An Astrophysical View of Earth- Based Metabolic Biosignature Gases

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Edmund Kramer
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1 An Astrophysical View of Earth- Based Metabolic Biosignature Gases Seager S., Schrenk M., Bains W. Präsentation: Boris Moser

2 Überblick Einführung Hintergrund: erdbasierte Biosignaturen Nebenprodukte von Redoxreaktionen als Biosignaturen Biosignaturen resultierend aus sekundärem Metabolismus Redoxreaktionen Nebenprodukte des Metabolismus Phototrophie Chemotrophie Nebenprodukte Sekundärer Metabolismus Anorganische Verbindungen Organische Verbindungen Diskussion/Zusammenfassung Was passiert mit Produkten des primären Metabolismus? Was passiert mit Produkten des sekundären Metabolismus? Feste Stoffe als Biosignaturen? Inverse Biosignaturen Metabolische Reaktionen ohne Energiegewinn Zusammenfassung

3 Exoplanet in habitabler Zone Aufnahme von Spektren (Atmosphäre, Oberfläche) Identifikation von Verbindungen, meist gasförmig, die Rückschlüsse auf die Existenz von Leben zulassen -> Biosignaturen Einführung

4 Hintergrund Top Down Approach : was macht Leben (Metabolismus), nicht: was ist Leben 2 Kategorien für Herkunft von Biosignaturen: Primärer Metabolismus: Redoxreaktionen Energiegewinnung durch Nutzung chemischer Gradienten Aufbau von Biomasse Sekundärer Metabolismus Abiotische Transformation möglich (O 2 -> O 3 )

5 Primärer Metabolismus Redox-Redaktionen: Transfer von Elektronen zwischen Molekülen zur Nutzung von chemischen Gradienten Phototrophie Photosynthese: Oxidation: Anregung eines Elektrons aus einem Pigment-Protein-Komplex durch Photon Reduktion eines Akzeptor-Moleküls: Redox Paar energetischer Gradient Energiegewinn in Zelle Chemotrophie Nutzung chemischer Gradienten außerhalb der Zelle Voraussetzungen: Genutzte Reaktionen: negative freie Enthalpie Leben sorgt für schnelleren Ablauf der Reaktionen (im Vergleich zu abiotischen Prozessen)

6 Sekundärer Metabolismus Dient nicht direkt dem Energiegewinn/Aufbau von Biomasse, hilft Organismus auf andere Weise Produziert Stoffe, die z.b. für Farbe, Geruch, Geschmack von Pflanzen verantwortlich sind Meist einzigartig von einer Spezies oder Gruppe von Organismen produziert Nicht unbedingt abhängig von lokalen chemischen und thermodynamischen Gegebenheiten

7 Oxygene Photosynthese Kohlenstoff-Assimilation durch Aufnahme von Strahlung, Aufbau eines chemischen Gradienten zwischen Membranen in Zelle 2H 2 O + hν > 4H + + 4e - + O 2 CO 2 + 4e - + 4H + -> CH 2 O + H 2 O Nettoänderung-> Input: H 2 O + hν, Output: O 2 Dominiert auf Erde aufgrund von verfügbarem Licht und Wasser C in Sedimenten gebunden -> O 2 Ansammlung in Atmosphäre Gute Biosignatur weil: Photolyse: nicht zu schnell, nicht zu langsam Geophysikalische und photochemische Prozesse können Mengen nicht produzieren False positive: UV-Dissoziation von H 2 O. Aber erkennbar durch große Mengen Wasserdampf in Atmosphäre!

8 Anoxygene Photosynthese Ging oxygener Photosynthese voraus (vor über 3*10 9 Jahren) Einige Organismen wechseln zwischen oxygen-anoxygen, je nach verfügbaren Nährstoffen. Für andere ist Sauerstoff giftig. Oft verhindert Präsenz von Sauerstoff anoxygene Photosynthese Habitate: hell aber anoxisch: Süßwasserseen/-tümpel Thermalquellen (Hot Springs, Sulfur Springs) Interessant: Bakterien, die geothermale Energie (Strahlung von Vulkanen am Meeresboden) nutzen Anderer Wellenlängenbereich -> Andere Pigmente Weniger Energie -> Langsameres Wachstum

9 Aerobe Chemotrophie Interessant: O 2 kann in geringen Mengen vorkommen, daher nicht spektroskopisch messbar sein, aber dennoch als Elektronen- Akzeptor für Energieerzeugung von anderen Organismen dienen. (Chemo-)heterotrophie -> Input: CH 2 O, O 2. Output: CO 2, H 2 O, keine Biosignaturen (CO 2 -> terrestrische Planeten, H 2 O -> Indikator für Wasserozeane) Wasserstoff-Oxidation (Knallgas-Reaktion): H 2, O 2 /H 2 O 2 -> H 2 O Oxidation von Schwefelverbindungen: Outputs -> SO 4 2-, S Eisen-Oxidation: Outputs -> Fe 3+, OH - Ammoniak-Oxidation: NH 3 /NH 4 + -> NO 2-,(H 2 O) -> NO 3 - Oxidation von Metallen/anderen anorganischen Verbindungen: nicht relevant als Biosignatur (feste Stoffe, zu geringe Mengen)

10 Anaerobe Chemotrophie Erste 2.3*10 9 Jahre der Erdgeschichte -> kaum O 2 vorhanden Oberflächen vieler Exoplaneten vermutlich anoxisch Denitrifikation -> H 2 /Fe 2+ und NO 3 - -> NO 2 - -> NO -> N 2 O -> N 2 Ungeeignet als Biosignatur: N 2 (natürlich vorkommend), Nitrat, Nitrit (gelöst in Wasser), NO (auch abiotisch) Geeignet: N 2 O (wenig abiotisch produziert, kurze Lebenszeit in Atmosphäre) Eisen-Reduktion: Output -> Fe 2+, Fe 3+ Sulfat-/Schwefelreduktion. Interessanter Output: H 2 S, bei ph<7 Diffusion in Atmosphäre Methanogenese: organische Stoffe, H 2, CO 2 -> CH 4, H 2 O Reduktion von Metallen und anderen anorganischen Stoffen: feste Stoffe, daher eher nicht relevant Anoxische Ammoniak-Oxidation: NH 3, NH 4 + und NO 2-, NO 3 - -> N 2, H 2 O Fermentation/Disproportionierung: viele Produkte, wichtig: CH 4

11 Sekundärer Metabolismus: Anorganische Verbindungen Definition organisch: Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen (CH 4!) Schwefelverbindungen: H 2 S, CS 2, Karbonylsulfid (OCS), Dimethylsulfid (DMS), Dimethylsulfoxid (DMSO) DMS von Meeresorganismen, Plankton Stickstoffverbindungen: eher uninteressant (gelöst), Ausnahmen Ammoniak und Mono-, Di-, Tri-Methyl-Amin Andere anorganische Stoffe interessant: Phosphin (PH 3 ), biotisch, kurze Aufenthaltszeit in Atmosphäre Nicht chemisch, elektromagnetisch: Bioluminiszenz durch z.b. Phytoplankton, Detektion auf Exoplaneten aber derzeit unmöglich

12 Sekundärer Metabolismus: Organische Verbindungen Allein Pflanzen produzieren über verschiedene Stoffe Isoprene/Terpenoide: Geschmack/Geruch, zu viele für Vorhersage Halogenierte Kohlenwasserstoffe: Methylclorid mögliche Biosignatur!

13 Diskussion: Nebenprodukte primärer Ideale Biosignatur Hat kein natürliches Vorkommen in Atmosphäre unter den jeweiligen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) Wird nicht durch geophysikalischen oder geochemischen Prozess erzeugt Wird nicht durch photochemische Prozesse produziert oder zu schnell zerstört Hat eine starke spektrale Signatur (z.b. nicht im schwer messbaren UV-Bereich) Wichtig: Quellen und Senken! Quellen: kaum bis keine abiotischen Senken: nicht zu groß, damit Gas detektierbar bleibt Metabolismus

14 Diskussion: Nebenprodukte primärer Metabolismus O 2 /O 3 : Quelle: hauptsächlich biotisch Senke: Oberflächenreaktionen N 2 O: Senke: Photolyse Problem: Im Spektrum Überlappung mit H 2 O Signal CH 4 : Quellen: Leben, Vulkanismus Senken: Reaktion mit OH-Radikal N 2, H 2 O, CO 2 : große Mengen bereits vorhanden, daher eher uninteressant H 2, H 2 S, SO 2, NO, NO 2 haben auf Erde abiotische Quellen (z.b. Vulkanismus, Blitze), möglicherweise relevant auf Exoplaneten mit anderen Quellen und Senken.

15 Diskussion: Nebenprodukte sekundärer Metabolismus Dimethylsulfid: von anderen Organismen weiterverwendet, in Atmosphäre durch OH-Radikal zerstört Dimethylsulfoxid, Dimethylsulfon, Methylsulfat: messbar in Atmosphäre Flüchtige Kohlenwasserstoffe (VOCs): teilweise reabsorbiert (Pflanzen, Boden), in Atmosphäre Photolyse, Oxidation Methylchlorid: auch Oxidation durch O 3 und OH, aber es gibt Ausnahmen wie Kohlenstofftetrachlorid

16 Diskussion: Weiteres Feststoffe als Biosignaturen: Schwefel, Rost theoretisch möglich, Problem: Detektion Inverse Biosignaturen: Verbindung, welche ohne der Präsenz von Leben vorkommen sollte. Beispiel: Ethin und Wasserstoff auf Titan. Kriterien: Vorhergesagtes natürliches Vorkommen unter den jeweiligen Umgebungsbedingungen Möglicherweise durch geophysikalische, geochemische oder photochemische Prozesse erzeugt Nicht schnell durch photochemische Prozesse zerstört Starke Spektrale Signatur

17 Diskussion: Weiteres Metabolische Reaktionen ohne Energiegewinn: Stickstofffixierung! Benötigt für z.b. Aminosäuren und Proteine NH 3 besser nutzbar als N 2 (aufgrund Dreifachbindung) N 2 + 8H -> 2NH 3 + H 2 Photosynthetische Pigmente An verfügbaren Spektralbereich angepasst Verursachte Helligkeitsänderung schwer zu beobachten, aber: Red Edge : Albedo Anstieg zwischen 700nm und 760nm, Plateau bei 720nm, bedingt durch Streuung im nahen Infrarot durch Fehlen absorbierender Pigmente Refraktionsindex zwischen Zellwänden und Luftpölster in Blättern Temperatur-Regulationsmechanismus? Wolken behindern Beobachtung

18 Zusammenfassung Aus primärem Metabolismus: O 2, N 2 O Sekundärer Metabolismus: Stoffe anscheinend willkürlich gewählt, noch nicht gut verstanden Grundidee: Auffinden von Gasen, die in einem ungewöhnlichen Mischverhältnis zueinander stehen

19 Quellen Seager S., Schrenk M., Bains W., An Astrophysical View of Earth-Based Metabolic Biosignature Gases. Astrobiology 12,

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