Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary and Multiple

Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary
and Multiple-Star Systems
May 23rd, 2012
Wolfgang Sakuler
Einleitung
Exotische Photosynthese in Binär- und Mehrfach-Sternsystemen:
Quelle: http://www.astropublishing.com/article/article_0018_webzine_l'astrofilo.pdf
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Einleitung
Ziel:
– Untersuchung, ob Planeten in Binär- und Mehrfach-Sternsystemen exotische Lebensformen
beherbergen können, welche auf Photosynthese basieren
Quelle:http://www-star.st-and.ac.uk/~jto5/nam.php
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Einleitung
Kombinationen von M (Rote Zwerge) und G (sonnen-ähnlich) Sternen in Binär- und DreifachSternsystemen wurden untersucht
Peak-Photonen-Fluss der beteiligten Sterne für die jeweiligen Szenarien wurden modeliert und
simuliert
Bewertung der jeweiligen Szenarien, ob Photonen-Fluss ausreichend ist, um Photosynthese zu
ermöglichen
Quelle: http://www.astropublishing.com/article/article_0018_webzine_l'astrofilo.pdf
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Einleitung
Haupt-Publikation:
– O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Life and Light: Exotic
Photosynthesis in Binary and Multiple Star Systems, Astrobiology 12(2): 115-124
– Jack O’Malley-James:
– Astronomical Dept. of University of St. Andrews
– PhD: “Biosignatures of diverse microbial life
on extrasolar planets“
– ursprünglich Physiker,
bezeichnet sich selbst als ‘Pseudo-Biologe’
Quelle: http://www-star.st-and.ac.uk/~jto5/
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Photosynthese
–
Altgr.: ϕωζ Phos „Licht“ + συνθεσιζ synthesis „Zusammensetzung“
–
Erzeugung von energiereichen Stoffen aus energieärmeren Stoffen mit Hilfe von
Lichtenergie
–
Von Pflanzen, Algen und einigen Bakteriengruppen betrieben
–
Biochemischer Vorgang:
–
zunächst Umwandlung von Lichtenergie in chem. Energie mit Hilfe von
lichtabsorbierenden Farbstoffen, meistens Chlorophyllen
–
Chem. Energie wird zur Fixierung von CO2 verwendet: aus energiearmen,
anorganischen Stoffen, hauptsächlich CO2 und H2O werden energiereiche
organische Verbindungen – Kohlenhydrate - synthetisiert
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Photosynthese
–
–
Unterscheidung oxygener und anoxygener Photosynthese:
–
Bei oxygener Photosynthese wird O2 freigesetzt bei anoxygener nicht
–
Bei anoxygener Photosynthese kann z.B. elementarer S freigesetzt werden
Oxygene Photosynthese ist einer der bedeutendsten und ältesten biogeochem. Prozesse
auf Erde (ca. 2.2-2.4 Mrd Jahre alt)
(ältester Prozess ist anoxygene Photosynthese, ca. 3.5-3.8 Mrd Jahre alt)
–
Bildung organ. Stoffe mittels Sonnenenergie
–
Treibt nahezu alle bestehende Ökosysteme an
–
Liefert anderen Lebewesen energiereiche Baustoff- und Energiequellen
–
Zusätzlich wird Sauerstoff erzeugt, der für viele Lebewesen lebensnotwendig ist
–
Aus Sauerstoff wird zudem Ozonschicht aufgebaut
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Photosynthese
–
Untergliederung in drei Hauptschritte:
1.
Absorption von elektromagn. Energie in Form von Licht geeigneter Wellenlänge
unter Verwendung von Farbstoffen (Chlorophylle, Phycobiline, Carotinoide)
2.
Umwandlung der elektromagn. Energie in chem. Energie durch Übertragung von
Elektronen, welche von Lichtenergie (Photonen) in einen energiereichen
(angeregten) Zustand versetzt wurden (Redoxreaktion)
3.
Synthese energiereicher organ. Verbindungen unter Verwendung chem. Energie,
welche Lebewesen Baustoffe für Wachstum und Energie für Stoffwechsel liefern
–
Reduktion von CO2: Reduktionsmittel (Elektronendonor): H2O, H2, H2S, Fe2+, od.
einfache organ. Stoffe (Säuren, Alkohole, z.B. Acetat, Ethanol)
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Photosynthese
–
Allgemeine Photosynthesegleichung:
CO2 + 4 e- + 4 <H> + Photonen → <CH2O> + H2O
CO2 + 2 H2O + Photonen → <CH2O> + O2 + H2O
… oxygen
CO2 + 2 H2S + Photonen → <CH2O> + 2 S + H2O
… anoxygen
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Photosynthese
Oxygene Photosynthese:
–
Alle eukaryotischen phototrophen Lebewesen (Grüne Pflanzen, Algen) und
Cyanobakterien nutzen Energie von Licht, um Energie in Form von Adenosintriphosphat
(ATP) zu speichern und als Reduktionsmittel Elektronen e- aus H2O zu gewinnen
–
Bei Oxidation von H2O werden O2 und H+ Ionen freigesetzt (Photolyse von H2O)
–
Gewonnene e- werden auf NADP+-Moleküle übertragen, welche im Stoffwechsel für
Aufbau von Kohlenhydraten notwendig sind („Dunkelreaktion“)
–
„Lichtreaktion“:
–
„Dunkelreaktion“: 6 CO2 + 24 (H)
12 H2O + Photonen → 24 (H) + 6 O2
=> 6 CO2 + 6 H2O
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→ C6H12O6 + 6 H2O
→ C6H12O6 + 6 O2 ∆H = +2870 kJ/mol
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Photosynthese
Oxygene Photosynthese:
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese
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Photosynthese
Signaturen
–
Vielversprechende Biosignatur für AuWerirdisches Leben basierend auf oxygener
Photosynthese ist Sauerstoff
–
Spektroskopischer Nachweis von Sauerstoff in Atmosphäre eines terrestrischen Planeten
wird als Indikator für Leben vorgeschlagen
–
Sauerstoff könnte auch indirekt nachgewiesen werden über 9.6 µm Ozon-Linie.
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Exoplaneten
über 700 Exoplaneten entdeckt
Exoplaneten mit m <= 10 M⊕ bestätigt
Schätzung: 18% der Sterne besitzen Planet mit m < 10 M⊕
Schätzung: 1.4-2.7% der sonnen-ähnlichen Sterne könnten erd-ähnlichen Planet besitzen
Spektren von erd-ähnlichen Planeten könnten analysiert werden und Vorkommen von flüssigem
H2O könnte detektiert werden
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Exoplaneten
Voraussetzung für oxygene Photosynthese auf Exoplaneten
–
Geeignete Atmosphäre
–
Ausreichend Licht in geeigneter Wellenlänge
–
Leben auf Erde nutzt Wellenlängen von etwas unter 400 nm – über 700 nm
Quelle: http://www.astropublishing.com/article/article_0018_webzine_l'astrofilo.pdf
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Exoplaneten
oxygene Photosynthese auf Exoplaneten
–
Für Photosynthese verfügbare Anzahl und Art der Photonen hängt von EmissionsEigenschaften der Sonne und Verlusten in der Atmosphäre (Wasser) ab
–
wenn Emissions-Maximum von Stern bei anderer Wellenlänge liegt als bei unserer
Sonne, dann werden aller Wahrscheinlichkeit nach Wellenlänge und Anzahl der
Photonen, bei denen Photosynthese stattfindet, unterschiedlich zu Situation auf unserer
Erde sein
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme
–
Existenz von habitablen Planeten in Binär-Sternsystemen wurde bereits untersucht
–
Möglichkeit von Leben basierend auf Photosynthese in Einfach-Sternsystemen wurde
bereits analysiert (Franck et al., 2001; Wolstencraft, Raven, 2002, Raven and Cockell,
2006; Cockell et al., 2009)
–
Einfluss eines zweiten bzw. dritten Sterns auf potentielle oxygene Phostosynthese ist
neuer Aspekt der Analyse von O‘Mallay-James et.al.
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme:
G (1 Msol ) und M (< 0.5 Msol) Sterne
Quelle: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Astrobiology 12(2): 115-124
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Hertzsprung%E2%80%93Russell_diagram
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme
–
z.B. Kepler 16b (saturn-artig)
–
Binär-Sternsystem, K + M, a ~ 0.22 AU
–
m ~ 0.3 MJ, r ~ 0.7 RJ, ap ~ 0.7 AU
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Kepler-16b
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme
–
Planeten mit m < M⊕
–
–
55 Cnc e:
–
Binär-Sternsystem, G + M, a ~ 1000 AU
–
m ~ 8.6 M⊕, r ~ 2 R⊕, ap ~ 0.016 AU
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/55_Cancri_e
GJ 667C b:
–
3-Sternsystem, M + (2 K), a ~ 56-213 AU
–
m ~ 5.7 M⊕, ap ~ 0.05 AU
Quelle: © Guillem Anglada-Escudé/Celestia-Software
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme
–
Survey (Duquennnoy und Mayor, 1991):
–
57% von G Sternen sind Mehrfach-Sternsysteme
–
25-30% von M Sternen sind Mehrfach-Sternsysteme
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme
–
3 Szenarien für Kombinationen von G (1 Msol ) und M (< 0.5 Msol) Sternsystemen :
–
„Close-Binary“-Sternsysteme: P-Typ Planetenbahn, Stern-Abstand < 0.5 AU
–
„Wide-Binary“-Sternsysteme: S-Typ Planetenbahn, Stern-Abstand > 3 AU
–
Mehrfach-Sternsysteme: 2 nah-benachbarte Sterne + 1 weiter entfernter Stern
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Exoplaneten
Exoplaneten um Binär- bzw. Mehrfach-Sternsysteme
–
3 Szenarien für Kombinationen von G (1 Msol) und M (< 0.5 Msol) Sternsystemen :
Quelle: Cockell, C.S., Raven J.A., Kaltenegger L. and Logan R. C. (2009) Planetary targets in the search for extrasolar oxygenic photosynthesis, Plant Ecology and Diversity 2: 207-21
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Habitable Zone
Abstandsbereich, in dem sich Planet von seinem Zentralgestirn befinden muss, damit Wasser in
flüssiger Form als Voraussetzung für erdähnliches Leben auf Oberfläche vorliegen kann
Quelle: http://www.eso.org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1214/eso1214a.pdf
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Habitable Zone
Kontinuierliche Habitable Zone (“Continously Habitable Zone” CHZ)
–
jener Bereich um Stern(e), der einen genügend langen Zeitraum habitabel ist, sodass
sich Leben entwickeln kann
–
Berechnung der CHZ nach Methode von Kolena (2007)
–
Annahme für Berechnung: Leuchtkraft von G Sternen bei 0.7 Lsol (vor 4.5 Mrd a)
und 1 Lsol, Leuchtkraft von M Sternen nahezu konstant
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Habitable_zone
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Methodik
Grenz-Distanzen für stabile Planeten-Bahnen
–
P-Typ: Minimale Distanz
ap … Abstand Stern-Planet, a … Abstand Stern-Stern, µ … Massen-Verhältnis
–
S-Typ: Maximale Distanz
–
Bei Berechnungen wurde ap fixiert um sicherzustellen, dass Planet in CHZ fällt =>
Abstand zwischen Sternen a ergibt sich gemäW obiger Gleichungen
–
Kleine Exzentrizitäten erhöhen Wahrscheinlichkeit, dass Planet für geologischen
Zeitraum habitabel bleibt
–
Planeten mit e ~ 0.9 könnten noch habitabel sein, jedoch Bedingungen für
Umwelt/Umgebung ändern sich stärker => weniger attraktiv für Untersuchungen
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Methodik
Exzentrizitäten ε für bekannte Exoplaneten in Einfach- und Mehrfach-Sternsystemen
a, b
… groWe/kleine Halbachse d. Ellipse
ε=0
0<ε<1
: exakte Kreis-Bahn
: Ellipsen-Bahn
Quelle: The Extrasolar Planets Encyclopaedia (Schneider, 2010)
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Methodik
Photon Flussdichte (“Photon Flux Density” PFD)
–
Wellenlängenbereich, der für Photosynthese genutzt wird, liegt etwas über Wellenlänge
der maximalen Flussdichte aus der Sonne
–
=> maximale Flussdichte von Stern gibt Aufschluss über Wellenlängenbereich, der für
Photosynthese relevant ist
–
PFD in µmol Photonenanzahl m-2 s-1
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Resultate
Quelle: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Astrobiology 12(2): 115-124
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Resultate
Photon Flussdichten
Quelle: O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), Astrobiology 12(2): 115-124
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Diskussion der Resultate
Licht, das für Photosynthese genutzt werden kann, hängt vom jeweiligen Sternsystem ab
Bei M-G [s] System (naher M Stern, ferner G Stern) dominiert IR Strahlung
Bei M-x Sternsystemen sollte es einen Schutzmechanismus gegen UV Flares geben
Flares sind in Binär-Systemen aufgrund Wechselwirkung zwischen Sternen stärker ausgeprägt
Photosynthetische Organismen auf Erde haben Abschirmungs-Mechanismen oder sind geschützt
unter Felsen/Unterwasser
Es ist jedoch auch möglich, dass auf ELPs (“earth-like planets”) UV Strahlung für Photosynthese
verwendet wird
Sonnenflecken, welche auf anderen Sternen stärker ausgeprägt sein können als auf unserer
Sonne, könnten auch Lebensbedingungen auf ELPs beeinflussen -> Organismen würden auf
niedere Temperaturen während Sonnenfleckenaktivität angepasst sein
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Diskussion der Resultate
Spektralbereich der photosynthetischen Pigmente können auf ELP unterschiedlich sein
(Wolstencroft, Raven, 2002; Kiang et al., 2007, 2008)
Vegetation, die sich an M Stern Umgebung angepasst hat, würde in anderer Farbe als auf Erde
erscheinen -> gröWerer Bereich von Wellenlängen genutzt => Pflanzen erscheinen dünkler
Quelle: Royal Astronomical Society
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Diskussion der Resultate
M-G [p] System:
– Habitabler Planet ca. 1 AU vom Sternzentrum
– PFD vom M Stern viel geringer als vom G Stern
– G Stern Strahlung dominiert
– Bei Photosynthese unter Ausnutzung von
G Stern Strahlung sind 2 Photoreaktionen involviert,
bei M Stern Strahlung mehr als 2 Reaktionen
=> G Stern Photosynthese bevorzugt
Quelle: Cockell, C.S., Raven J.A., Kaltenegger L. and Logan R. C. (2009), Plant Ecology and Diversity 2: 207-21
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Diskussion der Resultate
S-Typ Orbits:
Quelle: Cockell, C.S., Raven J.A., Kaltenegger L. and Logan R. C. (2009), Plant Ecology and Diversity 2: 207-21
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Diskussion der Resultate
G-M [s] System:
– G Stern Strahlung dominiert
– Photonen-Fluss vom weiter entfernten M Stern nicht relevant für Photosynthese
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Diskussion der Resultate
M-G [s] System:
– interessanter Fall
– Strahlung vom nahen M Stern für Photosynthese verwendet
– Vegetation könnte mehr photosynthetische Pigmente aufweisen
-> Nutzung gröWerer Wellenlängenbereiche
(auch IR) => dunkle Pflanzen
Quelle: http://www.astropublishing.com/article/article_0018_webzine_l'astrofilo.pdf
Quelle:http://www-star.st-and.ac.uk/~jto5/nam.php
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Diskussion der Resultate
M-G [s] System:
– interessanter Fall
– einerseits wird Strahlung vom nahen M Stern für Photosynthese verwendet
– andererseits könnte auch Strahlung vom weiter entfernten G Stern verwendet werden
– es gibt Konstellationen, wo Planet nur vom fernen G Stern beleuchtet wird
– einige Organismen könnten sich auf G Stern Strahlung spezialisiert haben
– Spezialisierung könnte derart sein, dass bei Konstellation, wo Planet nicht vom fernen G
Stern beleuchtet wird, die G spezialisierten Organismen in Dunkelheit überleben, wie
bestimmte Cyanobakterien (Phormidium Autumnale) auf Erde
– Vorhandensein des fernen G Sterns verlagert CHZ weiter weg vom nahen M Sterns
(Distanz Stern-Planet ap~ 1 AU, bei Stern-Stern Distanz a ~ 1.5 AU)
=> UV Flares weniger bedrohend
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Diskussion der Resultate
M-G [s] System:
– spezialisierte Organismen erfolgreicher als Generalisten
– unterschiedliche Organismen könnten im selben Habitat koexistieren
– Spezialisten für M Stern Strahlung gemeinsam mit Spezialisten für G Stern Strahlung
– Aufnahme von unterschiedlicher Strahlung zu unterschiedlichen Zeiten auf Planetenbahn
– Einzelner Organismen, der beide Strahlungen aufnehmen kann, eher unwahrscheinlich,
da Wechsel zwischen Strahlungen energetisch zu kostenintensiv sein könnte
Dreifach Stern-Systeme:
– Dritter Stern ändert Bedingungen für Photosynthese nicht wesentlich im Vergleich zu BinärSystemen
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Zusammenfassung
Unterschiedliche Mehrfach-Sternsysteme mit habitablen ELPs (“Earth-like Planets”)
bieten spezifische Umwelt-Umgebungen für Leben basierend auf oxygener
Photosynthese
Pflanzen auf Planeten um M Sterne könnten gröWere Bereiche des
Wellenlängenspektrums (auch IR) absorbieren => könnten dunkel für unsere Augen
erscheinen
Auf M-G [s] Systemen könnten unterschiedliche Organismen koexistieren, die auf die
Strahlung eines der beiden Sterne spezialisiert sind
Resultate der Modellierung/Simulationen zeigen, dass Binär- bzw. MehrfachSternsysteme vielversprechende Kandidaten bei der Suche nach extrasolarer
oxygener Photosynthese sein könnten
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Literatur
O'Malley-James J.T., Raven J.A., Cockell C.S., Greaves J.S. (2012), “Life and Light: Exotic Photosynthesis in Binary and Multiple Star
Systems“, Astrobiology 12(2), p.115-124.
Cockell, C.S., Raven, J.A., Kaltenegger, L., Logan, R.C. (2006), “Planetary targets in the search for extrasolar oxygenetic photosynthesis“,
Plant Ecol Divers 2, p.207-219.
Cockell, C.S. (1999), “Carbon biochemistry and the ultraviolet radiation environments of F, G and K main sequence stars“, Icarus 141,
p.399-407.
Duquennoy, A., Mayor, M. (1991), “Multiplicity among solar-type stars in the solar neighbourhood II: distribution of orbital elements in an
unbiased sample“, Astron Astrophys 248, p.485-524.
Franck, S., von, Bloh, B., Bounama, C., Steffen, M., Schönberner, D., Schellnhuber, H.J. (2001), “Limits of photosynthesis in extrasolar
planetary systems for Earth-like planets“, Adv Space Res 28, p.695-700.
Kiang, N. (2008), “The color of plants on other worlds“, Sci Am 298, p.48-55.
Kiang, N., Siefert, J., Govindjee, Blankenship, R.E. (2007), “Spectral signatures of photosynthesis I: review of Earth organisms“,
Astrobiology 7, p.222-251.
Kiang N., Segura, A., Tinetti, G., Govindjee, Blankenship, R.E., Cohen, M., Siefert, J., Crisp, D., Meadows, V.S. (2007), “Spectral signatures
of photosynthesis II: coevolution with other stars and the atmosphere on extrasolar worlds“, Astrobiology 7, p.252-274.
Kolena, J. (2007), “Detecting Invisible Objects: A Guide to the Discovery of Extrasolar Planets and Black Holes“, Duke University Durham,
NC. Available online at http://www.phy.duke.edu/~kolena/invisible.html.
Raven, J.A., Cockell, C.S. (2006), “Influence on photosynthesis of starlight, moonlight, planetlight and light pollution (reflections on
photosynthetically active radiation in the Universe)“, Astrobiology 6, p.668-675.
Wolstencroft, R.D., Raven, J.A. (2002), “Photosynthesis: likelihood of occurrence and possibility of detection on Earth-like planets“, Icarus
157, p.535-548.
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