An Astrophysical View of Earth-Based Metabolic Biosignature Gases

Seager S., Schrenk M., Bains W.

Präsentation: Boris Moser

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

Einführung • Exoplanet in

„habitabler“ Zone

• Aufnahme von Spektren (Atmosphäre, Oberfläche)

• Identifikation von Verbindungen, meist gasförmig, die Rückschlüsse auf die Existenz von Leben zulassen -> Biosignaturen

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 (O2 -> O3)

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)

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

Oxygene Photosynthese • Kohlenstoff-Assimilation durch Aufnahme von Strahlung, Aufbau eines

chemischen Gradienten zwischen Membranen in Zelle • 2H2O + hν –> 4H+ + 4e- + O2

CO2 + 4e- + 4H+ -> CH2O + H2O Nettoänderung-> Input: H2O + hν, Output: O2

• Dominiert auf Erde aufgrund von verfügbarem Licht und Wasser • C in Sedimenten gebunden -> O2 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 H2O. Aber erkennbar durch große Mengen

Wasserdampf in Atmosphäre!

Anoxygene Photosynthese • Ging oxygener Photosynthese voraus (vor

über 3*109 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

Aerobe Chemotrophie • Interessant: O2 kann in geringen Mengen vorkommen, daher nicht

spektroskopisch messbar sein, aber dennoch als Elektronen-Akzeptor für Energieerzeugung von anderen Organismen dienen.

• (Chemo-)heterotrophie -> Input: CH2O, O2. Output: CO2, H2O, keine Biosignaturen (CO2 -> terrestrische Planeten, H2O -> Indikator für Wasserozeane)

• Wasserstoff-Oxidation (Knallgas-Reaktion): H2, O2/H2O2 -> H2O • Oxidation von Schwefelverbindungen: Outputs -> SO4

2-, S • Eisen-Oxidation: Outputs -> Fe3+, OH-

• Ammoniak-Oxidation: NH3/NH4+ -> NO2

-,(H2O) -> NO3-

• Oxidation von Metallen/anderen anorganischen Verbindungen: nicht relevant als Biosignatur (feste Stoffe, zu geringe Mengen)

Anaerobe Chemotrophie • Erste 2.3*109 Jahre der Erdgeschichte -> kaum O2 vorhanden • Oberflächen vieler Exoplaneten vermutlich anoxisch • Denitrifikation -> H2/Fe2+ und NO3

- -> NO2- -> NO -> N2O -> N2

– Ungeeignet als Biosignatur: N2 (natürlich vorkommend), Nitrat, Nitrit (gelöst in Wasser), NO (auch abiotisch)

– Geeignet: N2O (wenig abiotisch produziert, kurze Lebenszeit in Atmosphäre)

• Eisen-Reduktion: Output -> Fe2+, Fe3+

• Sulfat-/Schwefelreduktion. Interessanter Output: H2S, bei pH<7 Diffusion in Atmosphäre

• Methanogenese: organische Stoffe, H2, CO2 -> CH4, H2O • Reduktion von Metallen und anderen anorganischen Stoffen: feste Stoffe, daher

eher nicht relevant • Anoxische Ammoniak-Oxidation: NH3, NH4

+ und NO2-, NO3

- -> N2, H2O • Fermentation/Disproportionierung: viele Produkte, wichtig: CH4

Sekundärer Metabolismus: Anorganische Verbindungen

• Definition organisch: Kohlenstoff-Kohlenstoff – Bindungen (CH4!) • Schwefelverbindungen: H2S, CS2, 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 (PH3), biotisch, kurze Aufenthaltszeit in

Atmosphäre – Nicht chemisch, elektromagnetisch: Bioluminiszenz durch z.B.

Phytoplankton, Detektion auf Exoplaneten aber derzeit unmöglich

Sekundärer Metabolismus: Organische Verbindungen

• Allein Pflanzen produzieren über 50000 verschiedene Stoffe

• Isoprene/Terpenoide: Geschmack/Geruch, zu viele für Vorhersage

• Halogenierte Kohlenwasserstoffe: Methylclorid mögliche Biosignatur!

Diskussion: Nebenprodukte primärer Metabolismus

• 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

Diskussion: Nebenprodukte primärer Metabolismus

• O2/O3: – Quelle: hauptsächlich biotisch – Senke: Oberflächenreaktionen

• N2O: – Senke: Photolyse – Problem: Im Spektrum Überlappung mit H2O Signal

• CH4: – Quellen: Leben, Vulkanismus – Senken: Reaktion mit OH-Radikal

• N2, H2O, CO2: große Mengen bereits vorhanden, daher eher uninteressant • H2, H2S, SO2, NO, NO2 haben auf Erde abiotische Quellen (z.B.

Vulkanismus, Blitze), möglicherweise relevant auf Exoplaneten mit anderen Quellen und Senken.

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 O3 und OH, aber es gibt Ausnahmen wie Kohlenstofftetrachlorid

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

Diskussion: Weiteres • Metabolische Reaktionen ohne Energiegewinn: Stickstofffixierung!

– Benötigt für z.B. Aminosäuren und Proteine – NH3 besser nutzbar als N2 (aufgrund Dreifachbindung)

– N2 + 8H -> 2NH3 + H2

• 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

• Aus primärem Metabolismus: O2, N2O • Sekundärer Metabolismus: Stoffe anscheinend willkürlich gewählt,

noch nicht gut verstanden • Grundidee: Auffinden von Gasen, die in einem ungewöhnlichen

Mischverhältnis zueinander stehen

Zusammenfassung

Quellen

• Seager S., Schrenk M., Bains W., 2012. An Astrophysical View of Earth-Based Metabolic Biosignature Gases. Astrobiology 12, 61-82.