Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary and Multiple-Star Systems. May 23 rd, 2012 Wolfgang Sakuler

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1 Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary and Multiple-Star Systems May 23 rd, 2012 Wolfgang Sakuler

2 Einleitung Exotische Photosynthese in Binär- und Mehrfach-Sternsystemen: Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 2

3 Einleitung Ziel: Untersuchung, ob Planeten in Binär- und Mehrfach-Sternsystemen exotische Lebensformen beherbergen können, welche auf Photosynthese basieren Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 3

4 Einleitung Kombinationen von M (Rote Zwerge) und G (sonnen-ähnlich) Sternen in Binär- und Dreifach- Sternsystemen wurden untersucht Peak-Photonen-Fluss der beteiligten Sterne für die jeweiligen Szenarien wurden modeliert und simuliert Bewertung der jeweiligen Szenarien, ob Photonen-Fluss ausreichend ist, um Photosynthese zu ermöglichen Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 4

5 Einleitung Haupt-Publikation: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary and Multiple Star Systems, Astrobiology 12(2): Jack O Malley-James: Astronomical Dept. of University of St. Andrews PhD: Biosignatures of diverse microbial life on extrasolar planets ursprünglich Physiker, bezeichnet sich selbst als Pseudo-Biologe Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 5

6 Photosynthese Altgr.: ϕωζ Phos Licht + συνθεσιζ synthesis Zusammensetzung Erzeugung von energiereichen Stoffen aus energieärmeren Stoffen mit Hilfe von Lichtenergie Von Pflanzen, Algen und einigen Bakteriengruppen betrieben Biochemischer Vorgang: zunächst Umwandlung von Lichtenergie in chem. Energie mit Hilfe von lichtabsorbierenden Farbstoffen, meistens Chlorophyllen Chem. Energie wird zur Fixierung von CO 2 verwendet: aus energiearmen, anorganischen Stoffen, hauptsächlich CO 2 und H 2 O werden energiereiche organische Verbindungen Kohlenhydrate - synthetisiert May 23 rd, 2012 Seite 6

7 Photosynthese Unterscheidung oxygener und anoxygener Photosynthese: Bei oxygener Photosynthese wird O 2 freigesetzt bei anoxygener nicht Bei anoxygener Photosynthese kann z.b. elementarer S freigesetzt werden Oxygene Photosynthese ist einer der bedeutendsten und ältesten biogeochem. Prozesse auf Erde (ca Mrd Jahre alt) (ältester Prozess ist anoxygene Photosynthese, ca Mrd Jahre alt) Bildung organ. Stoffe mittels Sonnenenergie Treibt nahezu alle bestehende Ökosysteme an Liefert anderen Lebewesen energiereiche Baustoff- und Energiequellen Zusätzlich wird Sauerstoff erzeugt, der für viele Lebewesen lebensnotwendig ist Aus Sauerstoff wird zudem Ozonschicht aufgebaut May 23 rd, 2012 Seite 7

8 Photosynthese Untergliederung in drei Hauptschritte: 1. Absorption von elektromagn. Energie in Form von Licht geeigneter Wellenlänge unter Verwendung von Farbstoffen (Chlorophylle, Phycobiline, Carotinoide) 2. Umwandlung der elektromagn. Energie in chem. Energie durch Übertragung von Elektronen, welche von Lichtenergie (Photonen) in einen energiereichen (angeregten) Zustand versetzt wurden (Redoxreaktion) 3. Synthese energiereicher organ. Verbindungen unter Verwendung chem. Energie, welche Lebewesen Baustoffe für Wachstum und Energie für Stoffwechsel liefern Reduktion von CO 2 : Reduktionsmittel (Elektronendonor): H 2 O, H 2, H 2 S, Fe 2+, od. einfache organ. Stoffe (Säuren, Alkohole, z.b. Acetat, Ethanol) May 23 rd, 2012 Seite 8

9 Photosynthese Allgemeine Photosynthesegleichung: CO e <H> + Photonen <CH 2 O> + H 2 O CO H 2 O + Photonen <CH 2 O> + O 2 + H 2 O CO H 2 S + Photonen <CH 2 O> + 2 S + H 2 O oxygen anoxygen May 23 rd, 2012 Seite 9

10 Photosynthese Oxygene Photosynthese: Alle eukaryotischen phototrophen Lebewesen (Grüne Pflanzen, Algen) und Cyanobakterien nutzen Energie von Licht, um Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) zu speichern und als Reduktionsmittel Elektronen e - aus H 2 O zu gewinnen Bei Oxidation von H 2 O werden O 2 und H + Ionen freigesetzt (Photolyse von H 2 O) Gewonnene e - werden auf NADP + -Moleküle übertragen, welche im Stoffwechsel für Aufbau von Kohlenhydraten notwendig sind ( Dunkelreaktion ) Lichtreaktion : 12 H 2 O + Photonen 24 (H) + 6 O 2 Dunkelreaktion : 6 CO (H) C 6 H 12 O H 2 O => 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 H = kj/mol May 23 rd, 2012 Seite 10

11 Photosynthese Oxygene Photosynthese: Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 11

12 Photosynthese Signaturen Vielversprechende Biosignatur für Außerirdisches Leben basierend auf oxygener Photosynthese ist Sauerstoff Spektroskopischer Nachweis von Sauerstoff in Atmosphäre eines terrestrischen Planeten wird als Indikator für Leben vorgeschlagen Sauerstoff könnte auch indirekt nachgewiesen werden über 9.6 µm Ozon-Linie. May 23 rd, 2012 Seite 12

13 Exoplaneten über 700 Exoplaneten entdeckt Exoplaneten mit m <= 10 M bestätigt Schätzung: 18% der Sterne besitzen Planet mit m < 10 M Schätzung: % der sonnen-ähnlichen Sterne könnten erd-ähnlichen Planet besitzen Spektren von erd-ähnlichen Planeten könnten analysiert werden und Vorkommen von flüssigem H 2 O könnte detektiert werden May 23 rd, 2012 Seite 13

14 Exoplaneten Voraussetzung für oxygene Photosynthese auf Exoplaneten Geeignete Atmosphäre Ausreichend Licht in geeigneter Wellenlänge Leben auf Erde nutzt Wellenlängen von etwas unter 400 nm über 700 nm Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 14

15 Exoplaneten oxygene Photosynthese auf Exoplaneten Für Photosynthese verfügbare Anzahl und Art der Photonen hängt von Emissions- Eigenschaften der Sonne und Verlusten in der Atmosphäre (Wasser) ab wenn Emissions-Maximum von Stern bei anderer Wellenlänge liegt als bei unserer Sonne, dann werden aller Wahrscheinlichkeit nach Wellenlänge und Anzahl der Photonen, bei denen Photosynthese stattfindet, unterschiedlich zu Situation auf unserer Erde sein May 23 rd, 2012 Seite 15

16 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme Existenz von habitablen Planeten in Binär-Sternsystemen wurde bereits untersucht Möglichkeit von Leben basierend auf Photosynthese in Einfach-Sternsystemen wurde bereits analysiert (Franck et al., 2001; Wolstencraft, Raven, 2002, Raven and Cockell, 2006; Cockell et al., 2009) Einfluss eines zweiten bzw. dritten Sterns auf potentielle oxygene Phostosynthese ist neuer Aspekt der Analyse von O Mallay-James et.al. May 23 rd, 2012 Seite 16

17 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme: G (1 M sol ) und M (< 0.5 M sol ) Sterne Quelle: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Astrobiology 12(2): Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 17

18 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme z.b. Kepler 16b (saturn-artig) Binär-Sternsystem, K + M, a ~ 0.22 AU m ~ 0.3 M J, r ~ 0.7 R J, a p ~ 0.7 AU Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 18

19 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme Planeten mit m < M 55 Cnc e: Binär-Sternsystem, G + M, a ~ 1000 AU m ~ 8.6 M, r ~ 2 R, a p ~ AU Quelle: GJ 667C b: 3-Sternsystem, M + (2 K), a ~ AU m ~ 5.7 M, a p ~ 0.05 AU Quelle: Guillem Anglada-Escudé/Celestia-Software May 23 rd, 2012 Seite 19

20 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme Survey (Duquennnoy und Mayor, 1991): 57% von G Sternen sind Mehrfach-Sternsysteme 25-30% von M Sternen sind Mehrfach-Sternsysteme May 23 rd, 2012 Seite 20

21 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme 3 Szenarien für Kombinationen von G (1 M sol ) und M (< 0.5 M sol ) Sternsystemen : Close-Binary -Sternsysteme: P-Typ Planetenbahn, Stern-Abstand < 0.5 AU Wide-Binary -Sternsysteme: S-Typ Planetenbahn, Stern-Abstand > 3 AU Mehrfach-Sternsysteme: 2 nah-benachbarte Sterne + 1 weiter entfernter Stern May 23 rd, 2012 Seite 21

22 Exoplaneten Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme 3 Szenarien für Kombinationen von G (1 M sol ) und M (< 0.5 M sol ) Sternsystemen : Quelle: Cockell, C.S., Raven J.A., Kaltenegger L. and Logan R. C. (2009) Planetary targets in the search for extrasolar oxygenic photosynthesis, Plant Ecology and Diversity 2: May 23 rd, 2012 Seite 22

23 Habitable Zone Abstandsbereich, in dem sich Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser in flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf Oberfläche vorliegen kann Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 23

24 Habitable Zone Kontinuierliche Habitable Zone ( Continously Habitable Zone CHZ) jener Bereich um Stern(e), der einen genügend langen Zeitraum habitabel ist, sodass sich Leben entwickeln kann Berechnung der CHZ nach Methode von Kolena (2007) Annahme für Berechnung: Leuchtkraft von G Sternen bei 0.7 L sol (vor 4.5 Mrd a) und 1 L sol, Leuchtkraft von M Sternen nahezu konstant Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 24

25 Methodik Grenz-Distanzen für stabile Planeten-Bahnen P-Typ: Minimale Distanz S-Typ: Maximale Distanz a p Abstand Stern-Planet, a Abstand Stern-Stern, µ Massen-Verhältnis Bei Berechnungen wurde a p fixiert um sicherzustellen, dass Planet in CHZ fällt => Abstand zwischen Sternen a ergibt sich gemäß obiger Gleichungen Kleine Exzentrizitäten erhöhen Wahrscheinlichkeit, dass Planet für geologischen Zeitraum habitabel bleibt Planeten mit e ~ 0.9 könnten noch habitabel sein, jedoch Bedingungen für Umwelt/Umgebung ändern sich stärker => weniger attraktiv für Untersuchungen May 23 rd, 2012 Seite 25

26 Methodik Exzentrizitäten ε für bekannte Exoplaneten in Einfach- und Mehrfach-Sternsystemen a, b große/kleine Halbachse d. Ellipse ε = 0 : exakte Kreis-Bahn 0 < ε < 1 : Ellipsen-Bahn Quelle: The Extrasolar Planets Encyclopaedia (Schneider, 2010) May 23 rd, 2012 Seite 26

27 Methodik Photon Flussdichte ( Photon Flux Density PFD) Wellenlängenbereich, der für Photosynthese genutzt wird, liegt etwas über Wellenlänge der maximalen Flussdichte aus der Sonne => maximale Flussdichte von Stern gibt Aufschluss über Wellenlängenbereich, der für Photosynthese relevant ist PFD in µmol Photonenanzahl m -2 s -1 May 23 rd, 2012 Seite 27

28 Resultate Quelle: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Astrobiology 12(2): May 23 rd, 2012 Seite 28

29 Resultate Photon Flussdichten Quelle: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Astrobiology 12(2): May 23 rd, 2012 Seite 29

30 Diskussion der Resultate Licht, das für Photosynthese genutzt werden kann, hängt vom jeweiligen Sternsystem ab Bei M-G [s] System (naher M Stern, ferner G Stern) dominiert IR Strahlung Bei M-x Sternsystemen sollte es einen Schutzmechanismus gegen UV Flares geben Flares sind in Binär-Systemen aufgrund Wechselwirkung zwischen Sternen stärker ausgeprägt Photosynthetische Organismen auf Erde haben Abschirmungs-Mechanismen oder sind geschützt unter Felsen/Unterwasser Es ist jedoch auch möglich, dass auf ELPs ( earth-like planets ) UV Strahlung für Photosynthese verwendet wird Sonnenflecken, welche auf anderen Sternen stärker ausgeprägt sein können als auf unserer Sonne, könnten auch Lebensbedingungen auf ELPs beeinflussen -> Organismen würden auf niedere Temperaturen während Sonnenfleckenaktivität angepasst sein May 23 rd, 2012 Seite 30

31 Diskussion der Resultate Spektralbereich der photosynthetischen Pigmente können auf ELP unterschiedlich sein (Wolstencroft, Raven, 2002; Kiang et al., 2007, 2008) Vegetation, die sich an M Stern Umgebung angepasst hat, würde in anderer Farbe als auf Erde erscheinen -> größerer Bereich von Wellenlängen genutzt => Pflanzen erscheinen dünkler Quelle: Royal Astronomical Society May 23 rd, 2012 Seite 31

32 Diskussion der Resultate M-G [p] System: Habitabler Planet ca. 1 AU vom Sternzentrum PFD vom M Stern viel geringer als vom G Stern G Stern Strahlung dominiert Bei Photosynthese unter Ausnutzung von G Stern Strahlung sind 2 Photoreaktionen involviert, bei M Stern Strahlung mehr als 2 Reaktionen => G Stern Photosynthese bevorzugt Quelle: Cockell, C.S., Raven J.A., Kaltenegger L. and Logan R. C. (2009), Plant Ecology and Diversity 2: May 23 rd, 2012 Seite 32

33 Diskussion der Resultate S-Typ Orbits: Quelle: Cockell, C.S., Raven J.A., Kaltenegger L. and Logan R. C. (2009), Plant Ecology and Diversity 2: May 23 rd, 2012 Seite 33

34 Diskussion der Resultate G-M [s] System: G Stern Strahlung dominiert Photonen-Fluss vom weiter entfernten M Stern nicht relevant für Photosynthese May 23 rd, 2012 Seite 34

35 Diskussion der Resultate M-G [s] System: interessanter Fall Strahlung vom nahen M Stern für Photosynthese verwendet Vegetation könnte mehr photosynthetische Pigmente aufweisen -> Nutzung größerer Wellenlängenbereiche (auch IR) => dunkle Pflanzen Quelle: Quelle: May 23 rd, 2012 Seite 35

36 Diskussion der Resultate M-G [s] System: interessanter Fall einerseits wird Strahlung vom nahen M Stern für Photosynthese verwendet andererseits könnte auch Strahlung vom weiter entfernten G Stern verwendet werden es gibt Konstellationen, wo Planet nur vom fernen G Stern beleuchtet wird einige Organismen könnten sich auf G Stern Strahlung spezialisiert haben Spezialisierung könnte derart sein, dass bei Konstellation, wo Planet nicht vom fernen G Stern beleuchtet wird, die G spezialisierten Organismen in Dunkelheit überleben, wie bestimmte Cyanobakterien (Phormidium Autumnale) auf Erde Vorhandensein des fernen G Sterns verlagert CHZ weiter weg vom nahen M Sterns (Distanz Stern-Planet a p ~ 1 AU, bei Stern-Stern Distanz a ~ 1.5 AU) => UV Flares weniger bedrohend May 23 rd, 2012 Seite 36

37 Diskussion der Resultate M-G [s] System: spezialisierte Organismen erfolgreicher als Generalisten unterschiedliche Organismen könnten im selben Habitat koexistieren Spezialisten für M Stern Strahlung gemeinsam mit Spezialisten für G Stern Strahlung Aufnahme von unterschiedlicher Strahlung zu unterschiedlichen Zeiten auf Planetenbahn Einzelner Organismen, der beide Strahlungen aufnehmen kann, eher unwahrscheinlich, da Wechsel zwischen Strahlungen energetisch zu kostenintensiv sein könnte Dreifach Stern-Systeme: Dritter Stern ändert Bedingungen für Photosynthese nicht wesentlich im Vergleich zu Binär- Systemen May 23 rd, 2012 Seite 37

38 Zusammenfassung Unterschiedliche Mehrfach-Sternsysteme mit habitablen ELPs ( Earth-like Planets ) bieten spezifische Umwelt-Umgebungen für Leben basierend auf oxygener Photosynthese Pflanzen auf Planeten um M Sterne könnten größere Bereiche des Wellenlängenspektrums (auch IR) absorbieren => könnten dunkel für unsere Augen erscheinen Auf M-G [s] Systemen könnten unterschiedliche Organismen koexistieren, die auf die Strahlung eines der beiden Sterne spezialisiert sind Resultate der Modellierung/Simulationen zeigen, dass Binär- bzw. Mehrfach- Sternsysteme vielversprechende Kandidaten bei der Suche nach extrasolarer oxygener Photosynthese sein könnten May 23 rd, 2012 Seite 38

39 Literatur O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary and Multiple Star Systems, Astrobiology 12(2), p Cockell, C.S., Raven, J.A., Kaltenegger, L., Logan, R.C. (2006), Planetary targets in the search for extrasolar oxygenetic photosynthesis, Plant Ecol Divers 2, p Cockell, C.S. (1999), Carbon biochemistry and the ultraviolet radiation environments of F, G and K main sequence stars, Icarus 141, p Duquennoy, A., Mayor, M. (1991), Multiplicity among solar-type stars in the solar neighbourhood II: distribution of orbital elements in an unbiased sample, Astron Astrophys 248, p Franck, S., von, Bloh, B., Bounama, C., Steffen, M., Schönberner, D., Schellnhuber, H.J. (2001), Limits of photosynthesis in extrasolar planetary systems for Earth-like planets, Adv Space Res 28, p Kiang, N. (2008), The color of plants on other worlds, Sci Am 298, p Kiang, N., Siefert, J., Govindjee, Blankenship, R.E. (2007), Spectral signatures of photosynthesis I: review of Earth organisms, Astrobiology 7, p Kiang N., Segura, A., Tinetti, G., Govindjee, Blankenship, R.E., Cohen, M., Siefert, J., Crisp, D., Meadows, V.S. (2007), Spectral signatures of photosynthesis II: coevolution with other stars and the atmosphere on extrasolar worlds, Astrobiology 7, p Kolena, J. (2007), Detecting Invisible Objects: A Guide to the Discovery of Extrasolar Planets and Black Holes, Duke University Durham, NC. Available online at Raven, J.A., Cockell, C.S. (2006), Influence on photosynthesis of starlight, moonlight, planetlight and light pollution (reflections on photosynthetically active radiation in the Universe), Astrobiology 6, p Wolstencroft, R.D., Raven, J.A. (2002), Photosynthesis: likelihood of occurrence and possibility of detection on Earth-like planets, Icarus 157, p May 23 rd, 2012 Seite 39