Die Möglichkeit des Lebens auf Wasserplaneten

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die meisten Planeten, die wir kennen, haben eine größere Masse als die Erde, aber weniger als Saturn. Am häufigsten sind darunter "Mini-Neptune" und "Super-Erden" - Objekte, die ein paar Mal massereicher sind als unser Planet. Die Entdeckungen der letzten Jahre geben immer mehr Anlass zu der Annahme, dass Supererden Planeten sind, deren Zusammensetzung sich stark von unserer unterscheidet. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass sich die terrestrischen Planeten in anderen Systemen wahrscheinlich in viel reicheren Lichtelementen und Verbindungen, einschließlich Wasser, von der Erde unterscheiden. Und das ist ein guter Grund, sich zu fragen, wie fit sie fürs Leben sind.

Die oben erwähnten Unterschiede zwischen Ex-Erde und Erde werden durch die Tatsache erklärt, dass drei Viertel aller Sterne im Universum Rote Zwerge sind, Leuchten, die viel weniger massereich sind als die Sonne. Beobachtungen zeigen, dass sich die Planeten um sie herum oft in der habitablen Zone befinden – also dort, wo sie etwa die gleiche Energie von ihrem Stern erhalten wie die Erde von der Sonne. Außerdem gibt es in der bewohnbaren Zone der Roten Zwerge oft extrem viele Planeten: Im "Goldlöckchengürtel" des Sterns TRAPPIST-1 beispielsweise gibt es drei Planeten gleichzeitig.

Und das ist sehr seltsam. Die bewohnbare Zone der Roten Zwerge liegt Millionen Kilometer vom Stern entfernt und nicht 150-225 Millionen wie im Sonnensystem. In der Zwischenzeit können sich mehrere Planeten in Millionen von Kilometern von ihrem Stern nicht gleichzeitig bilden - die Größe seiner protoplanetaren Scheibe lässt dies nicht zu. Ja, ein roter Zwerg hat es weniger als ein gelber, wie unsere Sonne, aber nicht hundert oder gar fünfzig Mal.

Die Situation wird noch dadurch erschwert, dass Astronomen gelernt haben, Planeten in fernen Sternen mehr oder weniger genau zu "wiegen". Und dann stellte sich heraus, dass, wenn wir ihre Masse und Größe in Beziehung setzen, die Dichte solcher Planeten zwei- oder sogar dreimal geringer ist als die der Erde. Und das ist im Prinzip unmöglich, wenn diese Planeten in Millionen von Kilometern von ihrem Stern entfernt entstanden wären. Denn bei einer so engen Anordnung sollte die Strahlung der Leuchte den Großteil der Leuchtelemente buchstäblich nach außen drücken.

Genau das ist zum Beispiel im Sonnensystem passiert. Schauen wir uns die Erde an: Sie wurde in der bewohnbaren Zone gebildet, aber Wasser in ihrer Masse beträgt nicht mehr als ein Tausendstel. Wenn die Dichte mehrerer Welten bei Roten Zwergen zwei- bis dreimal geringer ist, beträgt das Wasser dort nicht weniger als 10 Prozent oder sogar mehr. Das heißt, hundertmal mehr als auf der Erde. Folglich bildeten sie sich außerhalb der bewohnbaren Zone und wanderten erst dann dorthin. Für stellare Strahlung ist es leicht, Lichtelemente der Zonen der protoplanetaren Scheibe nahe der Leuchte zu entziehen. Aber es ist viel schwieriger, einem fertigen Planeten, der aus dem entfernten Teil der protoplanetaren Scheibe gewandert ist, die Lichtelemente zu entziehen - die unteren Schichten dort werden von den oberen geschützt. Und der Wasserverlust ist zwangsläufig eher langsam. Eine typische Supererde in der bewohnbaren Zone kann nicht einmal die Hälfte ihres Wassers verlieren, und das während der gesamten Existenz beispielsweise des Sonnensystems.

Die massereichsten Sterne im Universum haben also oft Planeten, in denen sich viel Wasser befindet. Dies bedeutet höchstwahrscheinlich, dass es viel mehr solcher Planeten gibt als die Erde. Daher wäre es gut herauszufinden, ob an solchen Orten die Möglichkeit der Entstehung und Entwicklung von komplexem Leben besteht.

Brauche mehr Mineralien

Und hier beginnen die großen Probleme. Es gibt keine nahen Analogien zu Supererden mit einer großen Menge Wasser im Sonnensystem, und in Ermangelung von Beispielen zur Beobachtung haben Planetenwissenschaftler buchstäblich nichts, wovon sie ausgehen können. Wir müssen uns das Phasendiagramm des Wassers ansehen und herausfinden, welche Parameter für verschiedene Schichten der ozeanischen Planeten gelten werden.

Phasendiagramm des Wasserzustands. Eismodifikationen werden durch römische Ziffern angezeigt. Fast das gesamte Eis auf der Erde gehört zur Gruppe I_h, und ein sehr kleiner Bruchteil (in der oberen Atmosphäre) - bis I_C… Bild: AdmiralHood / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Es stellt sich heraus, dass, wenn es auf einem Planeten von der Größe der Erde 540-mal mehr Wasser gibt als hier, er vollständig von einem Ozean bedeckt ist, der mehr als hundert Kilometer tief ist. Am Boden solcher Ozeane wird der Druck so groß sein, dass sich dort Eis einer solchen Phase zu bilden beginnt, das auch bei sehr hohen Temperaturen fest bleibt, da das Wasser durch den enormen Druck fest gehalten wird.

Wenn der Boden des planetarischen Ozeans mit einer dicken Eisschicht bedeckt ist, wird flüssigem Wasser der Kontakt mit festen Silikatgesteinen entzogen. Ohne einen solchen Kontakt können die darin enthaltenen Mineralien in der Tat nirgendwo herkommen. Schlimmer noch, der Kohlenstoffkreislauf wird gestört.

Beginnen wir mit Mineralien. Ohne Phosphor kann es kein Leben - in den uns bekannten Formen - geben, denn ohne Phosphor gibt es keine Nukleotide und dementsprechend auch keine DNA. Ohne Calcium wird es schwierig - unsere Knochen bestehen beispielsweise aus Hydroxylapatit, das ohne Phosphor und Calcium nicht auskommt. Auf der Erde treten manchmal Probleme mit der Verfügbarkeit bestimmter Elemente auf. In Australien und Nordamerika gab es beispielsweise an einigen Orten eine ungewöhnlich lange Abwesenheit von vulkanischer Aktivität und in Böden besteht mancherorts ein starker Mangel an Selen (es ist Teil einer der lebensnotwendigen Aminosäuren).. Daraus resultiert ein Mangel an Selen bei Kühen, Schafen und Ziegen, und dies führt manchmal zum Tod von Nutztieren (die Zugabe von Selenit zu Viehfutter ist in den Vereinigten Staaten und Kanada sogar gesetzlich geregelt).

Einige Forscher schlagen vor, dass der bloße Faktor der Verfügbarkeit von Mineralien die Ozeane-Planeten zu echten biologischen Wüsten machen sollte, in denen Leben, falls vorhanden, äußerst selten ist. Und wir reden hier einfach nicht von wirklich komplexen Formen.

Klimaanlage kaputt

Neben Mineralmangel haben Theoretiker ein zweites potenzielles Problem der Planeten-Ozeane entdeckt - vielleicht sogar noch wichtiger als das erste. Die Rede ist von Störungen im Kohlenstoffkreislauf. Auf unserem Planeten ist er der Hauptgrund für die Existenz eines relativ stabilen Klimas. Das Prinzip des Kohlenstoffkreislaufs ist einfach: Wenn der Planet zu kalt wird, verlangsamt sich die Aufnahme von Kohlendioxid durch die Gesteine stark (der Prozess der Aufnahme verläuft nur in einer warmen Umgebung schnell). Gleichzeitig gehen die "Lieferungen" von Kohlendioxid bei Vulkanausbrüchen im gleichen Tempo voran. Wenn die Gasbindung abnimmt und die Zufuhr nicht abnimmt, steigt die CO₂-Konzentration natürlich an. Die Planeten befinden sich, wie Sie wissen, im Vakuum des interplanetaren Raums, und der einzige nennenswerte Weg des Wärmeverlusts für sie ist ihre Strahlung in Form von Infrarotwellen. Kohlendioxid absorbiert solche Strahlung von der Oberfläche des Planeten, weshalb sich die Atmosphäre leicht erwärmt. Dabei verdunstet Wasserdampf von der Wasseroberfläche der Ozeane, der auch Infrarotstrahlung (ein weiteres Treibhausgas) absorbiert. Infolgedessen ist CO₂ der Hauptinitiator bei der Erwärmung des Planeten.

Dieser Mechanismus führt dazu, dass Gletscher auf der Erde früher oder später enden. Auch eine Überhitzung lässt er nicht zu: Bei zu hohen Temperaturen wird Kohlendioxid schneller von Gesteinen gebunden, woraufhin diese aufgrund der Tektonik der Erdkrustenplatten allmählich in den Erdmantel sinken. CO-Gehalt₂fällt und das Klima wird kühler.

Die Bedeutung dieses Mechanismus für unseren Planeten ist kaum zu überschätzen. Stellen Sie sich für eine Sekunde den Ausfall einer Kohlenstoff-Klimaanlage vor: Sagen wir, Vulkane haben aufgehört auszubrechen und liefern kein Kohlendioxid mehr aus den Eingeweiden der Erde, die einst mit alten Kontinentalplatten dort hinabstiegen. Die allererste Vereisung wird buchstäblich ewig, denn je mehr Eis auf dem Planeten ist, desto mehr Sonnenstrahlung wird in den Weltraum reflektiert. Und eine neue Portion CO₂ wird den Planeten nicht auftauen können: er wird nirgendwo herkommen.

Genau so sollte es theoretisch auf den Planeten-Ozeanen sein. Auch wenn vulkanische Aktivität manchmal die Schale aus exotischem Eis am Boden des planetarischen Ozeans durchbrechen kann, hat das wenig Gutes daran. Tatsächlich gibt es auf der Meeresoberfläche einfach keine Gesteine, die überschüssiges Kohlendioxid binden könnten. Das heißt, seine unkontrollierte Ansammlung kann beginnen und dementsprechend eine Überhitzung des Planeten.

Etwas Ähnliches – wahr, ohne planetarischen Ozean – geschah auf der Venus. Es gibt auch keine Plattentektonik auf diesem Planeten, obwohl nicht wirklich bekannt ist, warum dies geschah. Daher bringen dort Vulkanausbrüche, die zeitweise die Kruste durchbrechen, viel Kohlendioxid in die Atmosphäre, aber die Oberfläche kann es nicht binden: Kontinentalplatten sinken nicht ab und neue steigen nicht auf. Daher hat die Oberfläche der bestehenden Platten bereits das gesamte CO. gebunden₂, die mehr aufnehmen kann und kann, und auf der Venus ist es so heiß, dass Blei dort immer flüssig bleibt. Und das trotz der Tatsache, dass dieser Planet laut Modellierung mit der Erdatmosphäre und dem Kohlenstoffkreislauf ein bewohnbarer Zwilling der Erde wäre.

Gibt es ein Leben ohne Klimaanlage?

Kritiker des "terrestrischen Chauvinismus" (die Position, dass Leben nur auf "Kopien der Erde" möglich ist, Planeten mit streng irdischen Bedingungen) stellten sofort die Frage: Warum entschieden eigentlich alle, dass Mineralien nicht durchbrechen können? Schicht aus exotischem Eis? Je fester und undurchdringlicher der Deckel über etwas Heißem ist, desto mehr Energie sammelt sich darunter an, die dazu neigt, auszubrechen. Hier ist dieselbe Venus - Plattentektonik scheint nicht zu existieren, und Kohlendioxid entweicht in solchen Mengen aus der Tiefe, dass daraus kein Leben im wahrsten Sinne des Wortes entsteht. Folglich ist das gleiche mit dem Abbau von Mineralien nach oben möglich – feste Gesteine fallen bei Vulkanausbrüchen vollständig nach oben.

Trotzdem bleibt ein weiteres Problem – die „kaputte Klimaanlage“des Kohlenstoffkreislaufs. Kann ein Ozeanplanet ohne sie bewohnbar sein?

Es gibt viele Körper im Sonnensystem, auf denen Kohlendioxid keineswegs die Rolle des Hauptregulators des Klimas spielt. Hier ist, sagen wir, Titan, ein großer Saturnmond.

Titan. Foto: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of Arizona

Der Körper ist im Vergleich zur Masse der Erde vernachlässigbar. Es wurde jedoch weit von der Sonne entfernt gebildet, und die Strahlung der Leuchte "verdampfte" nicht die leichten Elemente, einschließlich Stickstoff. Dies verleiht Titan eine Atmosphäre aus fast reinem Stickstoff, dem gleichen Gas, das unseren Planeten dominiert. Aber die Dichte seiner Stickstoffatmosphäre ist viermal so groß wie die unserer – durch die Schwerkraft ist sie siebenmal geringer.

Auf den ersten Blick auf das Klima der Titan hat man immer das Gefühl, dass sie extrem stabil ist, obwohl es keine "Carbon"-Klimaanlage in ihrer direkten Form gibt. Es genügt zu sagen, dass der Temperaturunterschied zwischen dem Pol und dem Äquator von Titan nur drei Grad beträgt. Wäre die Situation auf der Erde gleich, wäre der Planet viel gleichmäßiger bevölkert und im Allgemeinen besser für das Leben geeignet.

Darüber hinaus haben Berechnungen mehrerer wissenschaftlicher Gruppen ergeben: Bei einer Atmosphärendichte, die fünfmal höher ist als die der Erde, also ein Viertel höher als auf Titan, reicht allein der Treibhauseffekt von Stickstoff völlig aus, um die Temperaturschwankungen zu verringern auf fast null. Auf einem solchen Planeten wäre die Temperatur Tag und Nacht, sowohl am Äquator als auch am Pol, immer gleich. Davon kann das irdische Leben nur träumen.

Planeten-Ozeane liegen hinsichtlich ihrer Dichte gerade auf dem Niveau von Titan (1,88 g/cm³) und nicht der Erde (5,51 g/cm³). Nehmen wir an, drei Planeten in der bewohnbaren Zone TRAPPIST-1 40 Lichtjahre von uns entfernt haben eine Dichte von 1,71 bis 2,18 g / cm³. Mit anderen Worten, solche Planeten haben höchstwahrscheinlich eine mehr als ausreichende Dichte der Stickstoffatmosphäre, um allein aufgrund des Stickstoffs ein stabiles Klima zu haben. Kohlendioxid kann sie nicht in eine glühende Venus verwandeln, denn eine wirklich große Wassermasse kann auch ohne Plattentektonik viel Kohlendioxid binden (Kohlendioxid wird von Wasser aufgenommen, und je höher der Druck, desto mehr kann es enthalten).

Tiefseewüsten

Bei hypothetischen extraterrestrischen Bakterien und Archaeen scheint alles einfach: Sie können unter sehr schwierigen Bedingungen leben und brauchen dafür gar nicht viele chemische Elemente im Überfluss. Schwieriger ist es bei Pflanzen und einem hochorganisierten Leben, das auf ihre Kosten kommt.

Ozeanplaneten können also ein stabiles Klima haben - sehr wahrscheinlich stabiler als die Erde. Es ist auch möglich, dass im Wasser eine merkliche Menge an Mineralien gelöst ist. Und doch ist das Leben dort überhaupt kein Fastnacht.

Werfen wir einen Blick auf die Erde. Abgesehen von den letzten Millionen von Jahren ist sein Land extrem grün, fast frei von braunen oder gelben Wüstenflecken. Aber das Meer sieht, abgesehen von einigen schmalen Küstenzonen, überhaupt nicht grün aus. Warum so?

Die Sache ist, dass der Ozean auf unserem Planeten eine biologische Wüste ist. Das Leben braucht Kohlendioxid: Es „baut“pflanzliche Biomasse und nur daraus kann tierische Biomasse ernährt werden. Wenn CO in der Luft um uns herum ist₂ mehr als 400 ppm wie es jetzt ist, blüht die Vegetation. Wenn es weniger als 150 Teile pro Million wären, würden alle Bäume sterben (und dies könnte in einer Milliarde Jahren passieren). Mit weniger als 10 Teilen CO₂ pro Million würden im Allgemeinen alle Pflanzen sterben und mit ihnen alle wirklich komplexen Lebensformen.

Auf den ersten Blick soll das bedeuten, dass das Meer eine wahre Weite des Lebens ist. Tatsächlich enthalten die Ozeane der Erde hundertmal mehr Kohlendioxid als die Atmosphäre. Daher sollte es viel Baumaterial für Pflanzen geben.

Tatsächlich ist nichts weiter von der Wahrheit entfernt. Das Wasser in den Ozeanen der Erde beträgt 1,35 Trillionen (Milliarden Milliarden) Tonnen, und die Atmosphäre beträgt etwas mehr als fünf Billiarden (Millionen Milliarden) Tonnen. Das heißt, eine Tonne Wasser enthält merklich weniger CO.₂als eine Tonne Luft. Wasserpflanzen in den Ozeanen der Erde haben fast immer viel weniger CO₂ zu ihrer Verfügung stehen als terrestrische.

Erschwerend kommt hinzu, dass Wasserpflanzen nur in warmem Wasser einen guten Stoffwechsel haben. Darin ist nämlich CO₂ schon gar nicht, weil seine Wasserlöslichkeit mit steigender Temperatur abnimmt. Daher existieren Algen - im Gegensatz zu Landpflanzen - unter Bedingungen eines ständigen kolossalen CO-Mangels.₂.

Versuche von Wissenschaftlern, die Biomasse terrestrischer Organismen zu berechnen, zeigen deshalb, dass das Meer, das zwei Drittel des Planeten einnimmt, einen unbedeutenden Beitrag zur Gesamtbiomasse leistet. Wenn wir die Gesamtmasse des Kohlenstoffs - das Schlüsselmaterial in der Trockenmasse jedes Lebewesens - der Bewohner des Landes nehmen, dann entspricht sie 544 Milliarden Tonnen. Und in den Körpern der Bewohner der Meere und Ozeane - nur sechs Milliarden Tonnen, Krümel vom Tisch des Meisters, etwas mehr als ein Prozent.

All dies kann zu der Meinung führen, dass Leben auf den Planeten-Ozeanen zwar möglich ist, aber sehr, sehr unansehnlich wird. Die Biomasse der Erde, wenn sie von einem Ozean bedeckt wäre, würde unter sonst gleichen Bedingungen in Bezug auf trockenen Kohlenstoff nur 10 Milliarden Tonnen betragen - fünfzigmal weniger als heute.

Doch auch hier ist es noch zu früh, den Wasserwelten ein Ende zu setzen. Tatsache ist, dass bereits bei einem Druck von zwei Atmosphären die CO.-Menge₂, das sich in Meerwasser auflösen kann, mehr als verdoppelt (bei einer Temperatur von 25 Grad). Bei Atmosphären, die vier- bis fünfmal dichter sind als die der Erde – und das ist genau das, was man auf Planeten wie TRAPPIST-1e, g und f erwarten würde – kann so viel Kohlendioxid im Wasser sein, dass sich das Wasser der lokalen Ozeane annähert die Luft der Erde. Mit anderen Worten, Wasserpflanzen auf Planeten und Ozeanen befinden sich in viel besseren Bedingungen als auf unserem Planeten. Und wo es mehr grüne Biomasse gibt und Tiere eine bessere Nahrungsgrundlage haben. Das heißt, im Gegensatz zur Erde sind die Meere der Planeten-Ozeane keine Wüsten, sondern Oasen des Lebens.

Sargasso-Planeten

Aber was tun, wenn der Ozeanplanet aufgrund eines Missverständnisses immer noch die Atmosphärendichte der Erde hat? Und hier ist alles nicht so schlimm. Auf der Erde neigen Algen dazu, sich am Boden festzusetzen, aber wo es keine Bedingungen dafür gibt, stellt sich heraus, dass Wasserpflanzen schwimmen können.

Einige der Sargassum-Algen verwenden luftgefüllte Säcke (sie ähneln Trauben, daher das portugiesische Wort "sargasso" im Namen der Sargassosee), um Auftrieb zu erzeugen, und dies ermöglicht Ihnen theoretisch die Einnahme von CO₂ aus der Luft und nicht aus dem Wasser, wo es knapp ist. Aufgrund ihres Auftriebs ist es für sie einfacher, Photosynthese zu betreiben. Solche Algen vermehren sich zwar nur bei ziemlich hohen Wassertemperaturen gut und sind daher auf der Erde nur an einigen Orten, wie der Sargassosee, wo das Wasser sehr warm ist, relativ gut. Wenn der Ozeanplanet warm genug ist, ist selbst die atmosphärische Dichte der Erde kein unüberwindbares Hindernis für Meerespflanzen. Sie können durchaus CO. aufnehmen₂ aus der Atmosphäre, wodurch die Probleme des niedrigen Kohlendioxidgehalts in warmem Wasser vermieden werden.

Sargasso-Algen. Foto: Allen McDavid Stoddard / Photodom / Shutterstock

Interessanterweise erzeugen Schwebealgen in derselben Sargassosee ein ganzes schwimmendes Ökosystem, so etwas wie ein "schwimmendes Land". Dort leben Krebse, denen der Auftrieb der Algen ausreicht, um sich auf ihrer Oberfläche wie auf Land zu bewegen. Theoretisch können schwimmende Gruppen von Meerespflanzen in ruhigen Gebieten des Ozeanplaneten ziemlich "Landleben" entwickeln, obwohl Sie dort kein Land finden.

Überprüfe dein Privileg, Erdenbürger

Das Problem bei der Identifizierung der vielversprechendsten Orte für die Suche nach Leben besteht darin, dass wir bisher nur wenige Daten haben, die es uns ermöglichen würden, die wahrscheinlichsten Lebensträger unter den Kandidatenplaneten herauszufiltern. Das Konzept der "habitablen Zone" allein ist hier nicht der beste Assistent. Darin werden jene Planeten als lebensfähig angesehen, die von ihrem Stern genügend Energie erhalten, um zumindest auf einem Teil ihrer Oberfläche Flüssigkeitsreservoirs zu unterstützen. Im Sonnensystem befinden sich sowohl der Mars als auch die Erde in der bewohnbaren Zone, aber zu Beginn ist das komplexe Leben auf der Oberfläche irgendwie nicht wahrnehmbar.

Vor allem, weil dies nicht dieselbe Welt wie die Erde ist, mit einer grundlegend anderen Atmosphäre und Hydrosphäre. Lineare Darstellungen im Stil von "Der Planet-Ozean ist die Erde, aber nur mit Wasser bedeckt" kann uns in denselben Wahn verleiten, den es zu Beginn des 20. Jahrhunderts über die Lebenstauglichkeit des Mars gab. Echte Ozeaniden können sich stark von unserem Planeten unterscheiden – sie haben eine völlig andere Atmosphäre, andere Klimastabilisierungsmechanismen und sogar andere Mechanismen zur Versorgung von Meerespflanzen mit Kohlendioxid.

Ein detailliertes Verständnis der tatsächlichen Funktionsweise der Wasserwelten ermöglicht es uns, im Voraus zu verstehen, was die bewohnbare Zone für sie sein wird, und so schnell an detaillierte Beobachtungen solcher Planeten in James Webb und anderen vielversprechenden Großteleskopen heranzukommen.

Zusammenfassend kann man nicht umhin zuzugeben, dass unsere Vorstellungen darüber, welche Welten wirklich bewohnt sind und welche nicht, bis vor kurzem zu sehr unter Anthropozentrismus und Geozentrismus gelitten haben. Und, wie sich jetzt herausstellt, vom "Sushzentrismus" - der Meinung, dass, wenn wir selbst auf dem Land entstanden sind, dies der wichtigste Ort in der Entwicklung des Lebens ist, und zwar nicht nur auf unserem Planeten, sondern auch auf anderen Sonnen. Vielleicht werden die Beobachtungen der nächsten Jahre aus dieser Sicht keinen Stein auf dem anderen lassen.