Bindungsenergie [MeV]/Nukleon Massenzahl Energiegewinn durch Kernfusion.
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An Astrophysical View of Earth-Based Metabolic Biosignature Gases
Seager S., Schrenk M., Bains W.
Präsentation: Boris Moser
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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
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Einführung • Exoplanet in
„habitabler“ Zone
• Aufnahme von Spektren (Atmosphäre, Oberfläche)
• Identifikation von Verbindungen, meist gasförmig, die Rückschlüsse auf die Existenz von Leben zulassen -> Biosignaturen
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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)
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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)
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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
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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!
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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
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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)
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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
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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
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Sekundärer Metabolismus: Organische Verbindungen
• Allein Pflanzen produzieren über 50000 verschiedene Stoffe
• Isoprene/Terpenoide: Geschmack/Geruch, zu viele für Vorhersage
• Halogenierte Kohlenwasserstoffe: Methylclorid mögliche Biosignatur!
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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
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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.
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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
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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
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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
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• 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
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Quellen
• Seager S., Schrenk M., Bains W., 2012. An Astrophysical View of Earth-Based Metabolic Biosignature Gases. Astrobiology 12, 61-82.