Eine der vielversprechendsten Methoden bei der Suche nach außerirdischem Leben (und ich spreche jetzt und im Rest des Artikels ganz explizit NICHT von intelligenten Aliens!) ist der Versuch, sogenannte “Biomarker” in den Atmosphären der extrasolaren Planeten zu finden. Das sind bestimmte Gase (Sauerstoff, Methan, …) die hauptsächlich durch das Vorhanden sein von Lebewesen hervorgebracht werden. Es kann aber auch eine ganz bestimmte Energieverteilung des reflektierten Sonnenlichts sein. Die Pflanzen auf der Erde benutzen zum Beispiel den roten Teil des Lichts für ihre Photosynthese; den infraroten Teil aber nicht. Im von der Erde reflektierten Sonnenlicht findet man also Infrarotlicht, aber wenig rotes Licht und das ist ein mehr als deutlicher Hinweis auf die Aktivität der Pflanzen, die auf der Oberfläche des Planeten leben. Wenn es irgendwo anders auch Pflanzen gibt, die Photosynthese betreiben, dann könnten wir sie auf diese Art und Weise identifizieren. Aber wie stehen eigentlich die Chancen für extrasolare Photosynthese?

Und es soll jetzt hier nicht um die Frage gehen, ob Pflanzen auf anderen Planeten genau die gleiche Technik zur Photosynthese entwickelt haben oder vielleicht ganz anders funktionieren. An dieser Stelle wird traditionellerweise immer angedeutet, dass Leben ja auch auf “Siliziumbasis” existieren kann und die Wissenschaftler doch naiv sind, wenn sie nur nach Leben suchen, das genau so funktioniert wie das auf der Erde. Nun ja, die Forscher sind nicht unbedingt naiv. Aber sie sind realistisch. Natürlich ist allen Leuten die auf diesem Gebiet forschen klar, dass Leben im Prinzip “irgendwie” aussehen kann und nicht dem Leben auf der Erde ähneln muss. Aber wenn wir Leben suchen wollen, dann können wir nur nach etwas suchen, bei dem wir uns auch sicher sein können, dass wir es bemerken, wenn wir es gefunden haben. Und wir verstehen eben momentan nur das Leben, das wir auf der Erde kennen. Sollten die Astrobiologen irgendwann mal herausgefunden haben, wie sich “anderes” Leben verhält und wie es sich bemerkbar macht, können wir auch danach suchen. Aber derzeit bleibt uns nichts anderes übrig als nach dem zu suchen, was wir erkennen können. Also zum Beispiel der Photosynthese der Pflanzen.

Ein Planet (VB10b) umkreist einen kleinen roten Zwerg (Künstlerische Darstellung: NASA/JPL-Caltech)

Ein Planet (VB10b) umkreist einen kleinen roten Zwerg (Künstlerische Darstellung: NASA/JPL-Caltech)

Damit das funktioniert braucht es natürlich Licht. Die meisten Sterne in unserer Milchstraße sind sogenannte rote Zwerge (auch “M-Zwerge” genannt); also Sterne, die kleiner und kühler sind als die Sonne. Es spricht nichts dagegen, dass auch bei M-Zwergen Planeten existieren und man hat dort schon Planeten entdeckt. Es ist nur ein wenig kniffliger, dort einen lebensfreundlichen Planeten zu finden, denn dafür braucht es ja ausreichend Licht vom Stern. Es darf nicht zu kühl sein und damit das bei den kleinen roten Zwergen klappt, muss der Planet sehr dicht an den Stern rücken. So dicht, dass die Gezeitenkräfte zwischen Stern und Planet sehr stark werden und die Rotationsgeschwindigkeit des kleineren Himmelskörpers beeinflusst wird. Es passiert dann das, was auch bei Erde und Mond passiert ist, denn auch hier hat die Gezeitenkraft die Rotationsgeschwindigkeit des Mondes verringert, so dass er nun für einen Umlauf um die Erde genau so lange braucht wie für eine Drehung um seine eigene Achse. Das nennt man in der Astronomie eine “1:1 Spin-Orbit-Resonanz” und führt dazu, dass wir von der Erde aus immer die selbe Seite des Mondes sehen.

Auch ein Planet der seinem roten Zwerg nahe genug ist, kann in so einer Spin-Orbit-Resonanz landen. Dann würde eine Seite des Planeten ständig vom Stern bestrahlt werden während die andere in ständiger Dunkelheit liegt. Auf der einen Seite wäre es immer hell und heiß, auf der anderen immer dunkel und eiskalt. Es ist unklar, ob sich auf so einem Planet Leben entwickeln könnte. Das hängt von der Atmosphäre ab und wie gut sie die Wärme über den Planeten verteilen kann. Mit Photosynthese wird es auf der immer dunklen Seite aber sicherlich nichts und ob es den Pflanzen auf der aufgeheizten hellen Seite besser geht ist zweifelhaft. Aber es gibt noch andere Möglichkeiten. Es muss ja keine 1:1 Spin-Orbit-Resonanz sein…

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Kommentare (23)

  1. #1 Bullet
    3. März 2014

    Tja, diese “migrierenden Pflanzen” sind wieder einmal ein alter Hut und der Realität bei Perry Rhodan längst bekannt:
    Marschiere-Viel
    Und eigentlich ist es ziemlich kraß, was man alles so erfinden kann, wenn man Autor ist. Umso krasser, wenn es dann tatsächlich irgendwo auftaucht. Natürlich ist der Vergleich etwas hinkerös: Marschiereviels laufen einer langsamen, aber nichtresonanten “normalen” planetaren Rotation hinterher – also einer deutlich schnelleren Terminatorwanderung als hier im Artikel angedeutet.

  2. #2 JW
    3. März 2014

    Wenn sich Merkur in zwei Umläufen zweimal um seine eigene Achse dreht ist das nicht 3:2. 😉

    Ansonsten schöner Artikel

  3. #3 Martin Reinisch
    Wien
    3. März 2014

    Hallo Florian!

    Wirlich ein sehr schöner Beitrag, mir ist nur ein kleiner Fehler aufgefallen.

    Merkur zum Beispiel befindet sich einer 3:2 Spin-Orbit-Resonanz mit der Sonne. Dass heißt, während 2 Umläufen um die Sonne dreht sich Merkur zweimal um seine eigene Achse. Ein Merkurjahr ist also immer 1,5 Merkurtage lang. Diese Animation zeigt, wie man sich das vorstellen kann:

    Müsste es nicht heißen “dreimal um die eigene Achse”?

    LG Martin

  4. #4 Bernd
    3. März 2014

    Wer sagt denn, dass eine Pflanze über die Dunkelperiode hinweg weiter aktiv bleiben muss? “Abends” robuste Samen ausbilden, und wenn die Morgensonne kommt, austreiben, wachsen und weiter geht’s mit der Photosynthese.

    Machen auf der Erde eine Menge Pflanzen in Trockenregionen so, die übersetehen damit locker Dürreperioden, die länger als 1,5 Jahre sind. Sobald’s dann regnet, explodiert die Flora regelrecht.

  5. #5 werner67
    3. März 2014

    Wer in seinem Garten schon einmal wilde Brombeeren, Bambus oder Erdbeeren gehabt hat, weiss, was “migrierende Pflanzen” sind. So schnell kann man die gar nicht ausreissen, als dass sie einem nicht doch noch “entkommen” und an anderem Ort wieder auftauchen. 😉 Das braucht maximal Jahrzehnte, keine Jahrhunderttausende.

  6. #6 Hoffmann
    3. März 2014

    Schöner Artikel!

    Mixotrophie bzw. mixotrophisch wird ohne h nach dem t geschrieben. Aber das nur nebenbei …

    Ein Planetenumlauf innerhalb der habitablen Zone eines M-Zwerges dauert ja nun nicht so lange, dass man eventuell entstandenen Pflanzen zumuten müsste, ortsveränderlich zu sein. Mit Wurzeln wäre das ohnehin schwierig … 🙂

    Denkbar wären aber Analoga zu den hiesigen Schleimpilzen, die sich phasenweise zu einem polykaryotischen Plasmodium zusammenfinden, welches dann tatsächlich über den Boden wandert, um Nahrung aufzunehmen.

    Andererseits sind unsere hiesigen Flechten so ausdauernd, dass sie längere Perioden von Kälte und Dunkelheit problemlos überstehen. Warum sollte so etwas anderswo nicht ebenfalls funktionieren können? Gerade Symbiosen wie diese sind da sehr robust.

  7. #7 Hoffmann
    3. März 2014

    Upps, ich habe gerade gesehen, dass sich der “Wanderungszwang” auf die Periheldrehung bezog …

    Ja, das lässt sich dann wohl schwer überdauern, aber in Anbetracht der großen Zeiträume verschieben sich einfach die Bewuchs-Areale entlang der Terminatorlinien, so dass daraus wohl eher kein selektiver Druck entsteht (genau kann man es aber nicht wissen, was es wieder spannend macht!).

  8. #8 Aveneer
    3. März 2014

    Hallo Florian,
    „ist der Versuch, sogenannte “Biomarker” in den Atmosphären der extrasolaren Planeten zu finden. „

    Weil es gerade passt (?). Ich habe noch nichts über eine mögliche (?) Messung der „optischen Aktivität“ gelesen/gefunden. Auf Planten mit „leben“ erwarte ich, dass die Evolution dazu führt, dass sich bei biologisch wichtigen Substanzen immer/häufig ein Enantiomer durchsetzen wird.

    Sollte es so sein: Würde man dies messen können? Sprich: Würde man von außen messen können, dass es bei uns z.B. vorwiegend „linksdrehende“ Aminosäuren gibt?

    Gruß
    Aveneer

  9. #9 Kassenwart
    3. März 2014

    @Aveneer

    stelle ich mir aus mehreren Gründen recht schwierig vor. Zunächst misst du die Chiralität ja durch die Drehung der Achse von polarisiertem Licht. Bräuchte man also eine Quelle für dieses Licht. Dieses muss dann durch die Probe durchgehen und v.a. du hast ja keine reine Lösung der optisch aktiven Moleküle. Freie Aminosäuren kommen zB in belebter Natur faktisch nicht vor. Die werden sofort umgesetzt. Klar, never say never, aber die Chancen sind klein.

  10. #10 Florian Freistetter
    3. März 2014

    @Aveneer: “Weil es gerade passt (?). Ich habe noch nichts über eine mögliche (?) Messung der „optischen Aktivität“ gelesen/gefunden. “

    Ich verstehe leider nicht, was du damit meinst. Kannst du das noch ein wenig genauer erklären?

  11. #11 Aveneer
    3. März 2014

    @ Kassenwart
    Gebe dir in allen Punkten recht.
    Aber soviel ich weis (mich erinnere), hat man schon in einer „Staubwolke“ eine bevorzugte Händigkeit von „irgendwas“ bestimmt? Ein Aldehy? Habe da was im Hinterkopf.

    Jedenfalls ist die Messung der Chiralität einer Substanz auch in der Astronomie nichts Ungewöhnliches (?).

    „Dieses muss dann durch die Probe durchgehen“
    „Die Sonne im Hintergrund“ Dann kommt der Planet und dann der Detektor auf der Erde. Würde mit etwas „Flüchtigem“ anfangen.

    @ Florian
    Nahezu alle Aminosäuren auf der Erde liegen in einer bestimmten Chiralität vor. Optisch aktive Substanzen drehen Licht in Abhängigkeit ihrer Chiralität. Ich weis zwar, dass man eigentlich hierfür (zur Messung) linear polarisiertes Licht benötigt, aber ggf. kann man ja was „drehen“. Muss ja nicht exakt sein. Man muss ja nicht gleich den Öchsle-Grad der fernen Ursuppe messen.  Astronomen haben ja manchmal unvorhersehbare Tricks auf Lager.
    Das die Natur häufig eine Händigkeit bevorzugt, liegt einfach an der großen Bedeutung der „biologischen Katalysatoren“ / Enzyme und ihre enantioselektive Wirkungsweise. Bei einem Racemat müssten häufig zwei Enzyme gebildet werden um auch beide Enantiomere umzusetzen.

    Gruß
    Aveneer

  12. #12 Wizzy
    3. März 2014

    Bezüglich Photosynthese-ähnlicher Biologie werfe ich mal als Venusatmosphärenphysik-Diplomarbeitsschreiber den “unknown UV Absorber” der Venus ins Feld – Schwefel z.B. zeigte im Experiment nicht die beobachteten Eigenschaften. Das UV-Absorber-Problem bleibt trotz einiger prinzipiell vielversprechender Ansätze durch experimentelle Falsifikation* in Testkammern bis heute ungelöst. So verwundert es nicht, dass Astrobiologen einwerfen, dass es nicht nur auf der Erde massig Leben in den Wolken gibt (ein Teil der Kondensationskeime unserer Wolken wird durch Sporen, Pollen und Bakterien gestellt), sondern auch solches das sehr saure Bedingungen überleben würde – und auf der Venus gab es für grob geschätzt ~0,5 Mrd. Jahre Ozeane und freundlichere Bedingungen. Allerdings wird die Venus in den kühlen oberen Schichten zudem noch von UV Strahlung bombardiert – Energiequelle oder endgültiges Todesurteil für Leben?
    Wir sollten uns die Venus auf jeden Fall noch mal genauer anschauen, die von den Russen damals eingesetzten Nephelometer haben massig bakteriengroßen Feinstaub dort gemessen, ohne diesen chemisch analysieren zu können.
    (Obwohl ich selbst eher pessimistisch bin, aber faszinierend ist das Ganze doch 😉

    *So ganz sicher ist man sich allerdings nicht, ob man die Venus gut genug nachbaut – aber mysteriös ist das Problem bisher gewiss.

  13. #13 stone1
    3. März 2014

    @Aveneer:
    Es sollen Proben der Ur-Materie des Sonnensystems bei der Rosetta-Mission auch auf ihre Chiralität hin untersucht werden. Auf die Schnelle hab ich dazu diesen Artikel gefunden, der gibt aber nicht viel her, genauso wie dieser ESA-Artikel.

  14. #14 Hoffmann
    3. März 2014

    @ Aveneer:

    Ich glaube nicht, dass man auf die Chiralität von Monomeren rückschließen kann. Zum einen, weil es gewisse technische Schwierigkeiten gibt, die von Kassenwart schon angesprochen wurden. Zum anderen, weil die Monomere ja in den Polymeren “verbaut” worden sind. Die Polymere wiederum befinden sich in den Zellen, und diese bewirken keine Drehung des eintreffenden Lichts. Von daher lässt sich aus dem empfangenen Licht nicht ableiten, ob die Aminosäuren dort in der L- oder in der D-Form vorliegen.

    Richtig ist natürlich, dass eine Auslese in Richtung Homochiralität stattgefunden haben dürfte, aber welches Resultat dabei herausgekommen ist, bleibt uns einstweilen verborgen.

    Mit “Biomarker” sind ja insbesondere Sauerstoff, Ozon und Methan gemeint, die in der Atmosphäre zusammen vorkommen müssen. Jedes Gas für sich genommen ist noch kein Indiz für Leben, weil z.B. Sauerstoff auch als dünne Atmosphäre auf eisbedeckten Himmelskörpern vorkommt, wo es infolge von Wasserspaltung durch UV-Strahlung entsteht (Beispiel: Jupitermond Europa).

    Erst das gemeinsame Vorkommen dieser Gase verweist auf ein chemisches Nichtgleichgewicht, das sich nur schwer mit anorganischen Prozessen erklären lässt. Darum sucht man bevorzugt nach solchen Hinweisen in Planetenatmosphären.

  15. #15 Trottelreiner
    4. März 2014

    Zur Frage, ob außerirdische Photosynthese genauso ablaufen muß wie die irdische würde ich BTW noch anmerken, daß es auch auf der Erde durchaus Unterschiede in der Photosynthese zwischen verschiedenen Organismen gibt, seien es einfach nur diverse Hilfsfarbstoffe, seien es etwas unterschiedlich aufgebaute Verwandte des Chlorophylls oder gar ganz anders funktionierende Moleküle wie Bakterienrhodopsine:

    http://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthetic_pigment

  16. #16 Aveneer
    4. März 2014

    Das Methan oder Sauerstoff auf leben hinweist hatte ich nie richtig nachvollziehen können. Erst durch deinen Hinweis, dass es auf die Mischung ankommt- wird es mir klar.

    Gut möglich, dass diese „Biomarker“ für erdähnliche Planeten auch die besseren Marke sind. Grundsätzlich wäre der Nachweis von vorwiegend links – oder rechts drehen Molekülen ein deutlicher Hinweis auf leben ohne sich auf erdähnliche biologische Vorgänge zu beschränken (z.B. leben auf Silizium basis).

    Kurz: Ein Nachweis von „70% linksdrehender Moleküle“ (egal welches) in der Atmosphäre eines Planet wäre für mich mindestens so ein deutlicher Hinweis auf leben wir die richtige Sauerstoff/Methan/CO2 Mischung.

    Gruß
    Aveneer

  17. #17 Hoffmann
    4. März 2014

    @ Aveneer:

    Hierbei muss man wieder vorsichtig sein. Durch polarisierte Sternstrahlung zerfallen bevorzugt rechtsdrehende Aminosäuren, wie man z.B. an den Inhaltsstoffen des Murchison-Meteoriten erkennen kann.

    Der Unterschied ist z.T. ganz erheblich (bei Asparaginsäure z.B. ein Verhältnis von 1 zu 3,42 zwischen D-Variante und L-Variante!), so dass ein festgestelltes Ungleichgewicht in der Verteilung der Chiralität durchaus auch mit Hilfe abiogener Ursachen erklärbar ist.

    Insofern würde es sich um ein schwaches Indiz handeln, das der Untermauerung durch andere Biomarker bedarf.

  18. #18 Arnd
    4. März 2014

    Man sollte auch bedenken dass bei solchen Planeten ein Jahr wesentlich kürzer ist (wenn ich richtig informiert bin geht’s da um Längen so um einen Monat herum). Wenn ein Tag also 2/3 eines Jahres ist dass sind das “nur noch” 20 unserer Tage. Das ist doch gar nicht soo lang. Kann mir gut vorstellen dass Planeten mit ausreichender Atmosphäre/Wolken in dieser Zeit noch nicht so furchtbar kalt auf der Nachtseite würden. @Florian (oder andere Astronomen): Gibt es auch noch andere stabile Resonanzen für solche Planeten als 1:1 oder 3:2?

  19. #19 Aveneer
    4. März 2014

    Das ist (natürlich) alles etwas komplexer und ich finde der Artikel „Homochiralität“ auf Wiki zeigt dies zumindest auf.

    Möchte jetzt nicht ins Detail gehen, ob und unter welchen Bedingungen eine Amplifikation eines Enantiomers zu erwarten ist. Aber [ 😉 ] während im einen Fall die „Amplifikations-Kette“ abgebrochen wird, führt in biologischen Systemen die Homochiralität einer Substanz (gerne) auch zu einer Homochiralität einer anderen. Denn wenn man sich bei „A für L“ entschieden hat, dann kann es sein, dass man bei „B nun D“ nehmen muss. Z.B. Die autokatalytische Amplifikation der RNA hat ggf. zu einer Homochiralität der RNA-Bausteine geführt, die nun aber bereits die Homochiralität der L-Aminosäuren bedingte (ohne Beleg).

    Egal ob schwaches oder starkes Indiz. Wegwerfen muss man die Idee aber nicht.

  20. #20 fff
    Universum
    4. März 2014

    Sauerstoffchauvinisten !

  21. #21 Hoffmann
    4. März 2014

    @ Aveneer:

    Die autokatalytische Amplifikation der RNA hat ggf. zu einer Homochiralität der RNA-Bausteine geführt, die nun aber bereits die Homochiralität der L-Aminosäuren bedingte (ohne Beleg).

    In biologischen Systemen werden bei Polymeren (bis auf einige wenige Ausnahmen) stets homochirale Monomere verwendet. Bei den Proteinen sind es L-Aminosäuren und bei den Nucleinsäuren entweder D-Ribose (bei RNA) und D-Desoxyribose (bei DNA) im Zuckeranteil des Nucleotids.

    Die Begründung ist in der Faltung des Makromoleküls zu sehen: Während Peptidketten bei Proteinen mit schöner Regelmäßigkeit Abschnitte mit Alpha-Helix sowie Beta-Faltblattstrukturen aufweisen, die sich dann im Ganzen zu einer dreidimensionalen kugelähnlichen Struktur sortieren, die sie als Enzym geeignet werden lässt, bildet DNA die allgemein bekannte Doppelhelix aus, die sich dann wiederum zu weiteren Helixstrukturen verdrillt (Superhelix), um schließlich in Gestalt von Chromosomen regulär angeordnete Strukturen zu bilden.

    So etwas klappt nur, wenn man sich bei der Polymersynthese quasi “darauf verlassen kann”, dass nur Monomere einer Sorte miteinander verknüpft werden. In der Tat machen es die sterischen Eigenschaften der gegenteiligen Variante unmöglich, regulär auf enzymatischem Weg (bei DNA-Replikation bzw. bei Transkription von DNA in RNA) bzw. im Verlauf der Translation am Ribosom (Proteinsynthese) zu Polymeren “verbaut” zu werden. Von daher ist das Gesamtsystem durch Selektion bereits derart auf Homochiralität optimiert, dass die Spiegelbildvariante keine Chance hat, sich im System anzureichern und sich dort zu etablieren.

    Egal ob schwaches oder starkes Indiz. Wegwerfen muss man die Idee aber nicht.

    Nein, natürlich nicht! Es bedarf aber weiterer Indizien, um abzuklären, ob eine eventuell festgestellte Ungleichverteilung diverser Moleküle auf biogene oder abiogene Ursachen zurückzuführen ist. Bei alledem muss man jedoch bedenken, dass die Biomarker Methan + Ozon bzw. Sauerstoff einfacher zu detektieren sind als chirale Moleküle. Von daher wird man bis auf weiteres auf diese Biomarker zurückgreifen, bevor ausgereiftere Beobachtungsmöglichkeiten detailliertere Untersuchungen von Atmosphärenspektren ermöglichen.

  22. #22 Hoffmann
    6. März 2014

    Passend zum Thema “Biomarker” habe ich noch diesen Artikel gefunden:

    http://online.liebertpub.com/doi/abs/10.1089/ast.2009.0381

  23. […] “Photosynthese auf fremden Planeten” – Science Blogs / Astrodicticum […]