Bildnachweis: NASA
Christopher Chyba ist der Hauptforscher für das Leitungsteam des SETI-Instituts des NASA Astrobiology Institute. Chyba leitete früher das Zentrum des SETI-Instituts für das Studium des Lebens im Universum. Sein NAI-Team verfolgt eine breite Palette von Forschungsaktivitäten und untersucht sowohl die Anfänge des Lebens auf der Erde als auch die Möglichkeit des Lebens auf anderen Welten. Der leitende Redakteur des Astrobiology Magazine, Henry Bortman, sprach kürzlich mit Chyba über mehrere Projekte seines Teams, die den Ursprung und die Bedeutung von Sauerstoff in der Erdatmosphäre untersuchen werden.
Astrobiology Magazine: Viele der Projekte, an denen Mitglieder Ihres Teams arbeiten werden, haben mit Sauerstoff in der Erdatmosphäre zu tun. Heute ist Sauerstoff ein wesentlicher Bestandteil der Luft, die wir atmen. Aber auf der frühen Erde gab es sehr wenig Sauerstoff in der Atmosphäre. Es wird viel darüber diskutiert, wie und wann die Atmosphäre des Planeten mit Sauerstoff angereichert wurde. Können Sie erklären, wie die Forschung Ihres Teams diese Frage angehen wird?
Christopher Chyba: Die übliche Geschichte, mit der Sie wahrscheinlich vertraut sind, ist, dass es nach der Entwicklung der sauerstoffhaltigen Photosynthese auf der frühen Erde eine riesige biologische Sauerstoffquelle gab. Das ist die übliche Ansicht. Es mag richtig sein, und was bei solchen Argumenten normalerweise der Fall ist, ist nicht, ob ein Effekt richtig ist oder nicht. Wahrscheinlich waren viele Effekte aktiv. Es geht darum, was der dominierende Effekt war oder ob es mehrere Effekte von vergleichbarer Bedeutung gab.
Der Forscher des SETI-Instituts, Friedemann Freund, hat eine völlig nicht-biologische Hypothese über den Anstieg von Sauerstoff, die durch seine Laborarbeit experimentell gestützt wird. Die Hypothese ist, dass Gesteine, wenn sie sich aus Magma verfestigen, geringe Mengen Wasser enthalten. Abkühlung und anschließende Reaktionen führen zur Bildung von Peroxybindungen (bestehend aus Sauerstoff- und Siliciumatomen) und molekularem Wasserstoff in den Gesteinen.
Wenn das magmatische Gestein anschließend verwittert wird, produzieren die Peroxyverbindungen Wasserstoffperoxid, das sich in Wasser und Sauerstoff zersetzt. Wenn dies richtig ist, wird die einfache Verwitterung von magmatischen Gesteinen eine Quelle für freien Sauerstoff in die Atmosphäre sein. Und wenn Sie sich einige der Sauerstoffmengen ansehen, die Friedemann in seinen ersten Experimenten in gut kontrollierten Situationen aus Gesteinen freisetzen kann, könnte dies sein, dass dies eine wesentliche und bedeutende Sauerstoffquelle auf der frühen Erde war.
Abgesehen von der Photosynthese könnte es auf jeder erdähnlichen Welt eine Art natürliche Sauerstoffquelle geben, die magmatische Aktivität und flüssiges Wasser zur Verfügung hat. Dies würde darauf hinweisen, dass die Oxidation der Oberfläche etwas sein könnte, das Sie erwarten, unabhängig davon, ob die Photosynthese früh oder spät erfolgt. (Natürlich hängt der Zeitpunkt auch von den Sauerstoffsenken ab.) Ich betone, dass dies an dieser Stelle alles eine Hypothese für eine viel sorgfältigere Untersuchung ist. Friedemann hat bisher nur Pilotversuche durchgeführt.
Eines der interessanten Dinge an Friedemanns Idee ist, dass es eine wichtige Sauerstoffquelle auf Planeten gibt, die völlig unabhängig von der biologischen Evolution ist. Es könnte also einen natürlichen Treiber für die Oxidation der Oberfläche einer Welt geben, mit allen sich daraus ergebenden Konsequenzen für die Evolution. Oder vielleicht nicht. Es geht darum, die Arbeit zu erledigen und es herauszufinden.
Ein weiterer Bestandteil seiner Arbeit, den Friedemann mit der Mikrobiolologin Lynn Rothschild vom NASA Ames Research Center machen wird, hat mit der Frage zu tun, ob Sie in Umgebungen, die mit verwitterten magmatischen Gesteinen und der Produktion von Sauerstoff verbunden sind, Mikroumgebungen hätten schaffen können, die hätte es bestimmten in diesen Umgebungen lebenden Mikroorganismen ermöglicht, sich an eine sauerstoffreiche Umgebung anzupassen. Sie werden mit Mikroorganismen arbeiten, um diese Frage zu beantworten.
AM: Emma Banks wird chemische Wechselwirkungen in der Atmosphäre des Saturnmondes Titan untersuchen. Wie hängt das mit dem Verständnis von Sauerstoff auf der frühen Erde zusammen?
CC: Emma betrachtet einen anderen abiotischen Weg, der für die Oxidation der Oberfläche einer Welt wichtig sein könnte. Emma macht chemische Rechenmodelle bis hinunter zur quantenmechanischen Ebene. Sie macht sie in einer Reihe von Zusammenhängen, aber was für diesen Vorschlag relevant ist, hat mit der Dunstbildung zu tun.
Auf Titan - und möglicherweise auch auf der frühen Erde, abhängig von Ihrem Modell für die Atmosphäre der frühen Erde - findet in der oberen Atmosphäre eine Polymerisation von Methan [der Kombination von Methanmolekülen zu größeren Kohlenwasserstoffkettenmolekülen] statt. Die Titanatmosphäre besteht zu mehreren Prozent aus Methan. Fast alles andere ist molekularer Stickstoff. Es wird mit ultraviolettem Sonnenlicht bombardiert. Es wird auch mit geladenen Teilchen aus der Saturn-Magnetosphäre bombardiert. Dies wirkt auf das Methan CH4 ein und zersetzt das Methan und polymerisiert es zu längerkettigen Kohlenwasserstoffen.
Wenn Sie anfangen, Methan in immer längere Kohlenstoffketten zu polymerisieren, müssen Sie jedes Mal, wenn Sie der Kette einen weiteren Kohlenstoff hinzufügen, etwas Wasserstoff entfernen. Um beispielsweise von CH4 (Methan) zu C2H6 (Ethan) zu gelangen, müssen zwei Wasserstoffatome entfernt werden. Wasserstoff ist ein extrem leichtes Atom. Selbst wenn es H2 bildet, ist das ein extrem leichtes Molekül, und dieses Molekül ist von der Oberseite der Titanatmosphäre verloren gegangen, genauso wie es von der Oberseite der Erdatmosphäre verloren gegangen ist. Wenn Sie Wasserstoff aus Ihrer Atmosphäre ablassen, besteht der Nettoeffekt darin, die Oberfläche zu oxidieren. Es ist also ein anderer Weg, der Ihnen eine Nettooxidation der Oberfläche einer Welt ermöglicht.
Emma interessiert sich hauptsächlich dafür, was auf Titan passiert. Es ist aber möglicherweise auch als eine Art globaler Oxidationsmechanismus für die frühe Erde relevant. Und um Stickstoff ins Bild zu bringen, interessiert sie sich für die mögliche Produktion von Aminosäuren unter diesen Bedingungen.
AM: Eines der Rätsel um das frühe Leben auf der Erde ist, wie es die schädlichen Auswirkungen der ultravioletten (UV) Strahlung überlebte, bevor sich genügend Sauerstoff in der Atmosphäre befand, um einen Ozonschutz bereitzustellen. Janice Bishop, Nathalie Cabrol und Edmond Grin, die alle beim SETI-Institut arbeiten, untersuchen einige dieser Strategien.
CC: Und dort gibt es viele mögliche Strategien. Einer ist gerade tief genug unter der Oberfläche, egal ob es sich um Land oder Meer handelt, um vollständig abgeschirmt zu sein. Eine andere ist, durch Mineralien im Wasser selbst abgeschirmt zu werden. Janice und Lynn Rothschild arbeiten an einem Projekt, das die Rolle von Eisenoxidmineralien in Wasser als eine Art UV-Schutz untersucht.
In Abwesenheit von Sauerstoff würde das Eisen in Wasser als Eisenoxid vorliegen. (Wenn Sie mehr Sauerstoff haben, oxidiert das Eisen weiter; es wird Eisen und fällt aus.) Eisenoxid könnte möglicherweise die Rolle eines UV-Schutzschilds in den frühen Ozeanen oder in frühen Teichen oder Seen gespielt haben. Um zu untersuchen, wie gut es als potenzieller UV-Schutz ist, sollten Sie einige Messungen durchführen, einschließlich Messungen in natürlichen Umgebungen wie Yellowstone. Und wieder gibt es eine mikrobiologische Komponente in der Arbeit, an der Lynn beteiligt ist.
Dies hängt mit dem Projekt zusammen, das Nathalie Cabrol und Edmond Grin aus einer anderen Perspektive verfolgen. Nathalie und Edmond interessieren sich sehr für den Mars. Sie sind beide im Wissenschaftsteam von Mars Exploration Rover. Zusätzlich zu ihrer Marsarbeit erforschen Nathalie und Edmond Umgebungen auf der Erde als analoge Marsorte. Eines ihrer Untersuchungsthemen sind Überlebensstrategien in Umgebungen mit hohem UV-Licht. Auf Licancabur (einem schlafenden Vulkan in den Anden) befindet sich ein sechs Kilometer hoher See. Wir wissen jetzt, dass es in diesem See mikroskopisch kleines Leben gibt. Und wir möchten gerne wissen, welche Strategien es gibt, um in der dortigen Hoch-UV-Umgebung zu überleben? Und das ist eine andere, sehr empirische Methode, um diese Frage zu beantworten, wie das Leben in der Hoch-UV-Umgebung auf der frühen Erde überlebt hat.
Diese vier Projekte sind alle miteinander verbunden, weil sie mit dem Anstieg des Sauerstoffs auf der frühen Erde zu tun haben, wie Organismen überlebten, bevor es in der Atmosphäre erheblichen Sauerstoff gab, und wie sich dies alles auf den Mars bezieht.
Originalquelle: Astrobiology Magazine
