II. Cryptic Photosynthese

CRYPTIC
PHOTOSYNTHESIS
extrasolar planetary oxygen
without a surface biological
signature
Taudt Lukas
18.11.2009
Inhalt
I. Photosynthese
1.Bedeutung und Allgemeines
2. Oxygene und Anoxygene Photosynthese
3. C3 –, C4 – und CAM – Pflanzen
II. Cryptic Photosynthesis
1. Introduction
2. Cryptic Photosynthesis on Earth
3. Oxygen Biosignatures
4. Radiative Models of Cryptic Photosynthesis
III. Conclusions
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines

Direkter Einfluss auf UNS

Fossile Rohstoffe sind Folgeprodukte

Ozon

Beschattung und Verdunstung

1 m² Blattfläche: 0,5 g Stärke/h + 0,25 g CO²/h

1 ha Laubwald bindet 3 t C/yr

pro Jahr

600 Mrd. t CO2 + 250 Mrd. t H2O →
400 Mrd. t Zucker + 450 Mrd. t O2
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines


Grundlage aller biochemischen Kreisläufe (direkt
oder indirekt)
Primärproduktion

anorganisch → organisch

marine und terrestrische Pflanzen

CO2 – Fixierung → O2 – Freisetzung

Möglichkeit aerober Lebewesen
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines
1. Absorption von Energie (Licht)

Chlorophylle → Pflanzen, Algen, Cyanobakterien
Chlorophyll
a,b,c,d
Bacteriochlorophyll
a,b,c,d,e,g
[Wikipedia]
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines

Phycobiline → Rotalgen, Cyanobakterien

Carotinoide →
Schutzfunktion
für Chlorophyll
[Wikipedia]
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines
2. Phototrophie
Umwandlung von elektromagnetischer in chemische
Energie → energiereiche e- werden übertragen
→ Lichtsammelkomplexe
→ Reaktionszentren
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines
3. Synthese von organischen Verbindungen


hauptsächlich über reduzierten CO2
Reduktans mit Abgabe von H
H2O, H2, H2S, ...
Verwendung für



Baustoffwechsel
Wachstum
Energiestoffwechsel
I. Photosynthese – Bedeutung und Allgemeines
Allgemeine Photosynthesegleichung
Vereinfachung
→ CO2 Ausgangsstoff
(H, Fe2+ - also e-, Lactat, H2O oder H2S als Reduktans)
→ <CH2O> energiereiche org. Verbindung
mit H2O und Licht
CO2 + 2 H2O → <CH2O> + O2 + H2O
+2870 kJ/mol
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene

Oxygene Photosynthese – O2 Freisetzung

Lichtreaktion – Primärreaktion

e- des Chlorophylls werden auf höheres E – Niveau
gehoben → E für nächsten Schritte

Photolyse von Wasser


Zerlegung H2O → 4 H+ + O2 + 4 eH+ und e- werden auf NADP+ übertragen
(Nicotinamid-adenosin-dinukleotid-phosphat)
Protonengradient treibt ATP-Synthese an
(Adenosidiphosphat – Adenosintriphosphat)
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene
Stroma → plasmatische Grundsubstanz
Lumen → Innenraum
Thylakoide → Membransysteme
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene
Lichtreaktion – Gleichung
2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 P
→ (mit Lichtenergie)
2 NADPH + 2 H+ + 3 ATP + O2
ATP → Energie für alle Stoffwechselvorgänge
→ Tagesbedarf Mensch über 80 kg
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene

Mitochondrien

kommen in Zellen fast aller Eukaryoten vor

haben eigene DNA

„Energiekraftwerk“ → ATP – Synthese

hohe Dichte in Zellen mit hohem Energiebedarf
z.B.: Muskel–, Nerven–, Sinneszellen
Herzmuskel (36 % Volumsanteil)
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene

Dunkelreaktion – Sekundärreaktion – Calvin Zyklus

Kohlenstoffidoxid assimiliert zu Kohlenhydraten

ATP – Moleküle und Reduktionsequivalänte verbraucht

Enzym Ribulose-1,5-biphospat katalysiert CO2 –
fixierung und leitet Calvin – Zyklus ein

Stärke und Saccharose aufgebaut
3 CO2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP
→
3 H2O + 6 NADP+ + 9 ADP + 9 P
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene
Wolny B.
I. Photosynthese – Oxygene und Anoxygene

Anoxygene Photosynthese – Bakterien


Verwenden statt CO2 andere Stoffe
Schwefelbakterien
2 H2S + O2 → 2 H2O + 2 S+493 kJ/mol

Nitrifizierende Bakterien
org. gebundener N wird verfügbar
NH3 + 1,5 O2  NO3- + H+ + H2O

Eisenbaktieren → oxidieren Fe2+ zu Fe3+
Methanbakterien
CH4 → CO2 + H2O (z.B.: Pansen)

I. Photosynthese – C3 –, C4 – und CAM – Pflanzen

C3 – Pflanzen



CO2 an Ribulose-1,5-biphosphat gebunden
Lichtsättigungspunkt für Photosyntheserate
Schließung der Spaltöffnungen bei heißem Wetter
Optimum bei 15 – 25°C
C4 – Pflanzen






CO2 an PEP (Phosphorenolpyrovat) – Carboxylase
gebunden → höhere CO2 Affinität
kein Lichtsättigungspunkt, weniger oft
Spaltöffnungen aufgemacht → weniger H2O – Verlust
Optimum bei ~40°C
frostempfindlich
I. Photosynthese – C3 –, C4 – und CAM – Pflanzen

CAM – Pflanzen



CO2 – Aufnahme und Fixierung zeitlich getrennt
in der Nacht Aufnahme, am Tag Fixierung
kein bis wenig Transpirationsverlust
I. Photosynthese

Gesamtproduktion Trockenmasse [Wikipedia]
→ terrestrische Pflanzen: 120 Mrd. Tonnen/yr
→ marine Primärproduzenten: 55 Mrd. Tonnen/yr


0,2% der globalen Biomasse
700x effektivere Photosynthese
Werte stimmen mit Paper gut überein.
II. Cryptic Photosynthese – Introduction
Was ist „cryptic“ Photosynthese und wo tritt sie auf?

Nachweis von möglichen Photosyntheseprodukten in
Atmosphäre → keine Detektierbarkeit an der
Oberfläche → somit kein Leben
RICHTIGE SCHLUSSFOLGERUNG????

extreme Bedingungen (Wüste, Pole)
→ unter der Oberfläche, an Unterseite von Eis/Gestein
→ einige Meter unter der Oberfläche in Wasser

„red edge“ → 680 – 730nm Reflektivität bis 50% erhöht
II. Cryptic Photosynthese – Introduction
Wie findet man Signaturen, die auf Leben hinweisen?
1. Atmosphärische Spektren

Haupt– und Spurenelemente (O2, O3, CH4, N2O)
2. Oberflächenspektrum

Absorptionsspuren in Spektrum nicht mineralische
Elemente
Potenzielle Probleme sind:
 Wolkenbedeckung
 je nach Sterntyp andere Signaturenspektren
 globale Klimaveränderungen → Refernenzspektrum
II. Cryptic Photosynthese – Cryptic Photosynthesis on Earth
Overview
cryptic
photosynthetic
example
oxygen production
Chasmoendoliths
Antarctic granites
similar to
cryptoendoliths
Cryptoendoliths
Dry Valley Antarctic
quartzitic sandstones
0,0004 – 44 g O2/m²/year
Hypoliths
Polar desert
2,9 – 378 g O2/m²/year
Evaporitis communities
Inhabiting halite mounds
(salzig)
0,00025 g O2/m²/year
Paper: Cryptic Photosynthesis
II. Cryptic Photosynthese – Cryptic Photosynthesis on Earth
A) Hypoliths
B) Cryptoendoliths
C) Chasmoendoliths
D) Endoevaporites
II. Cryptic Photosynthese – Oxygen Biosignatures

Nachweismethoden für die Erde schlecht quantifiziert

normale Photosynthese effektiver als „cryptic“


große Produktionsbandbreite an O2 (0,0004 – 10.000
g/m²/year)
ANNAHME:
→ Eisplanet und gesamte Oberfläche „bewachsen“
→ Antarctic cryptoendoliths → 2,2 g O2/m²/year
→ 1,1 * 1012 kg/year
→ Atmosphäre Erde → 1,5 * 1018 kg
→ 1,3 Millionen Jahre → MÖGLICH
II. Cryptic Photosynthese – Radiative Models of Cryptic
Photosynthesis
Wie würde ein entsprechendes Spektrum aussehen?

Vereinfachungen


sphärischer Planet
 konst. Höhe der Atmosphäre (100 km)
 punktförmige Quellen der Reflexionen
cryptic world's reflection spectra → signifikante
Moleküle der Erdatmosphäre


H2O, O3, O2, CH4, CO2, N2, N2O, HNO3
4 Reflexionsschichten


Oberfläche, Wolkenhöhe (1, 6 und 12 km)
4 parallele Strahlen für das Spektrum
II. Cryptic Photosynthese – Radiative Models of Cryptic
Photosynthesis

weitere erdbezogene Annahmen



60% Wolkenbedeckung
 40% bei 1 km
 40% bei 6 km
 20% bei 12 km
Oberflächenbeschaffenheit
 70% Wasser
 2% Küste
 38% Land
 60% mit Vegetation bedeckt
moderate Temperatur und kein „runaway“
greenhouse effect
II. Cryptic Photosynthese – Radiative Models of Cryptic
Photosynthesis



hohe Albedo mit Wolken
sauerstoffreiche Atmosphäre mit Methan und H2O/CO2 →
biologische Aktivität
H2O


O2


0.76 µm; 0.69 zu < R
O3


0.73; 0.82; 0.95; 1.14 µm
0.45 – 0.74 µm
CO2

vernachlässigbar
II. Cryptic Photosynthese
ZUSAMMENFASSUNG

genug O2 kann produziert werden, wenn

keine Vegetation an der Oberfläche beobachtet wird

extreme Lebensbedingungen herrschen

Wasserplanet (nur Ozean)

„red edge“ kann nicht beobachtet werden

mineralische– und Wasser–Reflexion

Bildung eines UV-Schildes zwangsläufig „cryptic“
ENDE
References


Charles S. Cockell, Lisa Kaltenegger, and John A. Raven (2009)
Cryptic Photosynthesis – Extrasolar Planetary Oxygen Without a
Surface Biological Signature
www.wikipedia.at