Is the Presence of Oxygen on an Exoplanet a reliable Biosignature? - Astrobiology, Volume 11, Number 4, 2011 A. Léger, M.Fontecave, A. Labeyrie ...

Is the Presence of Oxygen on an
Exoplanet a reliable Biosignature?
   Astrobiology, Volume 11, Number 4, 2011
     A. Léger, M.Fontecave, A. Labeyrie,
    B.Samuel, O. Demangeon, D. Valencia

Einführung
 Abiotische Photogeneration von O2 auf der
  Oberfläche eines Planeten innerhalb der
  habitablen Zone (HZ)
 Erfordert effiziente Photokatalysatoren,
  welche unter natürlichen Bedingungen auf
  einem solchen Planeten in großer Menge
  vorhanden sein sollen
 Darwinistisches Argument: Biologische
  Systeme haben einen Adaptationsvorteil

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Was ist eine Biosignature?
• Derzeit gibt es keine definitiven Biosignatures
• Beste, derzeitige Definition: „Eine
  beobachtbare Eigenschaft eines Planeten, wie
  zB. seine atmosphärische Zusammensetzung,
  die unsere derzeitigen Modelle nicht
  reproduzieren können, wenn die uns
  bekannten abiotischen physikalischen und
  chemischen Prozesse miteinbezogen werden.“

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O2 und O3 als Biosignatures:
ausreichende Produktion von O2:
• Anwesenheit von O2 als Biosignature zuerst
  von Tobias Owen in 1980 postuliert
• Detektion von primitivem Leben auf einem
  Exoplanet mittels remote sensing könnte den
  Ansatz einer Antwort auf die Frage „Are we
  alone in the universe?“ liefern
• → eine Biosignature ist ausreichend für das
  Auffinden von primitivem Leben, Suche nach
  intelligentem Leben erfordert Technomarkers
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• Hauptsächlicher Einwand gegen O2 als
  Biosignature ist die Möglichkeit einer
  abiotischen Produktion von O2 durch UV
  Photolyse von H20 (Rosenqvist und
  Chassefière, 1995).

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• Photolyse von H2O:
  Tritt nur auf, wenn H20 en masse vorhanden
  ist und in der Stratosphäre bleibt
Auf einem erd-ähnlichen Planeten:
  Wasserdampf (Verdampfen, Sublimation)
  kühlt bei Aufsteigen ab -> Regen, Schnee

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• Kasting et al (1997).:
  Greenhouse runaway zu erwarten, wenn
  Planet in der inneren Grenze der HZ liegt.
  Tropopause ist hier warm genug.
→ Innerhalb der HZ des
  Sterns: O2 Biosignature

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• Oberflächentemperatur geringer als 50°C
• Kein unteres Limit der
  Oberflächentemperatur: Snow ball planet:
  vulkanisches Gas durchdringt die
  Eisschicht, kleine Menge an O2 (produziert
  durch Photolyse von H2O), welche die
  Stratosphäre erreicht wird reduziert ->
  Sauerstoff aus einer solchen Atmosphäre
  wird entfernt

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Trotzdem: biologische Produktion von
Sauerstoff auf Planet mit sehr geringer
Durchschnittstemperatur ist
unwahrscheinlich, außer Planet hat große
saisonale Unterschiede durch große Schräge

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• Rosenqvist und Chassefière, 1995:
  Minimalmenge von O2, ab der biologische
  Aktivität ausgelöst werden würde, beträgt
  P (O2): 10 mbar (hierfür ist große
  Produktion nötig)

• Auf der Erde beträgt die abiotische
  Produktion von O2, zB durch Photolyse von
  H20, weniger als 1 ppm der
  photosynthetischen Produktion
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• Stopp der biologischen Photosynthese auf
  der Erde: Häufigkeit von O2 in der
  Atmosphäre würde innerhalb kurzer Zeit (2
  x 107 Jahren) verringert werden, verglichen
  mit dem Alter der Erde (4.6 x 109 Jahre)
→ Derzeitig ist die Anwesenheit von O2 ein
  Indiz für biologische Aktivität

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• Missionen, welche O2 im sichtbaren Teil des
  planetaren Spektrums detektieren, messen
  die Absorption des Lichts des Sterns in der
  Atmosphäre - sowohl in den A, als auch in
  den B Banden von O2.
• Unterscheiden nicht zwischen
  stratosphärischem und troposphärischem
  O2
• In der Praxis werden die Beobachtungen
  von troposphärischem O2 dominiert

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O3 als Marker von O2
• O3 ist aktiv im IR²
• Logarithmischer tracer (Léger et al., 1993;
  Des Marais et al., 2002) -> geringe Mengen
  von O2 könnten detektiert werden,
  allerdings wird durch diese logarithmische
  Abhängigkeit von O2 eine genaue
  Schätzung der Menge schwierig
→ ideal: Zugang zu IR (O3) und sichtbarem
  (O2) Spektrum

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O2 und H20 Produktion durch
abiotisches H20 Photosplitting
• Größte Energiequelle auf OF eines Planeten
  innerhalb der HZ = Strahlung des Sterns
• Gemeinsam mit Katalysator: große Mengen
  an O2 möglich
           H2O -> H2 + ½ O2
• Reaktionsenthalpie:
  Wasserdampf: ∆H1 = -2.52 eV;
  flüssiges Wasser: ∆H2 = -2.98 eV
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• Diese Werte korrespondieren mit Photonen
  der Wellenlängen λ < 490 nm (Dampf) und
  λ < 420 nm (flüssig)
• „ ½ O2“ ist Indiz für O* mit höherer
  Enthalpie (erreicht entweder durch
  Addition der Energien von mehreren
  Photonen – biologische Photsynthese; oder
  durch signifikantes Erniedrigen durch die
  Aktivität passender Katalysatoren –
  „artificial photosynthesis“)

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• -> Fig.1: auf der OF eines Planeten der einen
  solar-type Stern (F, G, oder K Typen)
  umkreist: abiotische Wasserspaltung durch
  Absorption eines einzigen Photons
• Hierfür wäre Katalysator nötig, um fast die
  gesamte Energie eines Photons in
  chemische Energie umzuwandeln
• Zum Vergleich: in der höheren Stratosphäre
  wird direkte Photolyse von Wasser von
  energiereicheren Photonen ( hv > 6.9 eV, λ
  < 180 nm) durchgeführt

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• Biologische Photosynthese auf der Erde:
  benutzt komplexe Proteinmaschinerie, zB
  in Chloroplasten. Diese sammeln das
  Sonnenlicht, speichern die Energie von –
  üblicherweise – 8 Photonen und wandeln
  einen Teil dieser Energie in chemische
  Energie um. Wichtiger Schritt hier:
  Spaltung von zwei Wassermolekülen in O2,
  Elektronen und Protonen (McEvoy and
  Brudvig, 2006).

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• Daher ist Photosynthese auch bei weniger
  energiereichen Photonen effizient
  (Chlorophyll: Absorptionsmaximum bei
  650 nm)
• Eine solche Maschinerie ist das Ergebnis
  einer langen Evolution, wird in einer
  abiotischen Welt nicht erwartet!
• In dieser: Speicherung der
  Photonenenergie, lang genug, um
  Absorption durch ein zweites Photon zu
  erlauben, eher unwahrscheinlich

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• Antwort auf die Frage, ob ein abiotisches
  System, welches unter natürlichen
  Bedingungen auf einem Planeten in der HZ
  seines Sterns produziert wird, durch
  photokatalytische Spaltung von H2O eine
  O2-reiche Atmosphäre (PO2 > 10 mbar)
  schaffen kann, entscheidet über Sauerstoff
  als tatsächliche Biosignature

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Abiotischer Photokatalysator für H20
Spaltung
• „Artificial Photosynthesis“
• Zwei Komponenten:
  -Photosensitizer unit um Photonen zu
  sammeln und eine Ladungstrennung zu
  schaffen
  -Katalysator, um charge recombination zu
  minimieren, Oxidation von Wasser
  anzutreiben

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• In abiotischer Natur können diese
  Photosensitizer in einer Vielzahl
  halbleitender Metalloxide, wie TiO2, Fe2O3,
  WO3, gefunden werden
• Katalysatoren: Co3O4 (Frei, 2009), Mn2CaO4
  (Najafpour et al., 2010), wenn Spezies
  verwendet werden, die sehr häufig auf
  einem Tellurplaneten vorkommen

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Abundance Problem
• IrO2 und Pt erzielen bessere Gewinne, aber
  korrespondieren mit weniger häufigen Spezies
• Abundance Problem ist abhängig vom
  physischen Zustand der betrachteten Spezies
• So kann zB. TiO2 in Nanopartikeln auf einem
  Photonensammler verteilt sein, was viel
  weniger TiO2 benötigt, als eine dicke Schicht.
  Nanopartikel -> unter natürlichen
  Bedingungen in Erden/Böden (Schrick et al.,
  2004)
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Schwierigkeiten von Systemen mit
low-abundance Materialien
a) Die Quantenausbeute dieser Systeme ist
  gering (
  schwierig.

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b) Generell sind solche Systeme das Resultat
  fortgeschrittener chemischer Technologien.
  zB: Produktion von TiO2 Nanopartikeln
  (Kristalle auf 150°C in 10M NaOH erhitzt)
  (Suzuki et al., 2007); CaMn2O4 Katalysator
  auf 400°C – 600°C erhitzen (Najafpour et
  al., 2010)
  Weder ausgeschlossen, noch sehr
  wahrscheinlich, dass natürliche
  Bedingungen zu solchen Strukturen führen
  könnten.

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c) Es wird eine Co-Lokalisation und –Funktion
  von Photosensitizer und Katalysator impliziert
  – kein verfügbares Material, welches die
  beiden kombiniert.
d) Die meisten Katalysatoren müssen von Zeit zu
  Zeit entweder regeneriert, oder ersetzt werden.
  Ein abiotischer Photokatalysator müsste in
  natürlicher Umgebung für eine lange Zeit
  arbeiten, um eine O2-reiche Atmosphäre zu
  schaffen. (6 -8 x längere Lebenszeit, als die
  eines industriellen Katalysators)
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e) Photokorrosion des Materials sollte über
  lange Zeit (Millionen Jahre) vermieden
  werden. Dies erfordert sehr spezifische
  Behandlungen, sogar für viel kürzere
  Zeitspannen (Jahre).

Ist a) nicht prohibitiv -> schwierig, natürliche
Lösung zu finden, die gleichzeitig b), c), d)
und e) umgeht.

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Um eine große Menge an O2 als
    Biosignature abzulehnen, wäre ein System
    nötig, dass:
•   Wasser photolysiert, mit einem
    Regenerationsprozess, der Lebenszeit von
    einem Jahr auf 106 bis 108 Jahre verlängert
•   Unter natürlichen Bedingungen und
•   Auf einem signifikanten Abschnitt der
    Planetenoberfläche vorkommt
•   Bis dato: Kein solches System bekannt
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O2 Flux auf der Erde
• Produktion von organischem C durch
  Photosynthese auf der Erde: 1.1 x 1014 C-
  kg/yr (Field et al., 1998)
• Korrespondiert mit O2 Produktion von 2.9 x
  1014 kg/yr

     CO2 + H20 + 8 hv -> (CH2O) + O2

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• Großteil dieses Sauerstoffs verbraucht
  durch Oxidation organischer Stoffe aus
  toter Biomasse
• Reservoirs von organischem C: Lehm,
  Schiefersediment
• Organic sink = Oxidation von Biomasse und
  Mineralien
• Menge von O2 in Atmosphäre: 1.2 x 1018 kg
• O2 residence time bei Photosynthesestopp
  = 2 x 107 yr
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Darwinistisches Argument
• O2 Produktion auf Oberfläche eines Planeten
  – ohne UV Photolyse (Owen, 1980)
• Erklärungen: abiotische Photogeneration oder
  biologische Photosynthese
• Abiotische Photogeneration unwahrscheinlich
• Biologische Photosynthese: Selektion,
  Kolonisierung von Nischen, Evolution und
  Fortpflanzung

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Zusammenfassung
• Qualifikation von O2/O3 als Biosignature
  abhängig vom Versagen alternativer
  abiotischer Erklärungen
• Abiotisch katalysierte Photolyse von H2O ist
  auf Planet, der von Sonnen-ähnlichem Stern
  bestrahlt wird, möglich -> Photokatalysator
• Biologische Erklärung durch Photosynthese
  eines lebenden Systems -> benötigte große
  Mengen von O2 aufgrund von Reproduktion,
  Kolonisation
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Zusammenfassung
• Die Anwesenheit von O2 auf einem felsigen
  Exoplaneten innerhalb der HZ seines Sterns
  ist guter, aber nicht definitiver Indikator für
  Anwesenheit von Leben
• Verlässlichkeit abhängig von Identifikation
  aller abiotischen Photokatalysatoren

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Quellen
• Is the presence of oxygen on an Exoplanet a
  reliable biosignature, Astrobiology, Volume
  11, Number 4, 2011
  A. Léger, M.Fontecave, A. Labeyrie,
  B.Samuel, O. Demangeon, D. Valencia
• http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=
  Datei:Atmosph%C3%A4re_Stufen.svg&filet
  imestamp=20100206171012

                  Marlene Hausleitner       37