Mathias Scholz. Astrobiologie

Astrobiologie Mathias Scholz Astrobiologie Mathias Scholz Zittau Sachsen Deutschland ISBN 978-3-662-47036-7     ISBN 978-3-662-47037-4 (eBook) D...
Author: Gundi Waltz
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Astrobiologie

Mathias Scholz

Astrobiologie

Mathias Scholz Zittau Sachsen Deutschland

ISBN 978-3-662-47036-7     ISBN 978-3-662-47037-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-47037-4 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Margit Maly Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Für Sylvia und Jürgen

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Vorwort

Ein populärwissenschaftlicher Vortrag zum Thema „Leben im All“ oder, noch besser, über die „Suche nach außerirdischen Zivilisationen“, ist immer ein guter Garant dafür, dass reichlich interessierte Zuhörer im Auditorium erscheinen. Die Frage, ob es irgendwo weit draußen im Weltall so etwas wie eine zweite Erde gibt, ist offensichtlich eine Frage, die viele Menschen – und darunter nicht nur Wissenschaftler – umtreibt. Vorschub leisten dafür Fernsehserien wie die kultische Star Trek – Saga, aber auch die in großer Zahl erhältlichen pseudowissenschaftlichen Bücher wie beispielsweise diejenigen eines Erich von Däniken, die ohne Zweifel bei dem nicht auf dem Stand der Forschung stehenden Leser eine eigene Faszination auslösen können, gegen die sich nicht immer leicht argumentativ ankämpfen lässt. Und dabei muss man es ganz klar sagen: Die Wissenschaft hat bis heute noch keinen einzigen Beweis dafür gefunden, dass es irgendwo außerhalb der Erde „Leben“ gibt. Auch die Frage, auf welche Weise das „Leben“ auf der Erde einst entstanden ist, gehört immer noch zu den großen Fragestellungen, auf die eine befriedigende Antwort weiterhin aussteht. Fortwährend detailliertere Erkenntnisse darüber, wie irdisches Leben im Detail „funktioniert“, haben jedoch immer mehr die Auffassung bestärkt, dass die Entstehung des Lebens aus anorganischer Materie (Abiogenese) ein naturgesetzlich determinierter Vorgang ist, der sich damit zumindest prinzipiell aufklären lässt. Und was auf der Erde möglich war, sollte auch auf irgendwelchen der vielen anderen Milliarden „erdähnlichen“ Planeten, die man allein in unserer Milchstraße vermutet, möglich gewesen sein. Die Frage nach der Entstehung, der Entwicklung und der Verbreitung von „Leben“ im Weltall ist natürlich ein Forschungsgegenstand, der nicht allein von den Biologen abgedeckt werden kann. Es handelt sich dabei vielmehr um den Prototyp einer interdisziplinären Wissenschaft, für die sich mittlerweile der Begriff der „Astrobiologie“ etabliert hat und von der einige herausragende Aspekte Gegenstand dieses Buches sind. Die Interdisziplinarität der Astrobiologie zeigt sich insbesondere darin, dass hier Biologen, Chemiker, Physiker, Vertreter der Geowissenschaften und nicht zuletzt Astronomen und Astrophysiker eng zusammenarbeiten, um das Phänomen „Leben“ im kosmischen Kontext zu erforschen und letztendlich zu verstehen. Neben dem eigentlichen Gegenstand macht gerade diese Interdisziplinarität das eigentliche Faszinosum dieser noch recht jungen Wissenschaftsdisziplin aus. Die Lebenswissenschaften (Biologie, Biochemie) liefern dabei wichtige Beiträge VII

VIII

Vorwort

über die Funktionsweise lebender Systeme, deren Entstehung und Evolution sowie über die chemisch-physikalischen Rahmenbedingungen, unter denen es zu existieren vermag. Astronomen und Astrophysiker dagegen erforschen bzw. suchen nach Örtlichkeiten im Universum (insbesondere Exoplaneten), an denen überall „Leben“ möglich erscheint und entwickeln Strategien, wie man es in naher oder fernerer Zukunft vielleicht sogar einmal anhand von „Biomarkern“ detektieren kann. Weitere „astronomische“ Themen betreffen die Beobachtung und die theoretische Erklärung der Bildung von mehr oder weniger komplexen (organischen) Molekülen in kalten interstellaren Gas- und Staubwolken, von denen einige als wichtige „Ausgangsstoffe“ für die Entstehung lebender Materie gelten. Sie können z. B. eingeschlossen in kometarischer Materie auf einen geeigneten Planeten gelangen und dort zusammen mit bereits vorhandenen oder anderweitig synthetisierten Stoffen die materiellen Voraussetzungen für eine chemische Evolution (Abiogenese) schaffen, an deren Ende dann die ersten Urorganismen stehen. An der Schnittstelle zwischen Astronomie und den Erdwissenschaften „Geologie“ und „Geochemie“ steht schließlich die Planetologie, wobei es den Astrobiologen insbesondere der Planet Mars sowie einige der größeren Eismonde des äußeren Sonnensystems angetan haben, in deren Inneren man „subglaziale“ Ozeane vermutet. Denn das sind die Orte, wo es zumindest eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür gibt, in unserem Sonnensystem Lebensspuren außerhalb der Erde zu finden. Und diese Orte sind prinzipiell mit Raumsonden erreichbar, was bekanntlich bei Exoplaneten nicht der Fall ist. Das Ziel des vorliegenden Buches ist es – und zwar im Sinne eines interdisziplinären Ansatzes – einen Überblick über die wichtigsten Themenschwerpunkte1 der Astrobiologie zu geben, auf deren Grundlage ein weitergehendes Studium entsprechender Fachliteratur angeregt und ermöglicht wird. Dazu sind zwar gewisse Grundkenntnisse der angesprochenen Teildisziplinen von Nutzen, die sich aber bei entsprechendem Interesse leicht erwerben lassen. In diesem Zusammenhang sei besonders auf die Sammlung von diversen Vorlesungen zum Thema Zellbiologie, Geologie und Astronomie hingewiesen, die im Internet über TIMMS (http://timms. uni-tuebingen.de, Tübinger Multimedia Server) in Form von Videostreams jedermann zugänglich sind. Zum Abschluss möchte ich mich noch bei Frau Margit Maly und Frau Stefanie Adam vom Verlag Springer Spektrum für die Betreuung dieses Buchprojekts sowie bei Frau Tatjana Strasser für die sorgfältige Korrektur des Manuskriptes bedanken. Ostern 2015 

Mathias Scholz Zittau

mit Ausnahme der Exoplanetenforschung, da darüber bereits ein entsprechendes Lehrbuch vom Autor erschienen ist (Scholz 2014). 1 

Inhaltsverzeichnis

1  Was ist „Astrobiologie“? ������������������������������������������������������������������������     1 2  Was ist und wie funktioniert „Leben“? ������������������������������������������������    5 2.1 Grundlegende Eigenschaften lebender molekularer Systeme ��������     6 2.2 Basiselemente des Lebens ��������������������������������������������������������������    22 2.3 Wasser als universelles Lösungsmittel ��������������������������������������������    33 2.4 Energiequellen des Lebens ��������������������������������������������������������������    51 2.5 Moleküle des Lebens ����������������������������������������������������������������������    80 2.6 Information und Leben ��������������������������������������������������������������������    93 2.7 Die minimalistische Zelle ����������������������������������������������������������������    94 2.8 Selbstorganisation und Evolution ����������������������������������������������������  110 2.9 Grenzen des Lebens ������������������������������������������������������������������������  120 3  Wie entsteht Leben? – das Rätsel der Abiogenese��������������������������������  135 3.1 Das Paradigma der „Ursuppe“ und ihre Zutaten ����������������������������  138 3.2 Astrochemie – Moleküle im All ������������������������������������������������������  139 3.3 Das Miller-Urey-Experiment ����������������������������������������������������������  236 3.4 Hydrothermale Quellen und organische Moleküle ��������������������������  243 3.5 Der Planet Erde im Hadaikum und frühen Archaikum ��������������������  246 3.6 Abiogenese ��������������������������������������������������������������������������������������  290 4  Kosmische Voraussetzungen für Leben – die Habitabilität ferner Welten��������������������������������������������������������������������������������������������     329 4.1 Der Begriff der Habitabilität ������������������������������������������������������������  333 4.2 Habitable Zonen ������������������������������������������������������������������������������  347 4.3 Habitabilität und kosmische Katastrophen ��������������������������������������  371 5  Leben im Sonnensystem und darüber hinaus ��������������������������������������  419 5.1 Mögliche Nischen des Lebens im Sonnensystem ����������������������������  421 5.2 Habitable extrasolare Planeten ��������������������������������������������������������  494 6  SETI – die Suche nach außerirdischen Zivilisationen��������������������������  505 Literatur����������������������������������������������������������������������������������������������������������  517 Sachverzeichnis����������������������������������������������������������������������������������������������  535

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Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1  Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von drei Nanoarchaeum equitans, die an einem Bakterium der Art Ignicoccus hospitalis angedockt haben. CM ist die Zytoplasmamembran, OM die äußere Membran, Pp bezeichnet das die Bakterienzelle ausfüllende Periplasma und PV periplasmatische Vesikel. Die weiße Linie gibt die Länge von 1 nm an (Jahn et al. 2008) ��������������������������������������������������������������  10 Abb. 2.2   Elementehäufigkeit im Sonnensystem ������������������������������������������  24 Abb. 2.3   Dichteanomalie des Wassers ����������������������������������������������������������  38 Abb. 2.4  Spezifische Wärmekapazität von Wasser bei einem Druck von 100 kPa im Temperaturbereich zwischen 0 und 100 °C ����������������  39 Abb. 2.5  Verknüpfung zweier Aminosäuren über eine Peptidbindung zu einem Dipeptid unter Freisetzung eines Wassermoleküls ��������������  44 Abb. 2.6   Zustandsdiagramm von Wasser ������������������������������������������������������  46 Abb. 2.7  Weiße Methanwolken über den großen Kohlenwasserstoffseen im Bereich des Nordpols des Saturnmondes Titan, aufgenommen von der Raumsonde Cassini ����������������������������������  50 Abb. 2.8   Strukturformel von Adenosintriphosphat (ATP) ����������������������������  63 Abb. 2.9   Die drei Phasen des Calvin-Zyklus ������������������������������������������������  66 Abb. 2.10   Zweistufige Lichtreaktion der Photosynthese ��������������������������������  68 Abb. 2.11  Vereinfachte Darstellung des Citratzyklus. Die im Zyklus auftretenden Reduktionsäquivalente sind in blauer, das als Nebenprodukt freigesetzte Kohlendioxid in grüner und das GTP in roter Schrift dargestellt ������������������������������������������������������  73 Abb. 2.12  Bändererz der Moories Group im Barberton-Grünsteingürtel, Südafrika (3,15 Mrd. Jahre alt) ������������������������������������������������������  76 Abb. 2.13  Entwicklung des Sauerstoffpartialdrucks in der Erdatmosphäre und der Sauerstoffkonzentration in den oberen Schichten der Ozeane und der Tiefsee ������������������������������������������������������������������  78 XI

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Abb. 2.14  2,1 Mrd. Jahre alte Gabonionta aus einem Tonschiefer aus der Nähe von Franceville in Gabun. Es handelt sich dabei um die ältesten Metabionta (Eucaria), die auf der Erde nachgewiesen werden konnten. Sie sind aber offenbar schnell wieder ausgestorben ��������������������������������������������������������������������������������    79 Abb. 2.15  Beispiele für die Molekülstruktur einiger Lipide und Saccharide ����������������������������������������������������������������������������    81 Abb. 2.16  Das Dipeptid Alanylalanin entsteht bei der Verbindung von zwei Molekülen der proteinogenen Aminosäure Alanin unter Wasserabspaltung ������������������������������������������������������������������������    84 Abb. 2.17  Beispiele von Proteinstrukturen in verschiedenen Größen nach Strukturdateien aus der europäischen Proteindatenbank (http://www.ebi.ac.uk/pdbe/) ��������������������������������������������������������    86 Abb. 2.18  Gegenüberstellung eines RNA-Strangs und eines DNADoppelstrangs mit Darstellung der jeweiligen Nukleobasen ������    88 Abb. 2.19  Stark vereinfachtes Schema der DNA-Transkription (National Human Genome Research Institute) ��������������������������������������������    90 Abb. 2.20  Schematische Darstellung der Proteinbiosynthese von Proteinen am Ribosom auf der Grundlage einer mRNA-Matrize ����������������������������������������������������������������������������    91 Abb. 2.21  Schematische Darstellung der DNA-Replikation ������������������������    92 Abb. 2.22  Vergleich zwischen einer prokaryotischen Bakterienzelle ( links) und einer eukaryotischen Tierzelle ( rechts) ��������������������    95 Abb. 2.23  Phylogenetischer Stammbaum des Lebens auf der Erde, wie er sich aus RNA-Sequenzanalysen rezenter Lebewesen ergibt (nach Carl Woese) ������������������������������������������������������������������������  104 Abb. 2.24  Belousov-Zhabotinsky-Reaktion in einer dünnen Schicht. Eine Wellenfront der Reaktion ist gelb markiert ����������������������������������  113 Abb. 2.25  Morning Glory Pool im Yellowstone Nationalpark. Die verschiedenen Farben rühren von extremophilen Archaeen her, welche die heißen Quellen besiedeln (Foto: Matthias Kabel) ������  127 Abb. 3.1  Verteilung kompakter HII-Regionen und von Riesenmolekülwolken (abgeleitet aus CO-Beobachtungen, kleine Kreise, Masse in Mʘ) in Projektion auf die galaktische Ebene. Im rechten Diagramm erkennt man, dass beide zusammen – kompakte HII-Regionen und GMCs – sehr schön die Spiralstruktur der Milchstraße nachzeichnen. Die Position der Sonne (Entfernung zum galaktischen Zentrum  = 8,5 kpc, Umlaufgeschwindigkeit = 220 km/s) ist durch ein Sternsymbol gekennzeichnet ����������������������������������������������������������������������������  152

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Abb. 3.2  Integrierte Flussdichte (in Wm−2str−1) als Funktion der Frequenz des allgemeinen interstellaren Strahlungsfeldes in der Galaxie ����  156 Abb. 3.3  Ausschnitt aus dem Seagullnebel (IC 2177) mit rot leuchtenden HII-Regionen um den Ae/Be-Stern HD 53367. Man beachte auch die eingebetteten Dunkelwolken, deren Flanken sich z. T. als blau leuchtende Reflektionsnebel bemerkbar machen (MPG, ESO La Silla) ��������������������������������������������������������������������������������  163 Abb. 3.4  Die Bok-Globule Barnard 68, aufgenommen mit dem VLT (Mt. Paranal) in verschiedenen Spektralbereichen, befindet sich in ~ 500 Lj Entfernung im Sternbild Schlangenträger (Ophiuchus). Da die äußeren Bereiche der Wolke weniger dicht sind als die inneren, verringert sich die scheinbare Größe der Wolke mit wachsender Beobachtungswellenlänge im gleichen Maß, wie das langwellige Licht der Hintergrundsterne die ungefähr sphärische Staubansammlung durchdringen kann (ESO, VLT ANTU) ������������������������������������������������������������������������������������������  164 Abb. 3.5  Die HST-Aufnahme des OB-Clusters NGC 3603 zeigt die typische Struktur des Übergangs zu einer photonendominierten Region (PDR) ��������������������������������������������������������������������������������  175 Abb. 3.6  Reaktionsnetzwerk, welches in einer Molekülwolke zur Synthese von Methanal (Formaldehyd) führt ��������������������������������  192 Abb. 3.7  Zeitliche Entwicklung der Teilchenzahldichten in der Gasphase (durchgezogene Linien) und auf Staubpartikeln (punktierte Linien) für CO, CH4, NH3, H2O und HCO+ über 50.000 Jahre, gerechnet für die Molekülquelle Sgr B2 (N). Die genannten Moleküle gelten als primäre Komponenten der Eishüllen um Staubpartikel. Das Modell überdeckt die sogenannte Warm upPhase, in der die Wolke statisch bleibt (d. h. nicht kontrahiert), die Temperatur aber von 10 auf 200 K ansteigt (betrifft sowohl Gas als auch Staub). Die relativ kurze Zeitskala der Größenordnung von 104 Jahren gilt als typisch für kompakte Molekülwolken, die zu massereichen Sternen zerfallen. Die Modellergebnisse sind repräsentativ für Gebiete, die sich in einer moderaten Entfernung vom heißen Wolkenkern befinden. Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass der Anteil an Wassermolekülen zum Ende der Kontraktionsphase stark zunimmt. Dass Wasser in den äußeren Bereichen protoplanetarer Scheiben in großer Menge vorkommt, zeigt das Beispiel des Wasserdampftorus um TW Hydrae. (Aus Garrod et al. 2008) ������  195 Abb. 3.8  Das gleiche Diagramm wie Abb. 3.7, aber diesmal für H2CO, CH3OH, CH3OCH3, HCOOH und HCOOCH3. (Aus Garrod et al. 2008) ��������������������������������������������������������������������������������������  196

XIV

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Abb. 3.9  Zeitliche Entwicklung der Moleküle CH3CHO, CH3CN, C2H5OH, CH2(OH)CHO und CH2CO der Quelle Sgr B2 (N) gemäß dem Modell von Garrod und Mitarbeitern. (Aus Garrod et al. 2008) ������������������������������������������������������������������������������������  196 Abb. 3.10  Schematischer Aufbau des Miller-Urey-Experiments zur Simulation einer abiotischen Synthese organischer Moleküle unter der Annahme einer reduzierenden Uratmosphäre ��������������  238 Abb. 3.11  Entwicklung der Leuchtkraft, des Radius und der effektiven Temperatur der Sonne während ihres Hauptreihenstadiums. (nach Ribas 2009) ������������������������������������������������������������������������  277 Abb. 3.12  Ein einfacher reduktiver Citratzyklus, der explizit fast ohne spezifische Enzyme auskommt, das Reduktionspotenzial des Schwefelwasserstoff-Troilit-Systems ausnutzt und auf Sulfidoberflächen lokalisiert ist, könnte theoretisch der Ausgangspunkt für einen ersten selbsterhaltenden Stoffwechselzyklus gewesen sein ( Metabolism-firstHypothese) (Zhang und Martin 2006) ������������������������������������������  304 Abb. 3.13  Mögliche Schrittfolge der präbiotischen Synthese von Adenin. a Bildung des HCN-Tetramers, b Umwandlung des HCNTetramers in 4-Amino–5-Cyano-Imidazole, c Purinbildung aus 4-Amino-5-Cyano-Imidazole bzw. aus dem Hydrolyse-Produkt von 4-Amino-Imidazole-5-Carboxamide. (aus Orgel 2004) ��������  311 Abb. 4.1  Vereinfachte Darstellung des Kohlenstoffkreislaufs der Erde mit seinen Reservoiren und Stoffflüssen. Die Zahlen entsprechen je nach Kontext Gt bzw. Gt/a ����������������������������������  342 Abb. 4.2  Wahrscheinlichkeiten für die Entstehung von erdähnlichen Planeten und hot jupiters in Abhängigkeit von der Metallizität der protostellaren Materie nach Simulationsrechnungen verschiedener Autoren (verändert nach (Prantzos 2007)) ������������  351 Abb. 4.3  Ungefähre Lage der galaktischen habitablen Zone in der Milchstraße (NASA) ��������������������������������������������������������������������  352 Abb. 4.4  Zeitabhängige galaktische habitable Zone im Bereich der Milchstraßenscheibe, abgeleitet aus Simulationsrechnungen auf der Basis von entsprechenden Sternbildungsraten. Die weißen Linien umschließen die Bereiche, innerhalb derer man mit 68 %iger Wahrscheinlichkeit (innere Kontur) bzw. 95 %iger Wahrscheinlichkeit (äußere Kontur) potenziell bewohnbare Planeten auffinden kann. Die grüne Kurve am rechten Rand gibt die Altersverteilung eventuell vorhandener komplexer Lebensformen an (Lineweaver et al. 2004) ����������������������������������  353

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Abb. 4.5  Lage der zirkumstellaren habitablen Zone ( grün) – von oben nach unten – um einen heißen A-Stern, um einen Stern wie die Sonne und um einen kühlen Roten Zwergstern (NASA) ������������  361 Abb. 4.6  Veränderung der Lage der habitablen Zone im Zuge der Hauptreihenentwicklung der Sonne ��������������������������������������������  363 Abb. 4.7  Entwicklung der solaren habitablen Zone unter Berücksichtigung geodynamischer Prozesse unter der Annahme, dass das Ozean-Land-Verhältnis konstant bleibt (SuW) ������������������������������������������������������������������������������������������  367 Abb. 4.8   P  hotosynthetisch aktive habitable Zone im Sonnensystem in Abhängigkeit von der Zeit für vier verschiedene Kontinentwachstumsszenarien: a verspätetes lineares Wachstum, b episodisches Wachstum, c lineares Wachstum, d konstante Kontinentfläche. Die horizontalen gestrichelten Linien markieren den Abstand der Venus (♀), der Erde (⊕), und des Mars (♂) zur Sonne (Bounama 2007) ����������������������������  370 Abb. 4.9  Lage der photosynthetisch aktiven habitablen Zone eines geodynamisch aktiven Erdzwillings in Abhängigkeit der Sternmasse. Der weiße Bereich stellt die Lage der „klassischen“ habitablen Zone dar. Der mit (I) gekennzeichnete Bereich ist links durch die Aufenthaltsdauer des Sterns der entsprechenden Masse auf der Hauptreihe und der Bereich (II) links durch die maximale Lebensdauer einer Biosphäre begrenzt. Der Bereich (III) gibt den Bereich an, in dem eine gebundene Rotation des Planeten zu erwarten ist. Man erkennt, dass bei einem Abstand von 1 AU dem Bereich der Sternmasse bereits sehr enge Grenzen gesetzt sind, um einen Erdzwilling eine langlebige Biosphäre zu ermöglichen ����������������������������������  370 Abb. 4.10  Verteilung von 932 sicher identifizierten Impaktkratern auf der Venusoberfläche (Strom et al. 1994) ��������������������������������������������  376 Abb. 4.11   Grafische Darstellung der Torino-Skala ��������������������������������������  387 Abb. 4.12  Petschek-Modell. Die Rekonnektion der Magnetfeldlinien findet innerhalb des kleinen Rechtecks im Zentrum der Abbildung statt (Diffusionszone). Die gestrichelten Linien kennzeichnen die Grenzfläche zwischen der langsamen Einströmung und der sehr schnellen jetartigen Ausströmung des im Prozess involvierten Plasmas ��������������������������������������������  395 Abb. 4.13   Chapman-Zyklus ��������������������������������������������������������������������������  408

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Abb. 4.14  Simulation der Kollision und Vereinigung zweier Neutronensterne, die anschließend zu einem Schwarzen Loch kollabieren. Dabei entsteht ein maximal 2 s andauernder Gammablitz, der in einem engen Konus um die Rotationsachse (Jet) abgestrahlt wird. Die Berechnungen wurden mittels eines Supercomputers am Goddard Space Flight Center durchgeführt (NASA) ����������������������������������������������������������������������������������������  414 Abb. 4.15  Verteilung der 2704 vom BATSE-Experiment auf dem Compton-Satelliten registrierten Gammablitze über den Himmel. Die Gleichverteilung zeigt deutlich, dass die beobachteten GRBs-Quellen außerhalb des Milchstraßensystems liegen müssen ��������������������������������������������  415 Abb. 5.1  Panoramaaufnahme des Viking 2-Landeplatzes 200 km westlich des Kraters Mie (Utopia Planitia). Der Lander arbeitete vom 3. September 1974 bis zum 11. April 1980 auf dem Mars. Er konnte mittlerweile sogar auf Aufnahmen des Mars Reconnaissance Orbiters identifiziert werden (NASA) ������  425 Abb. 5.2  Vereinfachte Phasendiagramme von Wasser und Kohlendioxid ������������������������������������������������������������������������  432 Abb. 5.3  Regionale Verteilung von Wassereis auf dem Mars. Die Farben geben seinen Anteil in Gewichtsprozenten in einer ungefähr einen Meter mächtigen Bodenschicht an. Man beachte unbedingt die unterschiedliche Farbskalierung der äquatorialen Karte und der Polarkarten. Den Karten sind Höhenreliefs, die aus den MOLA-Daten von Mars Global Surveyor abgeleitet worden sind, unterlegt (NASA) ��������������������������������������������������  433 Abb. 5.4  Impaktkrater mit einem Durchmesser von etwa 35 km nahe dem Nordpol des Mars bei ~ 70,5° nördlicher Breite und ~ 103° östlicher Länge in der Tiefebene Vastitas Borealis (ESA, DLR, FU Berlin) ������������������������������������������������������������������������������������  436 Abb. 5.5  Die am 13. September 1976 vom Viking 1-Orbiter fotografierte Region (Parana Valley) zeigt auf der rechten Seite deutlich die Strukturen eines valley networks. Ihre Entstehung lässt sich nur durch die Präsenz von flüssigem Wasser zur Zeit ihrer Bildung erklären. Die Bildbreite entspricht ~ 250 km auf dem Mars (NASA) ����������������������������������������������������������������������������������������  442 Abb. 5.6  Gebiete mit erhöhter Methankonzentration während der Marssommermonate des Jahres 2003 und ihre Korrelation mit geomorphologischen und mineralogischen Oberflächenformationen. (Aus (Mumma et al. 2009), NASA) ����  447

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Abb. 5.7  Mutmaßlicher Schlammvulkan auf dem Mars, aufgenommen mit der HiRISE-Kamera des Mars Reconnaissance Orbiters (NASA, JPL) ��������������������������������������������������������������������������������  448 Abb. 5.8  In genau einer Probe von ALH 84001 glaubte man 1996 erste Spuren außerirdischer Lebewesen in Form von Nanobakterien gefunden zu haben – eine Deutung, die heute kaum noch ernsthaft vertreten wird (NASA) ��������������������������������������������������  450 Abb. 5.9   Jupitermond Europa (NASA, JPL) ����������������������������������������������  457 Abb. 5.10  Zerfurchte und verdrehte Eisschollen auf der Oberfläche von Europa (NASA) ����������������������������������������������������������������������������  457 Abb. 5.11  Häufung von Lenticulae auf einer mit Rissstrukturen durchsetzten Eisfläche auf Europa (NASA) ��������������������������������  459 Abb. 5.12  Wostok-See. Auf dieser von dem kanadischen Satelliten RADARSAT-1 aufgenommenen Aufnahme Antarktikas im Bereich der Forschungsstation „Wostok“ fällt die besonders glatte Eisgrenzfläche über dem See auf (RADARSAT) ��������������  466 Abb. 5.13  Saturnmond Enceladus. Entlang der hier im unteren Bereich deutlich sichtbaren „Tigerstreifen“ reiht sich eine Vielzahl von Geysire, deren gefrorener Wasserdampf die Eispartikel des torusförmigen E-Rings des Saturn formen (NASA, JPL) ������������  468 Abb. 5.14  Auf dieser Aufnahme des Randes von Enceladus durch Cassini am 21. November 2009 hebt sich eine Vielzahl von aktiven Geysiren gegen den dunklen Hintergrund des Kosmos ab (NASA, JPL) ��������������������������������������������������������������������������������  471 Abb. 5.15  Grundlegendes Funktionsprinzip der Geysire im Bereich der Tigerstreifen auf Enceladus ����������������������������������������������������������  472 Abb. 5.16  Titan im sichtbaren Licht, aufgenommen in dem Moment, als er am 26. November 2009 von Cassini aus gesehen den Saturnmond Tethys bedeckt (NASA, JPL) ����������������������������������  474 Abb. 5.17  Falschfarbencodierte Aperturesynthese-Radaraufnahme von Ligeia Mare (NASA, JPL) ����������������������������������������������������������  477 Abb. 5.18  Karte der nördlichen Seenplatte von Titan mit den drei großen Maria und einer Vielzahl kleinerer und z. T. noch unbenannter lakes (NASA, JPL, USGS) ����������������������������������������������������������  479 Abb. 5.19  Mögliche Spuren von Methanniederschlägen aus Wolken im Bereich des Südpols von Titan. Man beachte die auffällige Verdunklung eines kleinen Bereichs links oberhalb des ca. 200 km langen Ontario Lacus (NASA, JPL) ��������������������������������  482

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Abb. 5.20  Landschaft des Titan mit Erosionsrinnen im Untergrund aus Wassereis, aufgenommen von der Landesonde Huygens während ihres Abstiegs auf die Titanoberfläche aus einer Höhe von ca. 16 km. Eine genaue Analyse der Bilder ergab, dass sowohl die dunklere und ziemlich strukturlose Ebene als auch die Flusstäler ausgetrocknet sind. Die Titanflüsse scheinen nur sporadisch Flüssigkeit zu führen, welches schnell wieder verdunstet oder im Untergrundeis versickert (ESA, NASA) ������  483 Abb. 5.21   Vertikaler Aufbau der Titanatmosphäre (NASA) ������������������������  485 Abb. 5.22   Tholine auf der Oberfläche von Titan (NASA, JPL) ��������������������  486 Abb. 5.23  Stark vereinfachtes Schema der Photochemie von Methan und Stickstoff in der Atmosphäre von Titan, die zur Bildung der polymeren Bestandteile von Tholinen führt (Atreya et al. 2006) ��������������������������������������������������������������������������������������������  487 Abb. 5.24  Innerer Aufbau von Titan nach Messungen der Cassini-Sonde. Der Silikatkern stellt dabei genau genommen eine Mischung von Silikaten mit Hochdruckeis dar (NASA, JPL) ����������������������  490 Abb. 5.25   Neuer SPH-Index ������������������������������������������������������������������������  497

Tabellenverzeichnis

Tab. 2.1    Elementehäufigkeit in der solaren Photosphäre ����������������������������    24 Tab. 2.2     Wichtige funktionelle Gruppen in der organischen Chemie ��������    27 Tab. 2.3     Bindungsenergien von Kohlenstoff ����������������������������������������������    29 Tab. 2.4     Bindungsenergien von Silizium ����������������������������������������������������    29 Tab. 2.5    Vergleich der physikalischen Eigenschaften von Schwefelwasserstoff und Dihydrogenmonoxid (Wasser) ������������    41 Tab. 2.6    Für die organische Chemie wichtige funktionelle Gruppen und die jeweilige Anzahl ihrer Protonendonator- und Protonenakzeptorstellen ����������������������������������������������������������������    43 Tab. 2.7     Biologisch interessante Flüssigkeiten und ihre Eigenschaften ����    48 Tab. 2.8    Unterschiede zwischen prokaryotischen und eukaryotischen Zellen (Auswahl) ��������������������������������������������������������������������������    96 Tab. 2.9    Anzahl der für essenzielle Funktionsgruppen einer Bakterienzelle notwendigen Gene ������������������������������������������������    99 Tab. 2.10   E  inige physikalische und chemische Parameterbereiche, innerhalb derer irdische Mikroorganismen und hochentwickelte Metabionta (Beispiel Mensch) überleben können ������������������������  121 Tab. 3.1    Verschiedene Ansätze/Hypothesen/Szenarien zur Entstehung des Lebens auf der Erde ����������������������������������������������������������������  137 Tab. 3.2    Physikalische Charakteristika verschiedener interstellarer Regionen ���������������������������������������������������������������������������������������  149 Tab. 3.3     Einige charakteristische Daten gut erforschter Molekülwolken ��  152 Tab. 3.4    Standardextinktionen (Verrötungen), wie sie in der stellaren Photometrie Verwendung finden. (Aus Dopita und Sutherland 2003) ���������������������������������������������������������������������������������������������  159 Tab. 3.5   Relative kosmische Häufigkeiten verschiedener, für die Astrochemie wichtiger Elemente ��������������������������������������������������  162 XIX

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Tab. 3.6  k-Werte von wichtigen, in der ISM vorkommenden Reaktionstypen. (Aus Maciel 2013) ����������������������������������������������  173 Tab. 3.7   Ionisationsenergien einiger Atome und Moleküle ������������������������  174 Tab. 3.8   I n der interstellaren Materie nachgewiesene Moleküle. (Stand Mitte 2014) ������������������������������������������������������������������������  200 Tab. 3.9   P  hysische Eigenschaften einiger von Satelliten angeflogener Kometen ����������������������������������������������������������������������������������������  205 Tab. 3.10   Sicher nachgewiesene neutrale Moleküle in Kometen und ihre relative Häufigkeit ������������������������������������������������������������������������  215 Tab. 3.11  V  ergleich der chemischen Zusammensetzung von kometarischem und interstellarem Eis. Die vielen Fragezeichen bei den 2-atomigen homonuklearen Molekülen resultieren aus ihrer schwierigen Nachweisbarkeit ����������������������������������������������  216 Tab. 3.12   Mittels Molekülspektroskopie und Massenspektrometrie nachgewiesene bzw. vermutete organische Moleküle im Kometen Halley. Die mit „bestätigt“ gekennzeichneten Moleküle wurden spektroskopisch, die mit „mittel“ gekennzeichneten relativ sicher massenspektroskopisch detektiert. (Leicht verändert aus (Gargaud et al. 2007)) ��������������  219 Tab. 3.13   D/H-Verhältnis und SMOW-Wert verschiedener Substanzen und kosmischer Objekte ����������������������������������������������������������������  223 Tab. 3.14   Zusammensetzung des organischen Materials des MurchisonMeteoriten ������������������������������������������������������������������������������������  229 Tab. 3.15   Häufigkeiten der im Murchison- und Tagish Lake-Meteoriten gefundenen abiotisch entstandenen organischen Stoffe (nach (Gilmour 2003) bzw. (Pizzarello et al. 2006)) ������������������������������  231 Tab. 3.16   Einige der ca. 70 Aminosäuren, die im Murchison-Chondriten nachgewiesen werden konnten. Proteinogene Aminosäuren sind in kursiv hervorgehoben ����������������������������������������������������������������  234 Tab. 3.17   T  ypische Reaktionsprodukte eines Miller-Urey-Experiments unter reduzierenden Bedingungen (aus (Plaxco und Gross 2006)). Proteinogene Aminosäuren sind kursiv hervorgehoben �������������������  241 Tab. 3.18   Ausbeute von α-Aminosäuren in einem typischen MillerUrey-Experiment (aus (Plaxco und Gross 2006)). Die 10 proteinogenen Aminosäuren sind kursiv hervorgehoben ��������������  243 Tab. 3.19   V  ergleich der stofflichen Zusammensetzung der heutigen Ozeane mit der aus geochemischen Befunden deduzierten Zusammensetzung des archaischen Urozeans ������������������������������  265 Tab. 3.20   M  ittlere Zusammensetzung vulkanischer Gase, wie sie von Schildvulkanen vom Hawaii-Typ exhaliert werden ����������������������  266

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XXI

Tab. 3.21   H  ypothetische Zusammensetzung der Erdatmosphäre zu Beginn des Archaikums ����������������������������������������������������������������  268 Tab. 3.22   Genetischer Code (mRNA-Codons). Die Stoppcodons UAA, UAG und UGA terminieren die Proteinsynthese am Ribosom. In Ausnahmefällen (z. B. bei gewissen Archaeen) werden die Stoppcodons UGA und UAG auch zur Codierung der drei zwar proteinogenen, aber nicht kanonischen Aminosäuren Selenocystein, Selenomethionin und Pyrrolysin verwendet. Kursiv dargestellt sind die Aminosäuren, die sich abiotisch durch Bestrahlung einer Kohlenmonoxid-StickstoffWasserdampf-Mischung mit energiereichen Protonen herstellen lassen (und die man z. B. auch an kohligen Chondriten oder bei diversen Ursuppenexperimenten gefunden hat) ����������������������������  318 Tab. 4.1 Parameterbereiche bzw. Grenzen für Wachstum und Vermehrung irdischer Mikroorganismen ��������������������������������������  333 Tab. 4.2  P  arameterbereiche bzw. Grenzen für das Überleben irdischer Mikroorganismen ��������������������������������������������������������������������������  334 Tab. 4.3  Kenndaten und habitable Zonen von Hauptreihensternen ������������  362 Tab. 4.4  Große Flutbasaltprovinzen der Erde, deren Alter 250 Ma übersteigt ��������������������������������������������������������������������������������������  373 Tab. 4.5   Supervulkane der Erde mit VE = 8 ������������������������������������������������  374 Tab. 4.6   G  eschätzte Impaktintervalle für Himmelskörper verschiedener Größen ������������������������������������������������������������������������������������������  384 Tab. 4.7   Torino-Skala ����������������������������������������������������������������������������������  388 Tab. 4.8   Nukleare Brennphasen eines Sterns von 10 Sonnenmassen ��������  404 Tab. 4.9   P  arameter der in der Milchstraße vorkommenden Supernovatypen (Melott und Thomas 2011) ��������������������������������  411 Tab. 5.1   A  us Kraterzählungen abgeleitete Alter einiger Marslandschaften. Diese Altersangaben sind in der Größenordnung von einigen 100 Ma unsicher und stark modellabhängig. Sie können aber als Anhaltspunkt gelten ����������  438 Tab. 5.2   Daten der vier galileischen Monde im Jupitersystem ������������������  454 Tab. 5.3   H  auptbestandteile der Titanatmosphäre in verschiedenen Atmosphärenschichten. (Aus (Müller-Wodarg et al. 2014)) ��������  484 Tab. 5.4  Absetzraten und theoretische Schichtdicken verschiedener auf Titan nachgewiesener Stoffe ��������������������������������������������������������  488 Tab. 5.5   B  estätigte Exoplaneten mit einem ESI-Wert oberhalb von 0,8 im Vergleich zu den terrestrischen Planeten des Sonnensystems ������������������������������������������������������������������������������  496