von Ruth Titz-Weider (DLR), Mai 2024
Was wäre, wenn es auf einem Planeten außerhalb unseres Sonnensystems Leben geben würde? Welche Hinweise könnten könnte es geben? Was könnte man messen und was könnte auf könnte auf Leben hindeuten?
Hier sind einige Beispiele für Moleküle, die bei der Suche nach außerirdischem Leben in die Schlagzeilen geraten sind: Wasser, Phosphin, Methan und Dimethylsulfid.
Wasser H2O
Quelle: Sindugab via Wikimedia Commons
Wasser ist unabdingbar für Leben wie wir es kennen. Wenn man auf einem Himmelskörper Wasser findet, kann es interessant werden. Dabei können es auch geologische Strukturen sein, die durch Wasser geformt sind. Ein Beispiel dafür ist unser Nachbarplanet Mars. Auf ihm beobachtete Giovanni Schiaparelli (1835 – 1910) linienförmige Strukturen – italienisch: canali – die er für natürlich entstandene, geradlinige Senken hielt, durch die sich eventuell Wasser auf der ansonsten trockenen Oberfläche ausgebreitet haben könnte. Das war Anlass zu vielen Spekulationen bis hin zu Marsmenschen, gefördert von der Fehlübersetzung in den englischen Begriff canal als künstliches Bauwerk.
Mikrobielles Leben könnte es auf dem frühen Mars gegeben haben. Man hat Hinweise darauf, dass Wasser dort mal im flüssigen Aggregatzustand vorhanden war. Heute findet man Wassereis, das punktuell unter bestimmten Bedingungen und je nach Jahreszeit, tröpfchenweise auftaut und an den steilen Marshängen herabrinnt. Es soll aus wasserhaltigen Salzen stammen, Perchloraten, die in ihrem Inneren Wassermoleküle binden können. Wo aber genau das Wasser herkommt, ist nicht geklärt.
Für den Mars wird man genauere Kenntnisse über das Vorkommen von Wasser gewinnen, denn es gibt viele Missionen zu unserem Nachbarplaneten, z. B. der Marsrover Perseverance, der im Rahmen der Mission Mars 2020 gelandet ist und direkt und indirekt nach Leben sucht. So etwas ist für Planeten außerhalb unseres Sonnensystems nicht machbar. Die Entfernung zu diesen Planeten liegt im besten Fall bei einigen Lichtjahren und dieser Abstand gibt nur die Zeit an, die ein Signal zu oder von dem Exoplaneten braucht und liegt jenseits der Möglichkeiten, Boden- oder Luftproben zu nehmen.
Allerdings hat man Wasserdampf in den Atmosphären mehrerer Exoplaneten nachgewiesen, z. B. durch Messungen von GJ 9827 d mit dem Hubble-Teleskop. Aber das bedeutet nicht, dass es Ozeane oder Seen oder Tümpel auf der Oberfläche des Planeten gibt und schon gar nicht, dass sich dort Mikroorganismen tummeln. Auch wenn Leben, wie wir es kennen, nicht ohne Wasser existieren kann, ist Wasser kein guter Biomarker.
Phosphin PH3
In Pinguin-Kolonien findet man Phosphin in signifikanter Menge in dem Kot der Tiere (Guano). Quelle: M. Murphy via Wikimedia Commons
Ein Molekül mit dem Namen Phosphin stand 2020 im Fokus der wissenschaftlichen und interessierten Öffentlichkeit. Eine britische Forschergruppe veröffentlichte die Messung von Phosphin in der oberen Wolkenschicht unseres Nachbarplaneten Venus. Phosphin ist ein Molekül, das durch organische Verwitterungsprozesse entsteht, also ein Biomarker, weil man bisher andere, abiotische Erzeugung – das heißt Entstehung ohne Beteiligung von Lebewesen – ausschließen kann. Die Medien machten daraus ganz schnell eine Sensationsmeldung, dass man Leben auf der Venus gefunden hätte. Aber es gab Gegenwind: eine neue Auswertung der Messdaten und neue Messungen mit anderen Teleskopen zeigten deutlich weniger bis gar kein Phosphin.
Phosphin enthält neben Wasserstoff aus Phosphor, das Element, das in allen wichtigen Lebensbausteinen verarbeitet ist, z. B. in der DNS, der Desoxyribonukleinsäure, der Trägerin der Erbinformation. Auch deshalb gilt Phosphin als einer der vielversprechendsten Biomarker.
Methan CH4
Aus Reisfeldern treten große Mengen des Treibhausgases Methan aus. Quelle: Nt via Wikimedia Commons
Methan ist das einfachste organische Molekül und ein sehr effektives und langlebiges Treibhausgas. Während das bekanntere Treibhausgas Kohlendioxid mit einem Volumenanteil von etwa 0,04 % oder 400ppm vorkommt, ist der Wert für Methan 200mal kleiner.
Auf der Erde ist etwa 95% des Methans biologischen Ursprungs. Es kann entweder anaerob (ohne molekularen Sauerstoff) durch Mikroorganismen oder aerob (mit molekularem Sauerstoff) durch Phytoplankton, Pflanzen oder Pilze entstehen. Durch Reisanbau und die Verdauungsorgane von Rindern und Schafen gelangt weiteres Methan in die Atmosphäre. Diese menschlichen Aktivitäten – Landwirtschaft und Viehzucht – machen rund 70% der Methaneintrags aus. Aber auch ohne Menschen würde es durch die Mikroorganismen Methan auf der Erde geben.
Wie sieht es auf anderen Himmelskörpern aus? 2003 hat man Methan auch in der Mars-Atmosphäre gefunden. Durch welche Prozesse es dort entsteht ist unklar.
Um Methan in der Atmosphäre eines Exoplaneten nachzuweisen, gibt es nur die Möglichkeit das Licht zu untersuchen, das man von dem Stern empfängt, wenn der Planet vor ihm vorbeizieht. Durch diese Transitmessungen bei verschiedenen Wellenlängen kann man auf die Existenz von bestimmten Molekülen in der Planetenatmosphäre schließen. Vom Boden aus ist das kaum möglich, aber das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) hat Instrumente, die solche Messungen möglich machen.
Spektrum der Atmosphäre des Planeten K2-18 b, gemessen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop. Markiert sind die Moleküle, die man den Messwerten bei verschiedenen Wellenlängen zuordnen kann. Ausschnitt aus einem Bild von NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), Joseph Olmsted (STScI).
Mit den Spektrometern in nahen infraroten Wellenlängenbereich des JWST hat man 2023 bei dem Exoplaneten K2-18 b Methan, Kohlendioxid und möglicherweise Dimethylsulfid – siehe nächster Abschnitt – gefunden. Er liegt in der lebensfreundlichen, habitablen Zone seines Sterns und ist 8,6mal schwerer als die Erde mit einem 2,5fachen Erdradius. Das ist die Kategorie der Super-Erden, die wir von unserem Sonnensystem nicht kennen, aber unter Exoplaneten häufig vorkommen.
Aber habitable Zone bedeutet nicht notwendigerweise, dass es Leben gibt und Spektrallinien von bestimmten Molekülen, die in biologischen Prozessen vorkommen, sagt noch nicht, wie die genauen Bedingungen auf dem Planeten sind. Bei K2-18b handelt es sich möglicherweise um einen Planeten, der von einem Ozean bedeckt ist und eine ausgedehnte Wasserstoff-reiche Atmosphäre hat. Eine andere Forschergruppe sieht die Daten am besten durch einen Mini-Neptun aus Gas erklärt, der keine feste Oberfläche hat.
Dimethylsulfid CH3-S-CH3
In den JWST-Messungen der Planetenatmosphäre von K2-18b hatte man neben Kohlendioxid und Methan vielleicht auch Linien entdeckt, die auf das Molekül Dimethylsulfid hinweisen. Auf der Erde wird es nur durch biologische Prozesse hergestellt, größtenteils durch den Stoffwechsel von Phytoplankton in den Weltmeeren. Der Nachweis dieses Moleküls auf K2-18b muss noch durch weitere Messungen mit JWST bestätigt werden.
Die simultane Messungen von Molekülen wie hier bei K2-18b Kohlendioxid, Methan und möglicherweise Dimethylsulfid erweitern unser Wissen um den Aufbau von Exoplaneten-atmosphären, denn sie müssen sich widerspruchsfrei in die Modelle einfügen lassen, die die physikalischen, chemischen und biologischen Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Oberfläche erklären sollen.