Sauerstoff kein eindeutiges Anzeichen für Leben auf Exoplaneten

Leben auf Exoplaneten ließe sich mit den Techniken der näheren Zukunft nur indirekt nachweisen, durch sogenannte Biomarker oder Biosignaturen, die möglichst eindeutig auf die Aktivität von Lebewesen hindeuten. Als ein Musterbeispiel solcher Biomarker galt bisher Sauerstoff, der unter anderem von Pflanzen produziert wird. Ein japanisches Forscherteam stellt diesen Biomarker nun in Frage.

In der Erdatmosphäre gibt es Sauerstoff im Überfluss, weil ihn ständig Pflanzen und Cyanobakterien durch Photosynthese produzieren. Gleichzeitig benötigen ihn andere Lebewesen, um zu leben. Ohne diese umfangreiche Produktion würde der reine Sauerstoff aus der Atmosphäre verschwinden und sich chemisch an das Gestein, die Meere und Atmosphärengase binden. Daher sahen Astrobiologen Sauerstoff bisher als zuverlässigen Biomarker an. Japanische Wissenschaftler [ 1 ] untersuchten nun einen chemischen Prozess, der geeignet ist, auch ohne Lebewesen große Mengen Sauerstoff in der Atmosphäre eines Exoplanten freizusetzen.

Sauerstoffatmosphäre ohne Photosynthese

Eine Voraussetzung hierfür ist das ausreichende Vorkommen von Titandioxid auf der Planetenoberfläche. Im Weltraum, in Meteoriten und auf der Erde ist es weit verbreitet. Im Zusammenspiel mit Wasser und ultraviolettem Licht wirkt das Titandioxid als Photokatalysator: Es bricht die Wassermoleküle auf und setzt den in ihnen steckenden Sauerstoff frei.

Schema der photokatalytischen Sauerstoffproduktion. Titandioxid wirkt hierbei als Photokatalysator: Ein Photon des ultravioletten Lichts erzeugt im Katalysator ein Elektron-Loch-Paar (Titandioxid ist ein Halbleiter). Unterschiedliche Moleküle oder Ionen der Umgebung (Akzeptor) können das Elektron aufnehmen, während das Loch an der Katalysatoroberfläche dem Wassermolekül ein Elektron entreißt (Oxidation). Dadurch bricht es das Molekül in ein Wasserstoffion (H+) und Sauerstoff (O2) auf. Grafik: Norio Narita, Takafumi Enomoto, Shigeyuki Masaoka & Nobuhiko Kusakabe [ 1 ]

Schema der photokatalytischen Sauerstoffproduktion. Titandioxid wirkt hierbei als Photokatalysator: Ein Photon des ultravioletten Lichts erzeugt im Katalysator ein Elektron-Loch-Paar (Titandioxid ist ein Halbleiter). Unterschiedliche Moleküle oder Ionen der Umgebung (Akzeptor) können das Elektron aufnehmen, während das Loch an der Katalysatoroberfläche dem Wassermolekül ein Elektron entreißt (Oxidation). Dadurch bricht es das Molekül in ein Wasserstoffion (H+) und Sauerstoff (O2) auf. Grafik: Norio Narita, Takafumi Enomoto, Shigeyuki Masaoka & Nobuhiko Kusakabe [ 1 ], Creative Commons Attribution 4.0

Abschätzung der Sauerstoffproduktion

Unter anderem berechneten die Forscher die Sauerstoffproduktion für einen erdähnlichen Planeten, der der Strahlung eines sonnenähnlichen Sterns ausgesetzt ist. Die stetige photokatalytische Reaktion des Titandioxids auf etwa 0,05% der Planetenoberfläche könnte dort eine Sauerstoffkonzentration wie in der Erdatmosphäre erzeugen.

Das Wissenschaftlerteam schätzte auch die Sauerstoffproduktion für lebensfreundliche Exoplaneten um Sterne anderen Typs ab. Sogar im schlechtesten Fall kühler Sterne fanden sie bei einer 3%-Bedeckung der Planetenoberfläche mit Titandioxid eine Sauerstoffkonzentration wie in der Erdatmosphäre.

Sauerstoff kein eindeutiger Biomarker

Das heißt, nach den Berechnungen ist es möglich, dass ein lebensfreundlicher Exoplanet eine sauerstoffreiche Atmosphäre besitzt auch ohne Lebewesen, die Photosynthese betreiben. Der Nachweis von Sauerstoff in der Atmosphäre wäre demnach kein eindeutiger Hinweis auf Leben.

Für die Suche nach Leben auf Exoplaneten bleibt Sauerstoff zwar weiterhin ein möglicher Biomarker. Aber zusätzliche Biomarker zu finden ist unerlässlich.

Terraforming?

Eine Idee, die noch Sciencefiction ist, schnitten die Forscher in ihrer Analyse nicht an: Terraforming. Könnte die Menscheit irgendwann in der Zukunft Titandioxid auf einem potenziell lebensfreundlichen Planeten ausbringen, um dort eine atembare Atmosphäre zu erzeugen?

Links

[ 1 ] Norio Narita, Takafumi Enomoto, Shigeyuki Masaoka & Nobuhiko Kusakabe: Titania may produce abiotic oxygen atmospheres on habitable exoplanets; Scientific Reports 5, Article number: 13977 (2015), doi:10.1038/srep13977, Published online: 10 September 2015
http://www.nature.com/articles/srep13977

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