CRYPTIC PHOTOSYNTHESIS. extrasolar planetary oxygen without a surface biological signature

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1 CRYPTIC PHOTOSYNTHESIS extrasolar planetary oxygen without a surface biological signature Taudt Lukas

2 Inhalt I. Photosynthese 1.Bedeutung und Allgemeines 2. Oxygene und Anoxygene Photosynthese 3. C 3, C 4 und CAM Pflanzen II. Cryptic Photosynthesis 1. Introduction 2. Cryptic Photosynthesis on Earth 3. Oxygen Biosignatures 4. Radiative Models of Cryptic Photosynthesis III. Conclusions

3 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines Direkter Einfluss auf UNS Fossile Rohstoffe sind Folgeprodukte Ozon Beschattung und Verdunstung 1 m² Blattfläche: 0,5 g Stärke/h + 0,25 g CO ² /h 1 ha Laubwald bindet 3 t C/yr pro Jahr 600 Mrd. t CO Mrd. t H 2 O 400 Mrd. t Zucker Mrd. t O 2

4 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines Grundlage aller biochemischen Kreisläufe (direkt oder indirekt) Primärproduktion anorganisch organisch marine und terrestrische Pflanzen CO 2 Fixierung O 2 Freisetzung Möglichkeit aerober Lebewesen

5 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines 1. Absorption von Energie (Licht) Chlorophylle Pflanzen, Algen, Cyanobakterien Chlorophyll a,b,c,d Bacteriochlorophyll a,b,c,d,e,g [Wikipedia]

6 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines Phycobiline Rotalgen, Cyanobakterien Carotinoide Schutzfunktion für Chlorophyll [Wikipedia]

7 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines 2. Phototrophie Umwandlung von elektromagnetischer in chemische Energie energiereiche e - werden übertragen Lichtsammelkomplexe Reaktionszentren

8 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines 3. Synthese von organischen Verbindungen hauptsächlich über reduzierten CO2 Reduktans mit Abgabe von H H 2 O, H 2, H 2 S,... Verwendung für Baustoffwechsel Wachstum Energiestoffwechsel

9 I. Photosynthese Bedeutung und Allgemeines Allgemeine Photosynthesegleichung Vereinfachung CO 2 Ausgangsstoff (H, Fe 2+ - also e -, Lactat, H 2 O oder H 2 S als Reduktans) <CH 2 O> energiereiche org. Verbindung mit H 2 O und Licht CO H 2 O <CH 2 O> + O 2 + H 2 O kj/mol

10 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Oxygene Photosynthese O 2 Freisetzung Lichtreaktion Primärreaktion e - des Chlorophylls werden auf höheres E Niveau gehoben E für nächsten Schritte Photolyse von Wasser Zerlegung H 2 O 4 H + + O e - H + und e - werden auf NADP + übertragen (Nicotinamid-adenosin-dinukleotid-phosphat) Protonengradient treibt ATP-Synthese an (Adenosidiphosphat Adenosintriphosphat)

11 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Stroma plasmatische Grundsubstanz Lumen Innenraum Thylakoide Membransysteme

12 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Lichtreaktion Gleichung 2 H 2 O + 2 NADP ADP + 3 P (mit Lichtenergie) 2 NADPH + 2 H ATP + O 2 ATP Energie für alle Stoffwechselvorgänge Tagesbedarf Mensch über 80 kg

13 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Mitochondrien kommen in Zellen fast aller Eukaryoten vor haben eigene DNA Energiekraftwerk ATP Synthese hohe Dichte in Zellen mit hohem Energiebedarf z.b.: Muskel, Nerven, Sinneszellen Herzmuskel (36 % Volumsanteil)

14 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Dunkelreaktion Sekundärreaktion Calvin Zyklus Kohlenstoffidoxid assimiliert zu Kohlenhydraten ATP Moleküle und Reduktionsequivalänte verbraucht Enzym Ribulose-1,5-biphospat katalysiert CO 2 fixierung und leitet Calvin Zyklus ein Stärke und Saccharose aufgebaut 3 CO NADPH + 6 H ATP 3 H 2 O + 6 NADP ADP + 9 P

15 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Wolny B.

16 I. Photosynthese Oxygene und Anoxygene Anoxygene Photosynthese Bakterien Verwenden statt CO 2 andere Stoffe Schwefelbakterien 2 H 2 S + O 2 2 H 2 O + 2 S+493 kj/mol Nitrifizierende Bakterien org. gebundener N wird verfügbar NH 3 + 1,5 O 2 NO 3- + H + + H 2 O Eisenbaktieren oxidieren Fe 2+ zu Fe 3+ Methanbakterien CH 4 CO 2 + H 2 O (z.b.: Pansen)

17 I. Photosynthese C 3, C 4 und CAM Pflanzen C 3 Pflanzen CO 2 an Ribulose-1,5-biphosphat gebunden Lichtsättigungspunkt für Photosyntheserate Schließung der Spaltöffnungen bei heißem Wetter Optimum bei C C 4 Pflanzen CO 2 an PEP (Phosphorenolpyrovat) Carboxylase gebunden höhere CO 2 Affinität kein Lichtsättigungspunkt, weniger oft Spaltöffnungen aufgemacht weniger H 2 O Verlust Optimum bei ~40 C frostempfindlich

18 I. Photosynthese C 3, C 4 und CAM Pflanzen CAM Pflanzen CO 2 Aufnahme und Fixierung zeitlich getrennt in der Nacht Aufnahme, am Tag Fixierung kein bis wenig Transpirationsverlust

19 I. Photosynthese Gesamtproduktion Trockenmasse [Wikipedia] terrestrische Pflanzen: 120 Mrd. Tonnen/yr marine Primärproduzenten: 55 Mrd. Tonnen/yr 0,2% der globalen Biomasse 700x effektivere Photosynthese Werte stimmen mit Paper gut überein.

20 II. Cryptic Photosynthese Introduction Was ist cryptic Photosynthese und wo tritt sie auf? Nachweis von möglichen Photosyntheseprodukten in Atmosphäre keine Detektierbarkeit an der Oberfläche somit kein Leben RICHTIGE SCHLUSSFOLGERUNG???? extreme Bedingungen (Wüste, Pole) unter der Oberfläche, an Unterseite von Eis/Gestein einige Meter unter der Oberfläche in Wasser red edge nm Reflektivität bis 50% erhöht

21 II. Cryptic Photosynthese Introduction Wie findet man Signaturen, die auf Leben hinweisen? 1. Atmosphärische Spektren Haupt und Spurenelemente (O 2, O 3, CH 4, N 2 O) 2. Oberflächenspektrum Absorptionsspuren in Spektrum nicht mineralische Elemente Potenzielle Probleme sind: Wolkenbedeckung je nach Sterntyp andere Signaturenspektren globale Klimaveränderungen Refernenzspektrum

22 II. Cryptic Photosynthese Cryptic Photosynthesis on Earth Overview cryptic photosynthetic Chasmoendoliths Cryptoendoliths example Antarctic granites Dry Valley Antarctic quartzitic sandstones oxygen production similar to cryptoendoliths 0, g O 2 /m²/year Hypoliths Polar desert 2,9 378 g O 2 /m²/year Evaporitis communities Inhabiting halite mounds (salzig) 0,00025 g O 2 /m²/year Paper: Cryptic Photosynthesis

23 II. Cryptic Photosynthese Cryptic Photosynthesis on Earth A) Hypoliths B) Cryptoendoliths C) Chasmoendoliths D) Endoevaporites

24 II. Cryptic Photosynthese Oxygen Biosignatures Nachweismethoden für die Erde schlecht quantifiziert normale Photosynthese effektiver als cryptic große Produktionsbandbreite an O 2 (0, g/m²/year) ANNAHME: Eisplanet und gesamte Oberfläche bewachsen Antarctic cryptoendoliths 2,2 g O 2 /m²/year 1,1 * kg/year Atmosphäre Erde 1,5 * kg 1,3 Millionen Jahre MÖGLICH

25 II. Cryptic Photosynthese Radiative Models of Cryptic Photosynthesis Wie würde ein entsprechendes Spektrum aussehen? Vereinfachungen sphärischer Planet konst. Höhe der Atmosphäre (100 km) punktförmige Quellen der Reflexionen cryptic world's reflection spectra signifikante Moleküle der Erdatmosphäre H 2 O, O 3, O 2, CH 4, CO 2, N 2, N 2 O, HNO 3 4 Reflexionsschichten Oberfläche, Wolkenhöhe (1, 6 und 12 km) 4 parallele Strahlen für das Spektrum

26 II. Cryptic Photosynthese Radiative Models of Cryptic Photosynthesis weitere erdbezogene Annahmen 60% Wolkenbedeckung 40% bei 1 km 40% bei 6 km 20% bei 12 km Oberflächenbeschaffenheit 70% Wasser 2% Küste 38% Land 60% mit Vegetation bedeckt moderate Temperatur und kein runaway greenhouse effect

27 II. Cryptic Photosynthese Radiative Models of Cryptic Photosynthesis hohe Albedo mit Wolken sauerstoffreiche Atmosphäre mit Methan und H 2 O/CO 2 biologische Aktivität H 2 O 0.73; 0.82; 0.95; 1.14 µm O µm; 0.69 zu < R O µm CO 2 vernachlässigbar

28 II. Cryptic Photosynthese ZUSAMMENFASSUNG genug O 2 kann produziert werden, wenn keine Vegetation an der Oberfläche beobachtet wird extreme Lebensbedingungen herrschen Wasserplanet (nur Ozean) red edge kann nicht beobachtet werden mineralische und Wasser Reflexion Bildung eines UV-Schildes zwangsläufig cryptic

29 ENDE

30 References Charles S. Cockell, Lisa Kaltenegger, and John A. Raven (2009) Cryptic Photosynthesis Extrasolar Planetary Oxygen Without a Surface Biological Signature