht.
In Abwesenheit von Sauerstoff liegt das Eisen im Wasser als Eisenoxid vor. (Wenn Sie mehr Sauerstoff haben, oxidiert das Eisen weiter; es wird eisenhaltig und fällt aus.) Eisenoxid könnte möglicherweise die Rolle eines ultravioletten Schildes in den frühen Ozeanen oder in frühen Teichen oder Seen gespielt haben. Um zu untersuchen, wie gut es als potenzieller UV-Schutz ist, sollten Sie einige Messungen durchführen, einschließlich Messungen in natürlichen Umgebungen wie im Yellowstone. Und wieder gibt es eine mikrobiologische Komponente in der Arbeit mit Lynns Beteiligung.
Dies hängt mit dem Projekt zusammen, das Nathalie Cabrol und Edmond Grin aus einer anderen Perspektive verfolgen. Nathalie und Edmond interessieren sich sehr für den Mars. Sie sind beide im Wissenschaftsteam des Mars Exploration Rover. Zusätzlich zu ihrer Arbeit auf dem Mars erforschen Nathalie und Edmond Umgebungen auf der Erde als analoge Mars-Standorte. Eines ihrer Untersuchungsthemen sind Überlebensstrategien in Umgebungen mit hoher UV-Strahlung. Auf Licancabur (einem ruhenden Vulkan in den Anden) liegt ein sechs Kilometer hoher See. Wir wissen jetzt, dass es in diesem See mikroskopisch kleines Leben gibt. Und wir würden gerne wissen, welche Strategien sie haben, um dort in der UV-reichen Umgebung zu überleben? Und das ist eine andere, sehr empirische Herangehensweise an die Frage, wie das Leben in der Hoch-UV-Umgebung der frühen Erde überlebt hat.
Diese vier Projekte sind alle gekoppelt, weil sie mit dem Anstieg des Sauerstoffs auf der frühen Erde zu tun haben, wie Organismen überlebten, bevor es nennenswert Sauerstoff in der Atmosphäre gab, und dann, wie all dies mit dem Mars zusammenhängt.
Originalquelle: Astrobiologie-Magazin